基于形狀記憶聚合物固體火箭發動機裝藥芯模試驗研究①

王蓬勃，杜林喆，沈業煒，池 鐵，羅思璇，陳 俊，王 磊，張 魯，孫 健，張風華，劉立武，劉彥菊，冷勁松

（1．上海航天動力技術研究所，上海 201109；2．哈爾濱工業大學 復合材料與結構研究所，哈爾濱 150080；3．哈爾濱工業大學 航天工程與力學系，哈爾濱 150001）

0 引言

隨著導彈的機動多樣性發展，對發動機內彈道性能提出更高要求，裝藥結構更為復雜，裝填比更高。 藥型設計受到裝藥芯模工藝的約束，常常難以設計出滿足要求又可方便脫模的藥型。 目前普遍采用的整體式和組合式機械結構芯模工藝，整體式芯模結構簡單，使用方便，能夠滿足常規藥形設計，如管槽、翼柱和星型等。 組合式機械結構芯模在復雜藥型的裝藥上有較多應用。 這類芯模適應性好，可重復使用，制作的藥柱光澤性好，整形量小，但結構復雜，設計難度大，需要為不同的藥型設計不同的芯模結構，成本高。 此外，隨著3D 打印技術的興起，發動機的3D 打印技術也獲得了較多研究，但目前該技術對發動機材料要求較高，且藥柱層間強度較低，有待繼續發展。

復雜藥形和高裝填比藥形采用傳統芯模已經不能滿足總體要求，對于變截面的藥形，例如兩端小中間大，常規的整體式芯模很難做到，組合式芯模脫模也存在結構復雜，周期長等缺點。 隨著設計、仿真和材料基礎科學技術的發展，基于形狀記憶聚合物（Shape Mem?ory Polymer，簡稱SMP）新材料基礎和設計技術，已經在航空航天、生物醫學、運動用品、機械制造等領域得到了迅猛發展。 形狀記憶聚合物是一種具有形狀記憶效應的高分子材料，能夠在某種刺激下回復自己的初始形狀。 此外，還具有大變形，低密度等特點，適合制作特種模具。 美國的研究學者EVERHART M C等嘗試應用形狀記憶聚合物模具成型方案制造了復雜形狀的S 形進氣道復合材料構件，哈爾濱工業大學冷勁松院士團隊應用形狀記憶聚合物模具制備了瓶型智能模具，并進行形狀回復實驗和纖維纏繞實驗，實驗結果表明，該方法能夠實現復合材料結構的順利脫模。 形狀記憶聚合物在固體火箭發動機裝藥芯模應用尚未見報道或者報道較少，哈爾濱工業大學冷勁松院士團隊提出采用形狀記憶芯模進行固體火箭發動機裝藥，可解決復雜異型裝藥工藝難題，具有安全性高、密度低、生產周期短、成本低等優點。

本文基于形狀記憶聚合物芯模，開展發動機裝藥結構設計相關探索性前沿基礎技術研究，開展異型裝藥設計和脫模工藝，對于長徑比較大的發動機裝藥結構，通過中間開槽減少應力集中，提高裝填比，利用形狀記憶聚合物實現異型裝藥結構，拓寬發動機裝藥形式，為藥形設計提供了一種新的制備工藝。

1 模具制備

1．1 工作原理

形狀記憶聚合物是指具有某一原始形狀的制品，經過形變并固定后，在特定的外界刺激（如熱、電、光、磁或溶液等）下能自動回復到初始形狀和尺寸的一類聚合物材料，具有形狀記憶特性以及變剛度特性。利用形狀記憶聚合物的變剛度特性和形狀記憶效應，選擇變形和溫度較為適合的SMP 材料，通過合理的材料改性，提高材料韌性、玻璃化轉變溫度和伸長率。圖1 描述了形狀記憶效應的一個形狀記憶周期。玻璃化轉變溫度是形狀記憶聚合物比較重要的物理參數，當溫度小于玻璃化轉變溫度時，材料處于玻璃態，此時形狀記憶聚合物與其他高聚物表現無異，當溫度大于玻璃化轉變溫度時，材料處于橡膠態，此時材料剛度大幅下降，且有往初始形狀變形的趨勢。

圖1 SMP 工作原理示意圖［13］Fig．1 SMP working principle configuration［13］

選擇玻璃化轉變溫度比推進劑固化溫度稍高的形狀記憶材料，首先制作成比較容易的細管（初始形狀），然后加工使其變形為需要成型的藥柱形狀進行固化，固化完成后對成型藥柱加熱，使其溫度達到芯模玻璃化轉變溫度以上，芯模收縮，自動脫模。 脫模后的芯模經再次加工變形后，可繼續使用。

1．2 模具設計

形狀固定率和回復率是研究SMP 熱力學性能的兩個重要指標，可通過SMPs 熱力循環實驗獲得。 可根據SMP 試件在不同溫度和載荷作用階段的長度變化，來確定SMP 的形狀固定率和回復率。

式中為SMP 低溫時卸載后形狀固定率；為SMP升溫回復后形狀回復率；為SMP 高溫變形前的試件長度；為SMP 高溫變形后的試件長度；為SMP 低溫卸載后的試件長度；為SMP 升溫回復后的試件長度。

形狀記憶的芯模材料選擇應根據目標推進劑的固化溫度、芯模的最大/最小半徑比，以及芯模的精度要求、脫模方式綜合考慮，以上芯模指標分別對應形狀記憶材料的玻璃化轉變溫度、最大變形量、形狀固定率以及回復率。 在本文中，目標推進劑的固化溫約為50 ℃，長度約為120 mm。 據此，采用（玻璃化轉變溫度）為60 ℃的苯乙烯基形狀記憶聚合物，該材料由哈爾濱工業大學冷勁松院士團隊研制，形狀固定率和回復率都大于95%，熱力學性能如圖2 所示。 芯模的厚度設置為2 mm。 設計制造了固定率變形量50%和100%的兩種SMP 芯模（見圖3 和圖4）。

圖2 芯模材料DMA 實驗數據Fig．2 DMA test data of SMP mandrel

圖3 芯模1 示意圖（變形量50%）Fig．3 Mandrel 1 configuration（Deformation ration 50%）

圖4 芯模2 示意圖（變形量100%）Fig．4 Mandrel 2 configuration（Deformation ration 100%）

1．3 模具制備

SMP 模具制備包括SMP 直管制作和吹塑成型，SMP 直管的制備流程包括輔助模具加工與組裝、澆注及固化、SMP 管固化后脫模，見圖5。 直管制備之后與陰模組合，進行升溫加壓，由陰模尺寸保證SMP 芯模的尺寸精度，然后降溫減壓，最后制造處符合要求的芯模尺寸。 最終制造出變形量50%和100%兩種芯模。

圖5 SMP 直管制備過程Fig．5 SMP straight pipe preparation process

2 試驗結果與分析

2．1 假藥試驗結果與分析

考慮試驗安全性和脫模工藝可行性，進行了SMP芯模假藥試驗。 使用變形量為50%的芯模，兩端采用卡環保證芯模豎直方向，防止芯模偏心，芯模如圖6 所示。 試驗流程見圖7。

圖6 芯模（變形量50%）Fig．6 Mandrel with 50%deformation

圖7 試驗流程Fig．7 The experimental flow

為便于觀察裝藥內型面，推進劑澆注長度占118 mm殼體長度一半，假藥澆注后，先放置于40 ℃水浴烘箱固化4 d，固化完成后再放置于70 ℃水浴烘箱保溫5 h進行脫模，保溫5 h 后，芯模利用自身形狀記憶效應，主動與推進劑分離，芯模恢復到初始形狀（圖8），保溫箱降到室溫，輕輕取出芯模和燃燒室（圖9）。

圖8 試驗后芯模Fig．8 The mandrel after test

圖9 脫模后燃燒室Fig．9 The chamber after model release

從假藥試驗可知，采用變形量50% SMP 芯模可以成功脫模，中間突出部分（直徑79．5 mm）可以恢復初始直徑53 mm，燃燒室裝藥內孔表面無氣孔，目視情況良好，試驗可行。

2．2 真藥試驗結果與分析

采用某丁羥推進劑成熟配方，進行1 發118 mm 試驗發動機燃燒室和1 發簡易的153 mm 燃燒室裝藥，118 mm 燃燒室采用固定率50%的芯模，153 mm 燃燒室采用固定率100%的芯模。 為了便于觀察脫模后藥柱內形面質量情況和測量內孔直徑，153 mm 燃燒室殼體采用PP 管，PP 管保留了3/5 橫截面。 燃燒室先放置50 ℃水浴烘箱固化5 d，再放置70 ℃水浴烘箱保溫5 h。保溫70 ℃，大于芯模的玻璃轉化溫度60 ℃，芯模開始回復變形，5 h 后芯模中間突出部位恢復到位，冷卻至室溫，取出芯模后，對燃燒室進行整形，118 mm 燃燒室見圖10～圖11，153 mm 燃燒室見圖12～圖14。

圖10 保溫5 h 后的模具Fig．10 Model after 5 hours of heat preservation

圖11 脫模后的?118 mm 燃燒室Fig．11?118 mm chamber after demoulding

圖12 澆注后的?153 mm 燃燒室Fig．12?153 mm chamber after pouring

從圖10～圖14 可知，高溫70 ℃保溫5 h 后，變形量50%芯模和變形量100%芯模都恢復到原狀態。 為得到芯模的回復率和燃燒室脫模后內型面尺寸，對脫模后153 mm 燃燒室內孔尺寸進行測量，結果見表1。

圖13 中間時刻芯模恢復情況Fig．13 Mandrel recovery in the middle

圖14 脫模后燃燒室內部表面情況Fig．14 The internal surface of the chamberafter demolding

由表1 可知，脫模后內型面尺寸與設計名義值最大相差3．5%，這是由于在推進劑澆注過程中，推進劑澆注溫度約在55～60 ℃，接近SMP 芯模的玻璃轉化溫度，造成芯模的彈性模量下降。 另外，在推進劑擠壓綜合作用下，SMP 芯模發生了一定的回復，造成內型面尺寸小于設計名義值，在指標范圍內，可以接受。 后續可以改性材料配方，提高SMP 芯模的玻璃轉化溫度、強度，或者在設計中留出余量，以提高內型面尺寸精度。

表1?153 mm 燃燒室內型面驗收記錄Table 1 Acceptance record form of?153 mm chamber surface

通過加熱到芯模的玻璃轉化溫度以上，實現芯模與藥柱主動分離，實現了異性結構固體火箭發動機的快速成型和脫模，能夠有效避免摩擦等造成的安全事故，提高了脫模過程中安全性和可靠性。

2．3?118 mm 發動機點火試驗結果與分析

對整形后118 mm 燃燒室進行裝配，裝配后進行常溫20 ℃保溫，保溫12 h 后進行點火，試車照片見圖15，測得壓強時間曲線與預示曲線見圖16。 從圖16 可知，除了點火壓強峰高以外，預示曲線和試驗曲線重復性較好，達到了試驗效果。

圖15?118 mm 發動機試車Fig．15?118 mm motor test

圖16 試驗曲線與預示曲線比較Fig．16 Comparison of test curve and prediction curve

基于SMP 芯模的裝藥設計，118 mm 發動機點火試驗的成功，證明SMP 芯模可用于發動機裝藥設計，對于長徑比較大的裝藥形式，中間開槽可以提高裝藥結構完整性，增大數，提高發動機裝填比。

3 結論

采用形狀記憶聚合物固體發動機裝藥芯模主動變形進行藥柱脫模的智能制造方法，使模具與藥柱主動分離，可以實現復雜形狀或異型結構固體火箭發動機裝藥的快速成型和脫模，能有效避免摩擦等造成的安全事故，提高脫模過程的安全性和可靠性。 同時，采用形狀記憶聚合物的芯模，還降低了芯模的重量，簡化了脫模過程，縮短了復雜工藝藥柱的生產周期，但也存在容易發生變形的缺點。

基于SMP 裝藥芯模研究，在118 mm 試驗發動機裝藥工藝中進行了初步驗證和應用，并通過了點火試車考核，首次實現SMP 模具在固體火箭發動機藥柱成型和脫模過程的應用。 后續有待于驗證大長徑比固體火箭發動機裝藥等復雜結構的設計，為固體火箭發動機裝藥的研制提供了一種新的制備工藝。