環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE推進(jìn)劑單向拉伸力學(xué)行為的影響①

王小英，何鐵山，張 林，唐 泉，胡 翔

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽 441003)

環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE推進(jìn)劑單向拉伸力學(xué)行為的影響①

王小英，何鐵山，張 林，唐 泉，胡 翔

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽 441003)

采用單向拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了不同溫度、不同拉速、不同環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE推進(jìn)劑力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明，環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE推進(jìn)劑力學(xué)行為的影響存在一個(gè)閾值，超過該閾值后，環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)最大強(qiáng)度的影響不大，對(duì)最大伸長(zhǎng)率無明顯影響規(guī)律。同時(shí)，采用雙剪強(qiáng)度理論，建立了NEPE推進(jìn)劑最大剪應(yīng)力強(qiáng)度與環(huán)境壓強(qiáng)的關(guān)系。結(jié)果表明，兩者呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，根據(jù)關(guān)系式得出，在低溫下推進(jìn)劑最大剪應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)環(huán)境壓強(qiáng)更敏感，并對(duì)該關(guān)系式的其他應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。采用SEM法觀測(cè)結(jié)果表明，環(huán)境壓強(qiáng)主要在抑制顆粒脫濕、降低空穴方面有較強(qiáng)作用。

NEPE推進(jìn)劑；力學(xué)性能；雙剪強(qiáng)度理論；環(huán)境壓強(qiáng)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火期間，推進(jìn)劑藥柱是在一定壓強(qiáng)下工作的。因此，有必要知道壓強(qiáng)對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)能力的影響。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)環(huán)境壓強(qiáng)的作用開展了一系列研究。Kruse、Jones等的實(shí)驗(yàn)表明，固體推進(jìn)劑力學(xué)性能具有壓力敏感性[1]。Traissac Y[2]及CH Pai[3]等分別研究了固體彈性體材料在不同壓強(qiáng)環(huán)境下的力學(xué)行為。研究表明，其變化規(guī)律明顯與常壓狀態(tài)不同。何鐵山等[4]研究了常溫不同環(huán)境壓強(qiáng)下NEPE推進(jìn)劑的力學(xué)行為變化規(guī)律，建立了環(huán)境壓強(qiáng)影響NEPE推進(jìn)劑力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型，但該模型較簡(jiǎn)單；陽建紅考慮了靜水壓力和多向應(yīng)力狀態(tài)，提出了推廣的雙剪強(qiáng)度準(zhǔn)則[5]；姚東對(duì)雙剪強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行了推廣應(yīng)用，預(yù)測(cè)了多種條件下的強(qiáng)度參數(shù)[6]。但以上研究一般針對(duì)常溫下環(huán)境壓強(qiáng)的影響，且未對(duì)環(huán)境壓強(qiáng)下的拉伸曲線進(jìn)行分析。

由于壓強(qiáng)環(huán)境下推進(jìn)劑力學(xué)性能測(cè)試難度較大，目前從公開發(fā)表文獻(xiàn)來看，僅文獻(xiàn)[4]測(cè)試了室溫下環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE推進(jìn)劑力學(xué)行為的影響，對(duì)高溫和低溫下的影響結(jié)果鮮有報(bào)道。因此，為了準(zhǔn)確評(píng)估火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火工作時(shí)固體推進(jìn)劑所處的工作狀態(tài)，準(zhǔn)確分析在點(diǎn)火工作期間藥柱結(jié)構(gòu)的完整性，進(jìn)而提高燃燒室裝藥設(shè)計(jì)水平，采用單向拉伸實(shí)驗(yàn)研究了不同溫度、不同拉速下，環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE固體推進(jìn)劑力學(xué)行為的影響，利用雙剪強(qiáng)度準(zhǔn)則評(píng)估推進(jìn)劑環(huán)境壓強(qiáng)下的承載能力，并初步解釋了環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)特性影響的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)設(shè)備為自制高壓材料試驗(yàn)機(jī)，以氮?dú)鉃樵鰤簹怏w，同時(shí)配備4只載荷傳感器，每只傳感器滿量程為1 kN。試驗(yàn)樣品為啞鈴形試件，按GJB 770A297規(guī)定的相關(guān)方法制備。

測(cè)試試樣為NEPE固體推進(jìn)劑，其中粘合劑為PEG/NG/BTTN，固體組分為HMX/AP/Al，固體含量73%。固體推進(jìn)劑試樣在每種設(shè)定壓強(qiáng)條件下保壓40 min。每種測(cè)試條件下一次性同時(shí)測(cè)試4個(gè)試樣，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果取平均值。實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓強(qiáng)p為0.1～9.9 MPa(一個(gè)大氣壓為0.1 MPa)；測(cè)試溫度T為-20、20、70 ℃；對(duì)應(yīng)拉速V分別為100、100、2 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)推進(jìn)劑應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

首先，觀測(cè)了常溫20 ℃、100 mm/min拉速下，不同環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE推進(jìn)劑應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響，結(jié)果見圖1。

從圖1可見，不同環(huán)境壓強(qiáng)下，NEPE推進(jìn)劑初始階段曲線基本相同(≤60%)，在拉伸后期，隨著環(huán)境壓強(qiáng)的增大，推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)σm(拉伸曲線中抗拉強(qiáng)度最大值)和伸長(zhǎng)率εm(σm對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率)均逐漸提升。

這是因?yàn)镹EPE推進(jìn)劑在拉伸初始階段是不可壓縮的，在填料顆粒周圍的真空孔穴數(shù)量很少，環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)拉伸特性影響較小，因此表現(xiàn)出初始階段拉伸曲線基本相同。隨著拉伸進(jìn)行，推進(jìn)劑內(nèi)部空穴數(shù)目將逐漸增加。此時(shí)，外部氣壓一方面可延緩真空孔穴的出現(xiàn)，另一方面能使帶孔推進(jìn)劑體積縮小，氣體受到擠壓。因此，外部壓強(qiáng)越大，推進(jìn)劑脫濕的越晚，其最大拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均提高。

2.2 不同條件下環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE推進(jìn)劑力學(xué)行為的影響

圖1中，常溫下環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE推進(jìn)劑力學(xué)行為存在較大影響，為觀測(cè)其它條件下的影響，測(cè)試了不同溫度下環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)其σm和εm的影響，結(jié)果見圖2和圖3。

由圖2和圖3可見，在常溫20 ℃和高溫70 ℃條件下，當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)p低于6.3 MPa時(shí)，隨著p的提高，NEPE推進(jìn)劑σm和εm均逐步提高；當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)高于6.3 MPa后，σm變化不大。當(dāng)測(cè)試溫度為-20 ℃時(shí)，NEPE推進(jìn)劑σm隨p增加而不斷增加，3種溫度條件下，當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)大于6.3 MPa后，隨p提高，伸長(zhǎng)率并無明顯變化規(guī)律。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)推進(jìn)劑強(qiáng)度的影響并非呈線性增加，而是存在一個(gè)閾值，超過該閾值后，壓強(qiáng)的影響就不大，且該閾值壓強(qiáng)與應(yīng)變速率和溫度有關(guān)，材料的剛性越強(qiáng)，閾值越大。因此，在20 ℃及70 ℃下，NEPE推進(jìn)劑的壓強(qiáng)閾值接近6.3 MPa；在低溫-20 ℃下，并未達(dá)到該溫度下的壓強(qiáng)閾值。在壓強(qiáng)達(dá)到閾值后，環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)推進(jìn)劑εm的影響依賴于粘合劑耐撕裂的特性，與壓強(qiáng)大小關(guān)系不大。因此，NEPE推進(jìn)劑最大伸長(zhǎng)率在壓強(qiáng)高于閾值后，并無明顯變化規(guī)律。

以上分析表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在一定壓強(qiáng)下點(diǎn)火時(shí)，較低的壓強(qiáng)有利于提高推進(jìn)劑力學(xué)性能，將使推進(jìn)劑的結(jié)構(gòu)完整性計(jì)算裕度增大(因?yàn)榇藭r(shí)推進(jìn)劑實(shí)際力學(xué)性能是高于計(jì)算用力學(xué)性能值)，但當(dāng)壓強(qiáng)提升到一定值后，壓強(qiáng)對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)性能提升作用減弱或消失。此時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不應(yīng)繼續(xù)過高估算壓強(qiáng)對(duì)力學(xué)性能的提升作用了。

2.3 NEPE推進(jìn)劑強(qiáng)度與環(huán)境壓強(qiáng)理論關(guān)系

文獻(xiàn)[5, 8]提出的雙剪強(qiáng)度準(zhǔn)則可較好地描述推進(jìn)劑強(qiáng)度與環(huán)境壓強(qiáng)的相關(guān)性：

當(dāng)-30°≤θσ≤θσcr時(shí)

(1)

當(dāng)θσcr≤θσ≤30°時(shí)

(2)

式中τ為八面體上剪應(yīng)力；σe為平均主應(yīng)力，θσ、θσcr分別為lode角和臨界lode角；A、A′為正應(yīng)力影響參數(shù)；B、B′為材料的強(qiáng)度系數(shù)；D、D′為材料的強(qiáng)度參數(shù)。

其中

(3)

(4)

(5)

式中σi為正應(yīng)力，i=1，2，3。

當(dāng)推進(jìn)劑為三軸壓縮時(shí)，θσ取-30°，拉伸時(shí)θσ取30°。

當(dāng)推進(jìn)劑受單軸拉伸載荷時(shí)，正應(yīng)力σ1等于單軸拉伸最大強(qiáng)度σm，σ2=σ3=-p，將其分別代入式(3)和式(4)，即可求σe和τ。

由于NEPE推進(jìn)劑主要應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈中，其使用環(huán)境一般為-20～70 ℃，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推進(jìn)劑藥柱的力學(xué)性能指標(biāo)要求(指標(biāo)一般要求提供常溫、低溫下拉速100 mm/min，高溫70 ℃拉速為2 mm/min時(shí)力學(xué)性能)，分別列出了-20、20、70 ℃，不同環(huán)境壓強(qiáng)下平均主應(yīng)力σe和剪應(yīng)力τ值，結(jié)果見表1。

由表1可見，隨環(huán)境壓強(qiáng)的增大，八面體剪應(yīng)力τ逐漸增加。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，取同一加載條件下環(huán)境壓強(qiáng)的3組或3組以上數(shù)據(jù)，代入式(1)中，即可構(gòu)成關(guān)于3個(gè)參數(shù)的方程組，從而求出參數(shù)A、B和D的線性解答?？梢?，環(huán)境壓強(qiáng)大小決定了σe值，σe值和A、B、D3個(gè)參數(shù)共同確定推進(jìn)劑的最大八面體剪應(yīng)力τ。從力學(xué)內(nèi)涵來看，壓強(qiáng)通過對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的影響，主要體現(xiàn)在σe中(見式(3))，而溫度和拉伸速率的影響主要體現(xiàn)在參數(shù)A、B和D中[6]。

根據(jù)表1計(jì)算得出的A、B、D值及τ8與p關(guān)系式，列于表2中。由表2可知，在不同溫度、不同拉速下，τ8與壓強(qiáng)均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高于0.99。為便于比較，將表2中τ8與p關(guān)系式得出的擬合值列于表1中。

由表1可見，擬合值與計(jì)算值非常接近，說明雙剪強(qiáng)度準(zhǔn)則是適用于推進(jìn)劑在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度準(zhǔn)則。利用該關(guān)系式，還可預(yù)測(cè)出不同溫度、不同壓強(qiáng)下的τ8，并與有限元計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際點(diǎn)火的結(jié)構(gòu)完整性安全系數(shù)。例如，某燃燒室點(diǎn)火建壓過程的分析得出，藥柱某關(guān)鍵部位的對(duì)等加載條件為20 ℃、110 mm/min，工作壓強(qiáng)為7 MPa，參照表2公式，其τ8約為4.21 MPa，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員利用有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性計(jì)算，假設(shè)計(jì)算結(jié)果為1.83 MPa，則此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的安全系數(shù)為4.21/1.83=2.3，即為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際點(diǎn)火的結(jié)構(gòu)完整性安全系數(shù)。

表2中，τ8與p的關(guān)系式中，斜率大小代表了推進(jìn)劑強(qiáng)度對(duì)壓強(qiáng)的敏感程度，斜率越高，表示越敏感。因此，在低溫下NEPE推進(jìn)劑強(qiáng)度對(duì)環(huán)境壓強(qiáng)更敏感，高溫下敏感性略低。這與NEPE推進(jìn)劑屬于粘彈性材料密切相關(guān)。一方面，低溫下推進(jìn)劑中粘合劑基體鏈段發(fā)生了部分凍結(jié)，外載荷作用時(shí)，分子鏈段重新取向難度大，當(dāng)施加壓強(qiáng)后，進(jìn)一步提高了填料顆粒與粘合劑之間的有效剪應(yīng)力和摩擦力[9]，因此低溫下表現(xiàn)為推進(jìn)劑強(qiáng)度對(duì)環(huán)境壓強(qiáng)較敏感。升高溫度后，分子間鏈段運(yùn)動(dòng)較容易，較小的外載荷即可將分子鏈段拉長(zhǎng)，此時(shí)環(huán)境壓強(qiáng)的影響相對(duì)減弱。該認(rèn)識(shí)對(duì)不同溫度試車時(shí)綜合考慮壓強(qiáng)影響有一定參考作用。

2.4 NEPE推進(jìn)劑單向拉伸斷面分析

采用SEM測(cè)試了NEPE推進(jìn)劑試樣在不同壓強(qiáng)拉伸后的斷面形貌，結(jié)果見圖4。圖4中，-20/0.15/100依次表示測(cè)試溫度為-20 ℃、壓強(qiáng)0.15 MPa、拉速100 mm/min推進(jìn)劑試樣拉伸斷面圖，其余類推，放大倍數(shù)均為1500倍。

由圖4可見，不同溫度下，高的環(huán)境壓強(qiáng)較低的環(huán)境壓強(qiáng)的推進(jìn)劑拉伸斷面更密實(shí)，且顆粒脫濕數(shù)目和程度明顯減少。進(jìn)一步驗(yàn)證了推進(jìn)劑受壓后主要是在抑制顆粒脫濕、降低空穴方面有較強(qiáng)作用。但從電鏡圖片中，并不能解釋為何推進(jìn)劑的性能在低溫下比高溫對(duì)壓強(qiáng)更敏感，需要借助其他手段進(jìn)行解析。

表1 環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響

表2 剪應(yīng)力τ8與p的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NEPE推進(jìn)劑最大強(qiáng)度的影響并非呈線性增加，而是存在一個(gè)閾值，超過該閾值后，環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)最大強(qiáng)度的影響不大，對(duì)最大伸長(zhǎng)率無明顯影響規(guī)律。

(2)基于環(huán)境壓強(qiáng)下NEPE推進(jìn)劑的破壞強(qiáng)度可用雙剪強(qiáng)度準(zhǔn)則表達(dá)。根據(jù)剪應(yīng)力和環(huán)境壓強(qiáng)的關(guān)系式，可預(yù)測(cè)出不同溫度、不同壓強(qiáng)下的八面體剪應(yīng)力，并與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可得出發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際點(diǎn)火的結(jié)構(gòu)完整性安全系數(shù)。

(3)環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)NPPE推進(jìn)劑的影響主要在抑制顆粒脫濕、降低空穴方面有較強(qiáng)作用，但無法解釋為何推進(jìn)劑的性能在低溫比高溫時(shí)對(duì)壓強(qiáng)更敏感，下一步需要借助其它手段進(jìn)行分析。

[1] 俞茂宏.強(qiáng)度理論百年總結(jié)[J].力學(xué)進(jìn)展,2004,34(4):529-560.

[2] Traissac Y,Ninous J,Neviere R,Pouyet J,et a1.Mechanical behavior of a solid composite propellant during motor ignition[J].Rubber Chemistry and Technology,1994,68(1):146-157.

[3] Pal P CH,DJ Meier.The effect of pressure on the ultimate properties of elastomers[J].Rubber Chemistry and Technology,1992,65(2):396-410.

[4] 何鐵山,張勁民.環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)固體推進(jìn)劑力學(xué)行為的影響[J].推進(jìn)技術(shù),2005,26(4):365-370.

[5] 陽建紅，周敬恩，劉朝豐.基于環(huán)境壓強(qiáng)下NEPE固體推進(jìn)劑雙剪強(qiáng)度準(zhǔn)則[J].固體火箭技術(shù)，2007，30(3):253-255.

[6] 姚東，高波，楊月誠(chéng)，等.壓力環(huán)境下NEPE推進(jìn)劑強(qiáng)度參數(shù)預(yù)測(cè)[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2013,40(1):23-28.

[7] 達(dá)維納.固體火箭推進(jìn)劑技術(shù)[M].北京：宇航出版社,1997.

[8] 俞茂宏.雙剪應(yīng)力強(qiáng)度理論研究[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[9] 王廣，陳剛.圍壓對(duì)NEPE推進(jìn)劑強(qiáng)度的影響[J].上海航天，2011,28(3):55-59.

(編輯：崔賢彬)

Effect of environment pressure on the uniaxial tensile mechanical properties of NEPE solid propellants

WANG Xiao-ying,HE Tie-shan,ZHANG Lin,TANG Quan,HU Xiang

(Hubei Inst.of Aerospace Chemotechnology,Xiangyang 441003,China)

The mechanical properties of NEPE solid propellant were studied under the different temperature,tensile rates and environment pressure by uniaxial tensile tests.The result shows that there is a threshold value in the influence of environmental pressure on the mechanical behavior of NEPE propellant.When the value exceeds this threshold, the influence of environmental pressure on the maximum intensity is ignorable and there is no significant influence on the maximum elongation.At the same time,twin-shear strength theory was used to establish the correlation between the maximum shear stress intensity of NEPE propellant and environmental pressure.The result shows that there is a great linear relationship between them.According to the relational expression, it is obtained that the maximum shear stress intensity of the propellant is more sensitive to environmental pressure under lower temperature.Other possible applications of this relationship with a mathematical expression were also analyzed briefly.The SEM method was adopted to observe the fracture cross-sections,and it has been shown that the environmental pressure plays a greater role in the suppression of particle dewetting and hole reduction.

NEPE propellant；mechanical properties；twin-shear strength theory；environment pressure

2016-03-04；

2016-07-06。

王小英(1980—)，女，碩士，從事推進(jìn)劑力學(xué)性能研究。E-mail：wangxiaoying321@163.com

V512

A

1006-2793(2017)04-0466-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.04.012