考慮應變率和環境壓強的NEPE推進劑力學性能實驗研究

宋 峻，李 輝，王士欣，許進升，周長省

(1.中國船舶重工集團公司第726研究所， 上海 200025； 2.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094；3.中國船舶集團公司713研究所， 鄭州 450002)

固體火箭發動機作為火箭武器的主要動力裝置，被廣泛的應用到火箭彈、戰術導彈和運載火箭助推中。隨著對火箭發動機遠程性能需求的不斷提高，對火箭發動機的各項性能參數也提出了更高的要求，從而要求固體推進劑藥柱結構具有更好的結構完整性。因此，固體火箭發動機裝藥結構完整性成為研究熱點。通常分析藥柱結構完整性的方法有兩種，一種是進行固體推進劑力學實驗，另一種是建立準確的本構模型進行數值仿真，而準確的本構模型需要廣泛的實驗數據進行驗證。因此，開展固體推進劑在復雜載荷下的力學特性實驗研究，可為發動機裝藥的結構完整性研究提供重要理論依據。

目前，國內外學者對固體推進劑在復雜載荷下的力學性能進行了大量的研究。這些研究主要集中于固體推進劑力學性能的溫度相關性和應變率相關性等[1-4]。然而，這些實驗不能很好地反映固體推進劑在點火條件下的力學性能特性。這是因為在點火條件下，固體推進劑所處的是圍壓環境。固體推進劑為典型的粘彈性聚合物，其力學性質應該與其他聚合物類似，即力學性能呈現壓力相關性[5]。當然，一些研究人員也在固體推進劑圍壓環境下的力學性能測試做了一些研究。如國外Park等[6-7]進行了HTPB推進劑在不同環境壓力和不同拉伸速率下的單軸拉伸實驗。發現軸向應力和極限應變隨著環境壓力的升高而升高。Traissac等[8]開展了HTPB推進劑在不同溫度、應變率和環境壓力下的單軸拉伸和剪切實驗，發現固體推進劑的極限力學特性呈現強烈的壓力敏感性。?züpek[9]發現圍壓在固體推進劑未進入“脫濕”之前沒有明顯的影響。Liu和Miller[10-12]探究了固體推進劑在圍壓環境下裂紋擴展行為，發現裂紋增長率隨著圍壓的增加而下降。國內何鐵山和王小英等[13-14]開展了環境壓強對固體推進劑單向力學行為的影響研究。發現環境壓強對NEPE推進劑力學行為的影響存在一個閾值，超過該閾值后，環境壓強對最大強度的影響不大，對最大伸長率無明顯影響規律。Zhang等[15-16]進行了雙基推進劑在圍壓環境下的壓縮實驗，實驗發現固體推進劑的屈服值和壓縮強度隨著圍壓的升高而升高。申志彬[17]開展了HTPB推進劑在不同環境壓力、溫度、拉伸速率下的定速拉伸實驗。研究表明，圍壓環境下推進劑應力-應變曲線沒有明顯的“脫濕”點，推進劑的拉伸強度明顯提高；快速拉伸條件下，圍壓環境極大地降低了推進劑的延伸率。盡管國內開展了不同類型推進劑在圍壓下的力學行為，但都沒有關于同時考慮環境壓強和應變率耦合影響以及建立考慮圍壓和應變率的強度準則的研究報道，為此，通過設計的圍壓實驗裝置獲得了固體推進劑在不同環境壓強和應變率下的力學性能，為固體火箭發動機裝藥結構完整性分析提供理論基礎。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗系統

氮氣圍壓實驗系統包括供壓裝置、圍壓裝置和加載裝置三部分。供壓裝置包括高壓氮氣瓶、調壓減壓閥和高壓導氣管。高壓氮氣瓶提供高壓氮氣，調壓減壓閥將高壓氮氣調節至實驗所需壓力值，通過高壓導氣管注入圍壓缸體中，保證缸體內部壓力值的恒定。圍壓裝置包括下端蓋、圍壓缸體、上端蓋、安全泄氣閥及壓力表。加載裝置由啞鈴型試件夾具及微機控制電子萬能材料試驗機QJ211B組成。圍壓實驗系統示意圖如圖1。

圖1 圍壓實驗系統示意圖

1.2 實驗材料與方法

本文中實驗材料選擇為NEPE固體推進劑，即硝酸酯增塑的聚醚聚氨酯推進劑(Nitrate Ester Plasticized Polyether Propellant)，其主要成分有粘合劑、增塑劑(17%～21%)、AP顆粒(20%～30%)、Al粉(20%～30%)、黑索金(RDX)和催化劑等。

本文選用同一批次的某NEPE澆鑄推進劑作為實驗研究對象。參照復合固體推進劑單向拉伸試驗方法標準QJ924—85，將推進劑試樣加工成啞鈴狀試件，啞鈴狀試件具體尺寸如圖2所示。試件加工完畢后放入50 ℃的恒溫溫箱內，保溫24 h，隨后使其自然冷卻，以消除試樣內部產生的殘余應力。

為探究NEPE推進劑在不同壓力環境中的力學特性，選取相對大氣壓0、0.5、1和2 MPa的4組壓強環境進行實驗。每個壓力下分別進行2、10、50和200 mm/min，對應的應變率分別為：0.000 667 s-1、0.003 33 s-1、0.016 7 s-1和0.066 7 s-1。每個工況進行5次重復實驗，根據每個工況下5組實驗結果選取均值進行結果分析。

2 結果與分析

2.1 應力-應變曲線

同一應變率環境壓強下的應力-應變曲線如圖3所示。從圖3可以發現，環境壓強對于NEPE推進劑初始彈性模量幾乎沒有影響。這是因為固體推進劑在受載荷作用的初始階段，由于載荷較小，NEPE推進劑變形較小，NEPE推進劑沒有損傷發生，其體積基本沒有變化，處于不可壓縮狀態[18]。在不同環境壓強下，NEPE推進劑表現相同的非線性趨勢。還可以發現試樣的抗拉強度隨環境壓強的增大而增加，試樣斷裂應變也隨著環境壓強的增加而變大。在200 mm/min拉伸速度下，與大氣壓下相比，在2 MPa環境壓強實驗條件下，固體推進劑的極限應變增加了1倍，抗拉強度值是大氣壓下的1.44倍。

圖3 同一應變率不同環境壓強下NEPE推進劑應力-應變曲線

在同一環境壓強條件下，NEPE推進劑在不同拉伸速率下的應力-應變曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在同一圍壓下拉伸速率(應變率)越大，其初始彈性模量就越大，試樣拉斷時所呈現的最大應力也越大，表明初始彈性模量、最大應力分別在不同的環境壓強下仍然具有明顯的率相關性。

圖4 同一環境壓強條件下不同拉伸速率下NEPE推進劑應力-應變曲線

2.2 實驗分析

根據應變率效應可知，隨著應變率的增高，粘彈性材料的應力響應幅值均有不同程度的增加，因此同一圍壓下應變率越大，其應力幅值越大。不同環境壓強下最大拉伸應力與應變率的對數值的關系如圖5所示。

圖5 不同環境壓強下最大拉伸應力與應變率的關系曲線

從圖5中可以看出，在不同的環境壓強條件下，最大應力與應變率的對數值變化呈線性關系。固體推進劑在大變形下，由于顆粒脫濕和基體中形成空洞，導致推進劑的體積變大[18]，這時推進劑處于可壓縮狀態。環境壓強對推進劑的影響開始體現出來，在圍壓環境中，NEPE推進劑受三軸壓縮，基體與顆粒被壓緊，無法產生顆粒脫濕，圍壓抑制或延遲了內部裂紋及孔洞的萌生，進而需要更大的載荷才能使NEPE推進劑產生脫濕和最終的失效。因此，NEPE推進劑的抗拉強度隨著圍壓的增加而增加。圖6為試件斷裂時最大應變與環境壓強的關系曲線。可以看出，最大應變與環境壓強值呈線性正相關。在低環境壓強條件下，NEPE推進劑的斷裂應變在不同拉伸速率下變化不明顯。而在2 MPa條件下，試件的斷裂應變有隨著應變率的增加而增加的趨勢。固體推進劑在單軸加載下的變形響應，可以分為應變響應和體積膨脹響應。隨著圍壓的增加，NEPE推進劑的膨脹響應受到抑制。因此，NEPE推進劑只能表現為應變響應，隨著圍壓的增加，NEPE推進劑的斷裂應變也隨著增加。

圖6 最大應變與環境壓強的關系曲線

根據實驗結果，可以發現圍壓顯著影響NEPE推進劑的力學特性，尤其是最大抗拉強度表現為顯著的率相關和壓力相關。然而眾多研究人員[19-20]在分析固體火箭發動機點火下藥柱結構完整性時，常采用大氣壓下的強度準則作為評判準則。因此，為了更好地分析點火情況下藥柱結構完整性，需要建立起考慮壓力和應變率的強度準則。

2.3 基于時壓等效原理的強度準則

高聚物的同一個力學松弛現象可以在較高的溫度、較短的時間內 (或較高的頻率下) 發生，也可在較低的溫度、較長的時間內 (或較低的頻率下)發生，這就是“時溫等效原理”。其實環境壓強對于推進劑松弛特性的影響類似于溫度，即降低溫度等同于增加壓強，這便是時間-溫度-壓強等效原理[21](因為本文中沒有考慮溫度，可以表述為時間-壓強等效原理)。陽建紅[22]曾使用雙剪強度理論建立了固體推進劑在不同環境壓強下的強度準則，但是該準則沒有考慮應變率，不適用推廣到數值計算中，因此本文在這里建立考慮應變率和環境壓強的強度準則。因此，時間-壓強移位因子αP可以簡化表示為：

(1)

式中：C1和C2為材料參數，可以通過實驗數據擬合確定；P0為參考環境壓強，即相對大氣壓0 MPa。

總體上來說，固體推進劑的力學特性呈現著“率相關”和“環境壓強相關”。因此在構建固體推進劑的強度準則時應該考慮壓強和應變率對其的影響。根據時間-壓強疊加原理，NEPE推進劑的抗拉強度對數值與每個壓強下的對數應變率曲線可以沿橫軸水平移動，然后與參考壓強下的曲線上重疊；這樣便可以在參考壓強下形成完全重疊的曲線，該曲線稱為該力學參數的主曲線。移動距離稱為時間-壓強偏移因子logαP，不同壓強下便有不同的logαP值，用式(1)對其擬合，可以得到壓強與移位因子logαP的曲線，結果如圖7所示。

圖7 移位因子與環境壓強的關系曲線

以P0(相對大氣壓為0 MPa)為參考壓強，利用時間-壓強偏移因子logαP，將不同壓強下NEPE推進劑的最大抗拉強度值向右平移logαP，便可以得到NEPE推進劑的最大抗拉強度主曲線，利用指數函數式(2)對其擬合，其中A=0.283 8，B=5.313 6，C=0.296 4，如圖8所示。該主曲線可以很好地表示固體推進劑在0～2 MPa下和拉伸速度2～200 mm/min下抗拉強度變化情況。

圖8 NEPE推進劑抗拉強度主曲線

(2)

3 結論

1) 在不同環境壓強下，NEPE推進劑力學性能與應變率相關性依然存在。環境壓強對于NEPE推進劑的力學性能有著明顯的影響，但環境壓強對于NEPE推進劑的初始彈性模量沒有明顯的影響。NEPE推進劑的最大抗拉強度和極限應變隨著環境壓強的增加而增加。

2) 依據時間-壓強等效原理建立NEPE推進劑應變率和環境壓強下的強度主曲線，該曲線具有較寬的預測范圍，可以方便地運用到數值仿真中，為固體火箭發動機裝藥結構完整性提供有效的技術支撐。