沖擊載荷下HTPB推進(jìn)劑的熱耗散*

童 心,李 龍,馬賽爾,許進(jìn)升,鄭 亞

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094；3.中國船舶重工集團(tuán)公司上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、可靠性高、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地運(yùn)用于運(yùn)載火箭和戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的推進(jìn)裝置。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)輸、維護(hù)檢測和使用過程中可能遇到跌落、異物撞擊、運(yùn)輸工具翻覆、多級(jí)火箭發(fā)射異常等意外，一定情況下會(huì)引發(fā)推進(jìn)劑點(diǎn)燃，導(dǎo)致固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒爆炸。近年來，出于對火箭武器更大射程的需求，經(jīng)常利用火炮發(fā)射以得到理想的增程效果。普通火箭的加速度過載只有幾十到兩百g，而使用火炮發(fā)射時(shí)火箭的加速度過載則有幾千到上萬g。推進(jìn)劑藥柱在劇烈的沖擊載荷下會(huì)產(chǎn)生非彈性變形，機(jī)械能將大部分轉(zhuǎn)化為熱能；由于推進(jìn)劑較低的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)[1-2]，耗散熱能在藥柱內(nèi)聚集，使得藥柱內(nèi)部溫度驟升，而推進(jìn)劑是溫度敏感的含能材料，溫度的急劇升高會(huì)極大地削弱其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[3]，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)彈道性能。這種溫升效應(yīng)在沖擊載荷或循環(huán)載荷下[4]尤為明顯，在這些情形下推進(jìn)劑變形速率較快，產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)大于散熱速率，導(dǎo)致生成熱無法耗散到外部環(huán)境中，因此推進(jìn)劑的變形可視為絕熱過程。目前，研究溫度對推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響主要分析的是環(huán)境溫度變化對材料的影響，而忽視了變形過程中材料內(nèi)部的溫度演化。此外，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中受溫度、振動(dòng)等環(huán)境因素的影響，推進(jìn)劑內(nèi)部易形成微小的裂紋或微孔洞等初始損傷，這些損傷在點(diǎn)火壓強(qiáng)或發(fā)射過載等沖擊載荷下會(huì)急劇向內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)的破壞，而變形引起的熱耗散會(huì)加速損傷演化，因此需了解固體推進(jìn)劑在沖擊載荷下的熱耗散特性。

分離式霍普金森桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)廣泛用于測試材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能[5]。對于顆粒填充聚合物的復(fù)合材料，盧芳云等[6]測試了PBX炸藥、B炸藥和復(fù)合固體推進(jìn)劑在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，但這類研究沒有關(guān)注材料受沖擊后形變生成熱的影響，一方面無法解釋材料形變生成熱出現(xiàn)的現(xiàn)象，另一方面也不能準(zhǔn)確描述材料在沖擊載荷下力學(xué)性能與溫度的相關(guān)性。為了獲取材料在沖擊載荷下的熱耗散特性，需要發(fā)展與SHPB裝置配套的瞬態(tài)測溫技術(shù)。目前，常用的有熱電偶[7]和紅外輻射測溫技術(shù)[8-9]。熱電偶使用時(shí)需要嵌在被測材料內(nèi)部，會(huì)影響材料變形的力學(xué)特性；熱電偶響應(yīng)時(shí)間較長，無法及時(shí)獲得材料的溫度變化信息。而紅外輻射測溫技術(shù)為非接觸測量方法，可在不干涉材料變形的情形下獲取材料表面的溫度場，具有響應(yīng)時(shí)間快、精度高等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到固體推進(jìn)劑屬于顆粒填充聚合物，若采用熱電偶其力學(xué)性能易受影響，所以宜選擇紅外測溫方法。紅外測溫方法又包括紅外熱像儀和紅外探測器。Pan等[10-11]利用高速紅外熱像儀觀察了環(huán)氧樹脂在SHPB實(shí)驗(yàn)中的溫升現(xiàn)象；李濤等[12]通過炸藥單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用高速攝影和高速紅外熱像儀，對兩種典型PBX炸藥變形損傷過程和溫升效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測。由于紅外熱像儀的響應(yīng)時(shí)間較慢，所以它的使用范圍多用于低、中應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)，對于SHPB等實(shí)驗(yàn)歷程極短的高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)，仍需要直接利用光敏傳感器設(shè)計(jì)一套響應(yīng)更快的紅外輻射測溫系統(tǒng)[13-15]以彌補(bǔ)紅外熱像儀測溫的不足。

本文中，為了研究復(fù)合固體推進(jìn)劑在沖擊載荷下的熱耗散特性，通過SHPB與自制紅外測溫平臺(tái)的結(jié)合，獲取推進(jìn)劑表面溫度隨變形的演化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，建立HTPB的黏-超彈本構(gòu)模型，并考慮變形引起的溫度變化，在模型中計(jì)及溫升對材料力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果可對推進(jìn)劑等顆粒填充聚合物在沖擊載荷下的熱力耦合分析提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試件

固體推進(jìn)劑為三組元HTPB(端羥基聚丁二烯，hydroxyl-terminated polybutadiene)推進(jìn)劑，各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：鋁粉(Al)為17%，高氯酸銨(AP)為70%，黏合劑HTPB橡膠及其他組分為13%。材料的熱物理參數(shù)分別為：密度ρ=1 770 kg/m3,比熱容c=1 500 J/(kg·K)。實(shí)驗(yàn)前，將HTPB推進(jìn)劑方坯加工為圓柱體試件，其公稱尺寸為?8 mm×2 mm。試件加工完畢后，再放入保溫箱，在70 ℃環(huán)境下保溫12 h，以去除加工殘余應(yīng)力和防止推進(jìn)劑受潮而改變其理化性質(zhì)。

1.2 沖擊實(shí)驗(yàn)

SHPB實(shí)驗(yàn)裝置的主體為3根壓桿，包括14 mm直徑的子彈、入射桿和透射桿，子彈長300 mm，入射桿和透射桿長度均為1 400 mm。SHPB實(shí)驗(yàn)的原理為：子彈經(jīng)空氣炮加速后撞擊入射桿的自由端，產(chǎn)生一定寬度的入射壓縮波；入射波經(jīng)入射桿傳播到入射桿與試件的接觸界面時(shí)，由于壓桿和試件之間的波阻抗不匹配，部分入射波反射回入射桿，成為拉伸波，另一部分入射波經(jīng)試件進(jìn)入透射桿中繼續(xù)傳播。入射桿和透射桿上所貼的應(yīng)變片記錄了實(shí)驗(yàn)中兩桿中的應(yīng)變歷史。通過SHPB的兩個(gè)重要假定，即壓桿一維應(yīng)力波傳播假設(shè)和試件應(yīng)力應(yīng)變均勻假設(shè)，可得到下列關(guān)系[16]：

(1)

由于HTPB推進(jìn)劑的密度和彈性模量都很小，其波阻抗ρE較低，透射信號(hào)微弱。為了獲得較強(qiáng)的透射信號(hào)，需要縮小壓桿與試件之間的阻抗差異，實(shí)驗(yàn)中選用密度小的LC4超高強(qiáng)度鋁合金作為壓桿材料。同時(shí)，透射應(yīng)變的測量使用了靈敏系數(shù)更大的半導(dǎo)體應(yīng)變片(靈敏系數(shù)為110，與入射桿上的電阻應(yīng)變片相比靈敏系數(shù)提高了約50倍)。正式實(shí)驗(yàn)前，在壓桿和試件接觸界面處均勻涂上二硫化鉬潤滑脂，以減小桿與試件之間的端面摩擦效應(yīng)[17]。為了改善入射波形、達(dá)到試件恒應(yīng)變率變形的目的，在子彈和入射桿之間粘貼整形片；選擇了不同材料作為脈沖整形片，然后進(jìn)行了SHPB實(shí)驗(yàn)，比較了入射波和反射波的波形，最終選定紙片作為脈沖整形片，其有效性在實(shí)驗(yàn)中得到了檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)境溫度為25 ℃。

1.3 紅外輻射測溫系統(tǒng)

紅外輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射。任何物體的分子和原子，都一直進(jìn)行無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，不停地輻射出熱紅外能量；溫度在絕對零度以上的物體，都會(huì)因自身的分子(或原子)運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線[18]。通過對物體自身輻射紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度。目前，發(fā)展成熟的紅外傳感器有單點(diǎn)傳感器和陣列式傳感器[19]。

實(shí)驗(yàn)中，采用美國Judson公司的單點(diǎn)傳感器，搭建了與SHPB配套使用的瞬態(tài)測溫模塊，如圖1所示。瞬態(tài)測溫模塊包括碲鎘汞紅外探測器(J15D14-M204-S01M-60，傳感器尺寸為1 mm1 mm，響應(yīng)時(shí)間為0.5 μs，波長范圍為2～13 μm)、拋物面型凹面鏡(通徑為50.8 mm，焦距為200 mm)及前置放大器(Judson，PA-300)等組成。輻射測溫中，理想的成像系統(tǒng)能將試件上指定區(qū)域的輻射能量100%地匯聚到光敏傳感器上。而實(shí)際上，只有部分輻射能量能匯聚到光敏傳感器上，即失真不可避免，因此需要借助光路來提高匯聚效果。實(shí)驗(yàn)中的光路屬于反射式光路，由鍍金凹面鏡組成，鍍金是為了增加凹面鏡的反射率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，試件所輻射的紅外光聚焦到紅外探測器的光敏感元件上，紅外探測器將熱功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大器后導(dǎo)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行后續(xù)處理。降低環(huán)境溫度可以減小熱噪聲，提高光敏傳感器的靈敏度，因此需在實(shí)驗(yàn)時(shí)對傳感器進(jìn)行冷卻處理，實(shí)驗(yàn)前利用液氮將傳感器冷卻至77 K。

劉永貴等[9]指出，紅外測溫的重點(diǎn)在于確定實(shí)測溫度與輸出電壓之間的實(shí)時(shí)對應(yīng)關(guān)系。理論上，可通過計(jì)算得到兩者之間的關(guān)系，但計(jì)算較繁瑣，因此實(shí)際中多采用原位標(biāo)定方法。由于紅外探測器的測量窗口視角有一定的范圍，它能測試到的物體熱輻射的紅外輻射能大小與窗口到試件位置的空間距離有關(guān)，因此需要固定紅外探測器與試件的相對位置進(jìn)行標(biāo)定。正式實(shí)驗(yàn)前，將瞬態(tài)測溫系統(tǒng)與SHPB裝置按圖1布置，將經(jīng)過保溫處理的試件放置在入射桿和透射桿之間，使用紅外熱像儀(FLIR-A615，采集頻率為25 Hz)實(shí)時(shí)測量試件一側(cè)表面的溫度，并記錄此時(shí)紅外測溫系統(tǒng)輸出的電壓值：待試件慢慢冷卻，其表面溫度逐漸降低，可得到多個(gè)電壓-溫度關(guān)系數(shù)據(jù)，標(biāo)定的溫度范圍為25～65 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)定結(jié)果

圖2是3次標(biāo)定的結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，探測器輸出的電壓與溫度是近似線性關(guān)系。對3次結(jié)果取平均值，并擬合得到電壓與溫度的關(guān)系式：

Uo=1.91T-47.96

(2)

式中：Uo是輸出電壓，單位為mV；T為溫度，單位為℃。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

HTPB推進(jìn)劑屬于軟材料，在SHPB實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力波傳遞到透射桿的部分十分微弱[20]。如無法采集到可靠的透射信號(hào)，SHPB實(shí)驗(yàn)的假設(shè)將不再成立。從圖3可發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中通過半導(dǎo)體應(yīng)變片獲得了較大的透射信號(hào)。經(jīng)過應(yīng)力平衡檢驗(yàn)后(見圖4)，實(shí)測的透射應(yīng)變信號(hào)與根據(jù)“兩波法”得到的計(jì)算透射應(yīng)變信號(hào)基本重合，表明了實(shí)驗(yàn)的可靠性。

圖5給出了HTPB不同應(yīng)變率下的真實(shí)應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線。HTPB推進(jìn)劑的應(yīng)力應(yīng)變曲線中出現(xiàn)了損傷斷裂的大應(yīng)變區(qū)域，已經(jīng)不再滿足單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的基本條件，不能被看作是材料的本質(zhì)屬性，因此應(yīng)力應(yīng)變曲線僅選取了下降前的部分。HTPB推進(jìn)劑具有明顯的黏彈特性(率相關(guān))，又具有較大的變形，可用黏-超彈模型描述HTPB推進(jìn)劑高應(yīng)變率力學(xué)行為。參考Jiang等[21]結(jié)合Mooney-Rivlin超彈模型和ZWT模型建立的EPDM(ethylene-propylene-diene monomer)絕熱層黏-超彈模型，HTPB推進(jìn)劑的黏-超彈本構(gòu)關(guān)系可視為超彈項(xiàng)與黏彈項(xiàng)的組合，具體形式為：

(3)

可以觀察到，應(yīng)變率3 780 s-1下的曲線與實(shí)驗(yàn)曲線相比有著較大的誤差，其原因主要是未考慮沖擊載荷下推進(jìn)劑的溫度升高帶來的軟化作用[22]。在沖擊載荷下，在HTPB推進(jìn)劑的初始缺陷(如微裂紋、微孔洞)處應(yīng)變集中，推進(jìn)劑在沖擊載荷下發(fā)生劇烈的顆粒破碎與基體撕裂，由于黏性和局部塑性等原因使變形功轉(zhuǎn)化為熱能。一般復(fù)合固體推進(jìn)劑的導(dǎo)熱率很低，在高應(yīng)變速率下加載時(shí)間很短，材料向周圍的熱量傳遞很少，致使局部區(qū)域引起非均勻生熱。在計(jì)及環(huán)境溫度的基礎(chǔ)上，還需考慮推進(jìn)劑受載后的熱效應(yīng)，這樣才能準(zhǔn)確地描述推進(jìn)劑的高應(yīng)變率力學(xué)行為。

2.3 功熱轉(zhuǎn)化對力學(xué)性能的影響

(4)

(5)

式中：T0為初溫，ΔT是試件變形時(shí)的溫度升高，m是待求參數(shù)。因?yàn)棣是ε的函數(shù)，可首先擬合得到ΔT與工程應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系：ΔT/T0=0.404 34ε1.714 3，然后代入式(5)，可得：

θ(T)=1-0.404 34ε1.714 3m

(6)

3 結(jié) 論

(1)紅外輻射測溫裝置和SHPB的結(jié)合，可有效地獲取HTPB推進(jìn)劑在沖擊載荷下的熱力學(xué)特性。結(jié)果顯示：HTPB推進(jìn)劑在沖擊載荷下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出黏-超彈性質(zhì)，同時(shí)推進(jìn)劑表面溫度有顯著的變化。

(2)在沖擊載荷下，構(gòu)建HTPB推進(jìn)劑的黏-超彈本構(gòu)模型中需要考慮變形引起的溫度升高對力學(xué)性能的影響，可通過引入熱軟化函數(shù)對原有模型進(jìn)行修正。本文中發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變率3 780 s-1以上，對HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能的分析需要考慮形變引起的熱耗散。

感謝南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院楊瀟博士在紅外測溫系統(tǒng)方面的幫助。