高低溫循環(huán)下HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能規(guī)律研究＊

常新龍，簡(jiǎn) 斌，李 俊，路志勇，賴健偉

（1第二炮兵工程學(xué)院，西安 710025；2 96165部隊(duì)，江西樂(lè)平 333300；3 96151部隊(duì)，安徽黃山 245040）

0 引言

固體推進(jìn)劑藥柱在壽命周期內(nèi)，由于環(huán)境溫度載荷譜的變化（貯存溫度與固化溫度的不同及日常環(huán)境溫度的變化）及固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同結(jié)構(gòu)所用材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，使藥柱長(zhǎng)期處于交變熱應(yīng)力作用之下［1－3］。溫度交變使藥柱內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，對(duì)藥柱的長(zhǎng)期貯存造成嚴(yán)重的累積損傷，從而使藥柱的力學(xué)性能下降。文中通過(guò)高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)和單軸向拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了高低溫循環(huán)下HTPB推進(jìn)劑的力學(xué)性能變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)

試樣為HTPB推進(jìn)劑，其固體填料為AP、HMX和AL粉。本實(shí)驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)GJB150.5－86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 溫度沖擊實(shí)驗(yàn)》進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)使用SDJ705型高低溫濕熱交變?cè)囼?yàn)箱，其溫濕度調(diào)節(jié)范圍分別為－70℃～＋100℃和30%～98%RH，溫濕度偏差分別為±2℃和±3%RH，在濕熱模式下其溫度均勻度≤1℃，波動(dòng)度為±0.5℃。

結(jié)合GJB1172.2－91《軍用設(shè)備氣候極值 地面氣溫》，選定高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

1）一個(gè)周期的循環(huán)溫度順序?yàn)椋?5℃～55℃～25℃～－51℃～25℃（如圖1所示）。

2）實(shí)驗(yàn)溫度保持時(shí)間：高（55℃）、低（－51℃）、常溫（25℃）均保持1h（保證試件溫度達(dá)到穩(wěn)定）。

3）轉(zhuǎn)換時(shí)間：高溫和常溫之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間為30min，低溫和常溫之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間為90min。保證變溫速率不大于1℃／min。

4）循環(huán)程序與周期：一個(gè)周期8h，分別進(jìn)行5、10、15、20、25個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)（每次實(shí)驗(yàn)為3個(gè)試件）。

將試件放入高低溫濕熱交變?cè)囼?yàn)箱中，試件之間，以及試件與試驗(yàn)箱壁、箱底及箱頂之間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)間隔，以確保環(huán)境因素準(zhǔn)確、均勻的作用在試件上。按上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)編制循環(huán)程序，設(shè)置好溫度、溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間、循環(huán)周期數(shù)等參數(shù)，試驗(yàn)箱將自動(dòng)按照設(shè)定的程序完成高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

圖1 高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)的溫度載荷圖

1.2 單向拉伸實(shí)驗(yàn)

根據(jù)航天部標(biāo)準(zhǔn)QJ924－85《復(fù)合固體推進(jìn)劑單向拉伸試驗(yàn)方法》測(cè)試經(jīng)高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)后試樣的單向拉伸力學(xué)性能，測(cè)試儀器為Instron 5500型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，拉伸速度為100mm／min，溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度小于60%RH。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

最大抗拉強(qiáng)度和最大延伸率為3個(gè)試件的平均值，為了對(duì)比方便，對(duì)HTPB推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度和最大延伸率進(jìn)行無(wú)量綱化處理，在此采用初值化處理［4］，則無(wú)量綱化的最大抗拉強(qiáng)度和最大延伸率為：

式中：ησ和ηε分別為無(wú)量綱化的最大抗拉強(qiáng)度和最大延伸率量，σm（0）和εm（0）分別為初始最大抗拉強(qiáng)度和最大延伸率量，σm（n）和εm（n）分別為高低溫循環(huán)n個(gè)周期的最大抗拉強(qiáng)度和最大延伸率量。

圖2給出了HTPB推進(jìn)劑無(wú)量綱化的最大抗拉強(qiáng)度、最大延伸率與高低溫循環(huán)周期數(shù)n的關(guān)系。

圖2 ησ、ηε 與n的關(guān)系

從圖2中可以看出，高低溫循環(huán)下HTPB推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度和最大延伸率隨著高低溫循環(huán)周期數(shù)的增加而下降，初期下降迅速，中后期下降緩慢，這與貯存老化（熱氧老化）力學(xué)性能變化規(guī)律不同（HTPB推進(jìn)劑貯存老化力學(xué)性能變化規(guī)律［5－6］為：在貯存初期，最大抗拉強(qiáng)度略有下降而最大延伸率略有上升；在貯存中后期，最大抗拉強(qiáng)度上升而最大延伸率下降），這種不同主要是由于HTPB推進(jìn)劑在高低溫循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生脫濕所致；高低溫循環(huán)下力學(xué)性能初期下降迅速，中后期下降緩慢說(shuō)明脫濕初期發(fā)展迅速，中后期發(fā)展緩慢。眾所周知，貯存老化下HTPB推進(jìn)劑性能變化規(guī)律一般應(yīng)用阿累尼烏斯方程來(lái)研究，高低溫循環(huán)下與貯存老化下HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能變化規(guī)律的不同說(shuō)明利用阿累尼烏斯方程來(lái)研究高低溫循環(huán)下HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能變化規(guī)律可能會(huì)出現(xiàn)很大偏差，因此文中探討性的利用灰色理論來(lái)預(yù)測(cè)高低溫循環(huán)下HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能隨高低溫循環(huán)周期數(shù)的變化情況。

3 力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量有限，應(yīng)用灰色理論預(yù)測(cè)HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能的變化情況是一種較為有效的方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立其力學(xué)性能的GM（1，1）模型，并對(duì)殘差進(jìn)行修正，其詳細(xì)的建模過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［4］。

最大抗拉強(qiáng)度的灰色預(yù)測(cè)模型為：

將由灰色模型預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)得到的最大抗拉強(qiáng)度及其殘差的相對(duì)誤差eσ＝ ［σm（n）－（n）］／σm（n）表示在圖3中，從圖3中可知，灰色模型預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于0.8%，說(shuō)明文中得出的最大抗拉強(qiáng)度灰色預(yù)測(cè)模型是可行的。

圖3 σm、eσ 與n的關(guān)系

圖4 εm、eε 與n的關(guān)系

最大延伸率的灰色預(yù)測(cè)模型為：

將由灰色模型預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)得到的最大延伸率及其殘差的相對(duì)誤差表示在圖4中，從圖4中可知，灰色模型預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于4%，說(shuō)明文中得出的最大延伸率灰色預(yù)測(cè)模型是可行的。

從圖3～圖4中的灰色模型值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)照來(lái)看，也說(shuō)明灰色預(yù)測(cè)模型可以較準(zhǔn)確地反映本實(shí)驗(yàn)條件下HTPB推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)度、最大延伸率隨高低溫循環(huán)周期數(shù)的變化情況。

4 失效破壞分析

式中：Nfσ為所對(duì)應(yīng)的失效循環(huán)數(shù)，由式（2）確定；Nfε為所對(duì)應(yīng)的失效循環(huán)數(shù)，由式（3）確定。則失效時(shí)的臨界循環(huán)數(shù)為：

因此當(dāng)在此實(shí)驗(yàn)環(huán)境下高低溫循環(huán)47次后HTPB推進(jìn)劑失效，這說(shuō)明在此高低溫循環(huán)環(huán)境對(duì)于HTPB推進(jìn)是極為惡劣的。

5 結(jié)論

1）高低溫循環(huán)下，HTPB推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度和最大延伸率隨著循環(huán)周期數(shù)的增加而下降，初期下降迅速，中后期下降緩慢。

2）高低溫循環(huán)下HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能變化規(guī)律與熱氧老化下的力學(xué)性能變化規(guī)律不同，這主要是由高低溫循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生脫濕所致。

3）由灰色模型預(yù)測(cè)出本實(shí)驗(yàn)所用HTPB推進(jìn)劑材料在此實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行高低溫循環(huán)47次后失效。

［1］馮志剛，周建平.長(zhǎng)期貯存的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的溫度應(yīng)力分析［J］.推進(jìn)技術(shù)，1994（6）：42－49.

［2］Heller R A，Singh M P.Thermal storage life of solidpropellant motors［J］.J.Spacecraft，1982，20（2）：144－149.

［3］徐新琦，袁書生，隋玉堂.貯存條件下推進(jìn)劑藥柱的應(yīng)力、應(yīng)變分析［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，17（3）：313－317.

［4］袁嘉祖.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1991：21－24.

［5］李松年，劉勇，王羅新，等.HTPB推進(jìn)劑儲(chǔ)存老化性能試驗(yàn)研究［J］.推進(jìn)技術(shù)，2006，27（5）：473－476.

［6］羅懷德，張昊，杜娟.固體推進(jìn)劑使用壽命快速預(yù)測(cè)探索研究［J］.固體火箭技術(shù)，2000，23（1）：31－35.