HTPB推進劑“脫濕點”及快慢組合拉伸研究

馬 浩，職世君，申志彬，李道奎

(1.國防科技大學 航天科學與工程學院，長沙 410073；2.中國空空導彈研究院，洛陽 471000)

0 引言

固體導彈發(fā)動機的藥柱結構完整性很大程度上決定了發(fā)動機熱試車或點火發(fā)射的成功率[1]。固體發(fā)動機在進行設計時，需要根據(jù)推進劑力學性能參數(shù)來計算藥柱是否滿足結構完整性要求。發(fā)動機使用的復合推進劑為高填充比的粘彈性顆粒增強復合材料，由于各組分材料力學性能差異、顆粒夾雜效應以及顆粒-基體界面的“脫濕”損傷效應，導致固體推進劑的力學性能很難通過計算方式獲取。因此，試驗研究仍為固體推進劑力學性能研究的主要手段[2-3]。

空空導彈發(fā)動機所使用的推進劑，對低溫環(huán)境要求較高，需滿足在-50～70 ℃區(qū)間正常工作的要求[4]。傳統(tǒng)的HTPB推進劑，低溫力學性能較差。因此，推進劑研制人員針對空空導彈的特殊使用需求，通過改進配方，獲得了一種低溫力學性能優(yōu)良的新型固體推進劑，有必要通過試驗對其進行驗證。此外，在發(fā)動機的全壽命周期中，藥柱一般先經(jīng)歷固化降溫工況，后經(jīng)歷點火發(fā)射增壓工況[5]，已有文獻一般針對不同工況單獨進行定速拉伸試驗，而固體推進劑力學性能與載荷歷程密切相關，這些分別進行的拉伸試驗并不能精確模擬實際的多工況過程。

工程經(jīng)驗表明，發(fā)動機藥柱失效時推進劑往往并未達到其力學性能極限，而與“脫濕”損傷有很強相關性。目前，“脫濕”等細觀損傷對藥柱結構完整性的影響，已受到研究人員的重視[6-8]。但這些研究僅限于“脫濕”對推進劑性能影響的定性描述，目前對“脫濕”進行定量分析的研究很少，也未研究“脫濕”與溫度、應變速率等外部因素的相關性。

本文針對空空導彈固體發(fā)動機工作環(huán)境，對新型HTPB推進劑設計定速拉伸試驗和應變速率快慢組合拉伸試驗，研究了環(huán)境溫度、應變速率和初始熱應變對推進劑極限力學行為和“脫濕”的影響。

1 定速拉伸試驗及結果分析

1.1 試驗方案

試驗樣品為采用新型鍵合劑的三組元HTPB推進劑。本試驗研究溫度和拉伸速率對推進劑力學性能參數(shù)的影響規(guī)律，對3個溫度點、5個不同拉伸速率進行組合，在溫箱中對每個樣品進行保溫后，在試驗機溫箱中進行恒溫定速拉伸，至樣品發(fā)生斷裂。共進行15組試驗。

在發(fā)動機的固化降溫過程中，藥柱主要承受低應變速率下的拉應力/應變；而在點火發(fā)射過程中，藥柱在高應變速率下，處于三向受壓狀態(tài)，但其環(huán)向主要承受拉應變[9]，該應變過大造成的藥柱損傷是導致發(fā)動機工作失效的主要因素?？紤]到固體推進劑力學性能與溫度、應變速率和載荷歷程的相關性，通過拉伸試驗研究推進劑在不同溫度環(huán)境、不同拉伸速率下的力學性能。具體方案如表1所示。

1.2 推進劑力學性能

根據(jù)標準《GJB 770B—2005火藥試驗方法》[10]，處理試驗數(shù)據(jù)，計算求得應力-應變曲線，并據(jù)此獲得推進劑的抗拉強度、斷裂強度、最大伸長率、斷裂伸長率和初始模量5個力學性能參數(shù)，各性能參數(shù)隨拉伸速率變化曲線如圖1所示。

表1 推進劑定速拉伸試驗方案

從圖1可看出，推進劑在定速拉伸試驗中，抗拉強度、斷裂強度、最大伸長率、斷裂伸長率、初始模量5個力學性能參數(shù)隨拉伸速率增大呈增大趨勢，力學性能參數(shù)隨溫度升高而減小。低溫環(huán)境高速拉伸下性能參數(shù)變化不規(guī)律，但總體趨勢不變。對于該空空導彈用新型推進劑，其低溫環(huán)境下的力學性能參數(shù)明顯高于高溫及常溫環(huán)境下的對應參數(shù)。低溫環(huán)境下的推進劑極限力學性能參數(shù)高于文獻[11-13]中試驗結果。說明在空空導彈更為注重的低溫環(huán)境中，該新型HTPB推進劑具有良好的力學性能。

1.3 “脫濕”行為研究

在外力場作用下，隨著推進劑粘合劑基體與固體填料顆粒的相對運動，基體和填料之間的化學鍵或者物理吸附被拉開，此時推進劑拉伸試件表面顏色開始泛白，這個過程稱為“脫濕”[14]。圖2顯示了進行拉伸實驗的推進劑試樣發(fā)生“脫濕”時的微觀結構。推進劑的“脫濕”現(xiàn)象，使得在研究材料極限力學性能時，必須保守取值。

從應力-應變曲線來看，“脫濕”時斜率發(fā)生較大變化，應力隨應變增長效果減弱。如圖3所示應力-應變曲線，將斜率變化最大點作為“脫濕點”。將實驗數(shù)據(jù)整理為等距應變形式，設εk對應的應力值為σk=σ(εk)，其中k=0，1，…，n。則以Δε為步長的一階(向前)差分為

Δσk=σk+1-σk

(1)

二階差分為

Δ2σk=Δσk+1-Δσk

(2)

Δ2σk最大點即為“脫濕點”。其應力為“脫濕點”強度σd，應變?yōu)椤懊摑顸c”伸長率εd。本文研究了“脫濕點”隨不同溫度和拉伸速率變化的規(guī)律，通過宏觀的力學現(xiàn)象，使用定量的方法，更準確地描述“脫濕”這種細觀損傷。

對定速拉伸試驗應力-應變曲線進行處理，得到不同溫度、不同拉伸速率下的“脫濕點”強度及伸長率數(shù)據(jù)，見表2。

拉伸速率/(mm/min)2201005001000-50℃εd/%7．636．466．896．756．35σd/MPa0．98031．08961．44561．96011．939523℃εd/%11．1410．4410．099．969．72σd/MPa0．38550．44650．51360．57860．602470℃εd/%11．7310．569．9810．329．63σd/MPa0．29950．37030．38950．44570．4765

由表2數(shù)據(jù)可得，“脫濕點”強度隨溫度升高呈減小趨勢，隨拉伸速率增大呈增大趨勢。不同溫度下，“脫濕點”伸長率隨拉伸速率變化如圖4所示，使用最小二乘法對“脫濕點”伸長率數(shù)據(jù)曲線進行擬合。由圖4可知，拉伸速率增大時，推進劑發(fā)生“脫濕”時對應的伸長率減小，即“脫濕點”隨著拉伸速率的增大呈前移趨勢，更易發(fā)生“脫濕”行為。同時，溫度越高，推進劑發(fā)生“脫濕”時對應的伸長率增大，“脫濕點”呈后移趨勢。

HTPB推進劑是一種顆粒增強復合材料，其所受外部載荷達到一定值時，材料開始萌生裂紋，外力增大，裂紋數(shù)目增多，并沿外力垂直方向擴展。在此過程中，基體通過基體-顆粒界面把應力傳遞給推進劑中的高錳酸鉀和鋁粉等顆粒，該載荷傳遞機制將阻礙裂紋擴展，或者誘導裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)。外力進一步增大，裂紋將沿阻力較小的方向擴展并互相連接，直至斷裂。當拉伸速率增大時，裂紋擴展速率隨之增大，裂紋沿強度較低的基體-顆粒界面迅速擴展，導致“脫濕”，表現(xiàn)為拉伸速率增大，“脫濕點”呈前移趨勢。端羥基聚丁二烯基體在高溫下具有更好的塑性，當推進劑受到外部拉伸時，裂紋端部由于基體塑性而發(fā)生鈍化，從而延緩了裂紋擴展速度。表現(xiàn)為溫度越高，“脫濕點”呈后移趨勢。

2 應變速率快慢組合拉伸試驗

2.1 試驗方案

試驗樣品為采用新型鍵合劑的三組元HTPB推進劑。本試驗研究低溫環(huán)境下不同轉(zhuǎn)換應變的快慢組合拉伸對推進劑力學性能參數(shù)的影響。設計試驗方案如下：設定溫度-50 ℃，在溫箱中對每個樣品進行保溫后，在試驗機溫箱中進行恒溫定速拉伸，以2 mm/min的低拉伸速率將樣品拉至設定轉(zhuǎn)換應變后，改換1000 mm/min的高拉伸速率繼續(xù)拉伸，至樣品發(fā)生斷裂，共進行5組試驗。

-50 ℃低溫點火是空空導彈固體發(fā)動機一個極其惡劣的工況，極易發(fā)生點火失效。這主要是由于低溫點火前，其藥柱內(nèi)部存在的較大的熱應變及點火增壓過程中的沖擊載荷。此外，點火前初始熱應變對推進劑極限力學性能可能有較大影響。為了研究該影響，本試驗采取“先慢拉后快拉”的方式：點火前藥柱的初始熱應變主要由固化降溫過程(從固化溫度到常溫)和低溫試驗過程(常溫到低溫)的溫度變化引起，在藥柱內(nèi)部主要形成拉應變，這是一個緩慢拉伸的過程；而在點火增壓過程中，造成藥柱結構完整性破壞的主要原因是其環(huán)向的拉應變，這是一個快速拉伸的過程。因此，本試驗先將推進劑試樣慢拉至轉(zhuǎn)換應變(即點火前的初始熱應變)，再將推進劑試樣快拉至破壞狀態(tài)。需要說明的是，慢拉是為了使推進劑達到點火增壓前所處的應變和損傷(與拉伸速率有關)狀態(tài)，而非模擬固化降溫和低溫試驗的過程。試驗拉伸速率變化示意圖如圖5所示，具體方案如表3所示。

2.2 試驗結果與分析

根據(jù)標準[10]，處理快慢組合拉伸試驗數(shù)據(jù)，獲得推進劑的抗拉強度、斷裂強度、最大伸長率、斷裂伸長率4個力學性能參數(shù)，各參數(shù)隨轉(zhuǎn)換應變變化曲線如圖6所示。

表3 應變速率快慢組合拉伸方案

由圖6可知，抗拉強度、斷裂強度、最大伸長率、斷裂伸長率等極限力學性能參數(shù)隨著轉(zhuǎn)換應變的增大呈下降趨勢。分析其原因，由推進劑定速拉伸應力應變曲線可知，該型推進劑在應變10%附近區(qū)域內(nèi)發(fā)生“脫濕”現(xiàn)象，基體與填料之間發(fā)生脫離，使得固體填料顆粒對材料的“補強”作用減弱。轉(zhuǎn)換應變8%～16%位于“脫濕點”附近。轉(zhuǎn)換應變越大，以“脫濕”現(xiàn)象為代表的推進劑細觀損傷越嚴重。導致在之后的高速拉伸下，推進劑更易產(chǎn)生裂紋發(fā)生破壞，表現(xiàn)為斷裂強度等宏觀力學性能參數(shù)降低。

由試驗結果可知，對機載導彈進行設計時，需考慮固化降溫后藥柱的熱應變對推進劑力學性能的影響。發(fā)動機點火前的初始應變值越大，推進劑力學性能越差，越容易發(fā)生結構破壞，對固體發(fā)動機的設計提出更高的要求。故在進行發(fā)動機設計與分析時，需根據(jù)發(fā)動機點火前藥柱初始應變值所對應的推進劑極限力學性能參數(shù)。另外，在推進劑研制過程中，可通過改變組分等手段，令“脫濕點”后移，使得點火前藥柱的初始應變位于應力-應變曲線“脫濕點”前的線性段內(nèi)，這樣更有利于滿足固體發(fā)動機藥柱結構完整性要求。

3 結論

(1)該新型推進劑在定速拉伸試驗中，抗拉強度、斷裂強度、最大伸長率、斷裂伸長率、初始模量等力學性能參數(shù)隨拉伸速率增大而增大，隨溫度升高而減小。在低溫環(huán)境中，該推進劑具有良好的力學性能，能滿足空空導彈特殊的低溫環(huán)境要求。

(2)對推進劑進行定速拉伸時，可通過“脫濕點”對推進劑細觀損傷進行定量描述。拉伸速率增大或溫度降低時，“脫濕點”呈前移趨勢，更易發(fā)生“脫濕”行為，“脫濕點”強度呈增大趨勢。

(3)針對藥柱實際工況，對推進劑進行快慢組合拉伸試驗時，抗拉強度、斷裂強度、最大伸長率、斷裂伸長率等極限力學性能參數(shù)隨著轉(zhuǎn)換應變的增大呈下降趨勢。在發(fā)動機設計過程中，需考慮固化降溫熱應變對推進劑極限力學性能的影響。推進劑研制中，使“脫濕點”后移，更有利于滿足藥柱結構完整性要求。

[1] Anon.Solid propellant grain structural integrity analysis[R].NASA Space Vehicle Design Criteria Monograph,NASA SP-8073,1973.

[2] Abdelaziz M N,Neviere R,Pluvinge G.Experimental investigation of fracture surface energy of a solid propellant under different loading rates[J].Engineering Fracture Mechanics,1988,31(6):1009-1026.

[3] 劉新國,王廣,強洪夫,等.NEPE推進劑老化性能的動態(tài)力學表征[J].含能材料,2008,16(4):462-468.

[4] George Siouris M.Missile guidance and control systems[M].National Defense Industry Press,2004:109-111.

[5] Jacobs H R.An experimental study of the pressure distribution in burning flaws in a solid propellant grains[R].AFR-PL-TR-72-108,1972.

[6] 鄧斌,申志彬,謝燕,等.含損傷粘彈性本構及其在有限元分析中的實現(xiàn)[J].推進技術,2013,34(5):699-705.

[7] Yildirim H C,?züpek S.Structural assessment of a solid propellant rocket motor:Effects of aging and damage[J].Aerospace Science and Technology,2011,15:635-641.

[8] 趙海泉,李彥麗,趙挨柱,等.丁羥推進劑的損傷特性研究[J].含能材料,2007,15(14):336-340.

[9] 田四朋.固體火箭發(fā)動機藥柱三維粘彈性隨機有限元分析及概率貯存壽命預估[D].長沙:國防科技大學,2007:32.

[10] GJB 770B—2005,火藥試驗方法[S].國防科工委軍標出版發(fā)行部,2005.

[11] 張亞,強洪夫,楊月誠.國產(chǎn)HTPB復合固體推進劑Ⅰ-Ⅱ型裂紋擴展斷裂性能實驗研究[J].含能材料,2007,15(4):359-362.

[12] 賴建偉,常新龍,龍兵,等.HTPB推進劑的低溫力學性能[J].火炸藥學報,2012,35(3):80-83.

[13] Wang Zhe-jun,Qiang Hong-fu,Wang Guang.Experimental investigation on high strain rate tensile behaviors of HTPB propellant at low temperatures[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2015,40:814-820.

[14] 彭培根,劉培諒,張仁,等.固體推進劑性能及原理[M].長沙:中國人民解放軍國防科學技術大學,1987:241.