固體推進劑力學性能多軸試驗和影響因素的研究進展

摘 要：本文從固體推進劑的多軸力學性能試驗方法及影響力學性能因素，對固體推進劑力學性能的研究進展進行了綜述，并在此基礎上提出了當前研究中存在的不足和需要進一步重點開展的研究。分析表明：開展不同加載條件下多軸動態力學試驗對于分析固體推進劑結構完整性更具有參考價值。

關鍵詞：固體推進劑;多軸;力學性能;影響因素

上世紀80年代，美國在開展低溫-40℃條件下戰術導彈發射時，就已經出現部分固體火箭發動機（Solid Rocket Motor， SRM）解體爆炸現象[1-3]。通過對大量中小固體導彈的發射情況進行統計和分析發現，點火瞬間固體推進劑藥柱結構完整性的破壞是引發SRM失效的主要原因[4]。研究發現[5]不同加載條件下固體推進劑力學行為的研究是開展SRM藥柱結構完整性分析的基礎，因為固體推進劑是典型的顆粒增強粘彈性材料，其力學性能和損傷明顯受到外界溫度、加載應變率和熱老化時間等的影響。且固體推進劑在使用和貯存過程中，其受力狀態是多維的。因此，為更好分析固體推進劑藥柱的結構完整性，本文對固體推進劑多軸性能試驗方法及影響因素進行歸納總結研究，并就研究中不足進行分析。

1 推進劑多軸力學性能試驗

1.1 推進劑雙軸拉壓試驗

王志存通過有限元軟件模擬了如圖1.1板條推進劑拉伸時水平與豎直方向的應力比關系，結果發現板條可進行近似1：2雙軸拉伸效果。基于國內外試驗表明，板條推進劑有效模擬真實藥柱受力狀態。因此，王哲君通過如圖1.2所示將板條試驗件依托高應變率試驗機開展試驗，得出與單軸拉伸試驗相同的變化規律。

目前主要依托十字形推進劑開展雙軸拉伸研究。通過單軸試驗機及自主開發試驗器材，張麗華成功實現了推進劑的雙軸拉伸，驗證固體推進劑各向異性特點。為了開展真正的雙軸拉伸試驗，國內強洪夫等將十字形試驗件中心區域減薄在雙軸拉伸機作用下進行了雙軸拉伸力學研究。隨后賈永剛等通過改進采用強洪夫所設計的浴盆式推進劑并在臂上開槽相結合的十字形試驗件開展雙軸試驗。

國外研究者Jalocha[認為賈永剛所采用的試驗方案并不是十分可靠，因此，他重新設計十字形試驗件，取消開槽設計、擴大推進劑圓弧區域半徑，最終實現的雙軸拉伸試驗研究。

張亞等依托雙軸試驗機，對浴盆形試驗件、長方體試件以及類似啞鈴型試驗件分別開展雙軸拉伸、雙軸壓縮及拉壓性能試驗。

1.2 推進劑三軸性能試驗

針對三軸力學性能試驗，國內外主要就準靜態（<1s-1）范圍內開展試驗。Jones J W則設計厚圓盤試件進行研究，通過壓縮試驗機開展徑向壓縮試驗，從多維的角度去模擬其應力狀態。事實上，多軸的受力狀態更加接近SRM工作時內部藥柱的真實情況，因此，國外研究者Sanal Kumar為了更好模擬藥柱在點火建壓時所受的應力狀態，提供研究圓管狀試驗件，針對不同應力狀態設計松弛試驗，試驗表明：試驗剛開始階段，應力構成不足以改變推進劑的松弛模量，當試驗拉伸繼續加載，松弛模量隨著應力的維數不斷增加，在同等試驗條件下，三軸試驗的松弛模量最高。

為了模擬藥柱的SRM中所處壓強環境下所受的影響，Liu通過添加圍壓裝置，對固體推進劑施加壓強載荷進行力學試驗研究：在壓強的作用下，損傷更加難以產生，推進劑的強度有所增強。這與何鐵山等在高壓試驗機中模擬NEPE推進劑點火建壓時所獲得的結論相同。張亞等通過對不同老化HTPB推進劑試件開展圍壓下力學試驗，同樣發現當壓強存在時，推進劑有更高的力學拉伸強度，在圍壓環境中，推進劑可以更好的儲存。

2 推進劑力學性能影響因素研究進展

由于本文主要針對固體推進劑力學性能在溫度、應變率、熱老化時間、受力狀態等四個方面影響下開展研究，因此就這四個方面展開綜述。

1）溫度是造成HTPB推進劑力學性能改變的影響因素。Pang等人發現固體推進劑的初始模量與最大拉伸強度均隨著溫度呈反比，但是最大伸長率沒有明顯比例關系。賴建偉和王小英均開展了低溫和低溫恢復常溫拉伸試驗，研究低溫對推進劑造成的影響。通過低溫拉伸試驗，王哲君研究了單向及雙向拉伸試驗下推進劑的變化性能。Shekhar對比了多種溫度對推進劑性能造成的改變，并通過試驗發現：低溫促使推進劑最大拉伸強度變大。

2）就應變率方面，針對試驗主要依托試驗件拉伸或壓縮速率改變，賴建偉等通過改變其壓縮速率，對比在不同壓縮速率下推進劑的力學性能，發現壓縮速率大小可以改變推進劑強度。Sun等通過對改性雙基固體推進劑在不同應變率范圍內開展力學試驗，根據力學性能參數建立了本構方程。孫朝翔通過改變應變率對固體推進劑開展研究，發現高應變率造成影響更大。

3）固體推進劑從制作出以后就要面臨老化的問題，為研究老化后推進劑力學性能的變化，目前試驗主要開展自然老化和熱老化試驗，目前國內外研究主要依托時溫等效原理（Time-Temperature Superposition Principle，TTSP），通過高溫熱老化試驗處理試驗件開展試驗。Kivity等[57]從機理出發分析了推進劑老化的內在原因。張亞、王哲君通過對不同老化時間的推進劑進行試驗，發現老化后的推進劑較未老化強度有所增加。

4）為了模擬推進劑在SRM工作時的真實受力狀態，國內外研究者提出了從一維到多維的試驗方案進行研究。針對單軸拉伸試驗，出臺JANNAF標準[58]以及GJB 770B-2005標準可以進行參照，但是針對多軸力學試驗可以參照的標準還比較缺乏。張亞為了更好研究推進劑在多維受力狀態下的力學性能，依托雙向試驗機開展雙向拉伸、雙向壓縮試驗，與其開展的單向拉伸、壓縮研究作比較，發現雙向拉伸強度提高，但伸長率有所下降;王哲君通過開展板條試驗件也發現，雙軸會增強推進劑的最大拉伸強度，發現固體推進劑在雙軸條件下將受到兩個方向約束，因而其伸長率會下降。

3 結論

目前，對于多因素分析比較缺乏，所開展的試驗只針對溫度、應變率、應力狀態或者老化等單因素開展力學性能試驗。綜上，開展低溫、高應變率和熱老化后HTPB推進劑雙向拉伸多因素加載試驗對分析固體推進劑結構完整性更具有意義。

參考文獻

[1]Structural assessment of solid propellant grains[R]. AGARD-AR-350， 1997.

[2]Nevière R， Tixier L. Fracture of case bonded grains in cold pressurization motors tests[R]. AIAA 2009-5171， 2009.

[3]劉中兵，周艷青，張兵.固體發動機低溫點火條件下藥柱結構完整性分析[J].固體火箭技術，2015，38（3）：351-355.

[4]劉兵吉.導彈貯存使用失效分析與防護指南[M].北京：第二炮兵裝備技術部，1998.

[5]Gligorijevi? N， ?ivkovi? S， Suboti? S， Rodi? V， Gligorijevi? I. Effect of cumulative damage on rocket motor service life[J]. Journal of Energetic Materials， 2015， 33（4）： 229-259.

作者簡介

劉暢（1993-），男，漢族，安徽合肥，航空宇航科學與技術碩士，助教，火箭軍士官學校，研究方向：固體推進劑結構完整性研究。