低溫動(dòng)態(tài)加載下老化HTPB推進(jìn)劑單/準(zhǔn)雙軸拉伸力學(xué)性能①

趙文才，韓奎俠，徐衛(wèi)昌，劉 暢

(火箭軍士官學(xué)校，青州 262500)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為火箭、固體導(dǎo)彈等動(dòng)力輸出裝置，其在現(xiàn)代科技發(fā)展中越來越重要。其中固體推進(jìn)劑藥柱既是SRM能量來源，也是關(guān)系其結(jié)構(gòu)完整性的主要部件[1]。美國(guó)Aerojet公司通過對(duì)大量中小固體導(dǎo)彈的發(fā)射情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火瞬間固體推進(jìn)劑藥柱結(jié)構(gòu)完整性的破壞是引發(fā)SRM失效的主要原因[2]。隨著軍事任務(wù)多樣化需求的不斷提高以及高性能戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈研制的持續(xù)推進(jìn)，低溫條件下的安全性已經(jīng)成為大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的工作指標(biāo)，低溫和點(diǎn)火壓力載荷的疊加使得固體推進(jìn)劑藥柱的結(jié)構(gòu)完整性問題變得更加突出。20世紀(jì)80年代前后，美國(guó)在開展低溫(-40 ℃)條件下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，就已經(jīng)有部分SRM發(fā)生爆炸現(xiàn)象[3-4]。此后，國(guó)內(nèi)外在進(jìn)行SRM的研制過程中，也不斷有類似現(xiàn)象發(fā)生[5-7]，嚴(yán)重滯后了武器型號(hào)的定型，且目前所使用戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈均經(jīng)過不同時(shí)間貯存。因此，低溫點(diǎn)火條件下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM老化藥柱的結(jié)構(gòu)完整性是裝備研制中必須解決的關(guān)鍵問題之一。

國(guó)內(nèi)外研究表明，在點(diǎn)火建壓載荷下，固體推進(jìn)劑藥柱的內(nèi)孔表面通常是安全系數(shù)較低的部位[8-9]。Andrea D等[10]指出，點(diǎn)火建壓時(shí)藥柱內(nèi)孔表面的受力狀態(tài)可近似為雙軸受拉狀態(tài)。因此，為有效分析藥柱的結(jié)構(gòu)完整性，必須對(duì)雙軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)下固體推進(jìn)劑的力學(xué)性能和細(xì)觀損傷進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)外研究者主要基于十字形試驗(yàn)件的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)開展相應(yīng)的研究。國(guó)內(nèi)張麗華[11]通過單軸試驗(yàn)機(jī)及自主設(shè)計(jì)試驗(yàn)夾具成功實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑的雙軸拉伸試驗(yàn)，驗(yàn)證固體推進(jìn)劑各向異性特性；強(qiáng)洪夫等[12]將十字形試驗(yàn)件中心區(qū)域減薄進(jìn)行了推進(jìn)劑雙軸拉伸力學(xué)性能研究；隨后賈永剛等[13]通過臂上開槽的十字形試驗(yàn)件開展雙軸試驗(yàn)；國(guó)外研究者Jalocha[14]取消開槽設(shè)計(jì)、擴(kuò)大推進(jìn)劑圓弧區(qū)域半徑實(shí)現(xiàn)了雙軸拉伸試驗(yàn)研究。王志存[15]通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，板條實(shí)驗(yàn)件拉伸可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力比近似為1∶2的雙軸拉伸。

綜上所述，目前開展的研究幾乎都是準(zhǔn)靜態(tài)單軸或雙軸單一加載方式下拉伸試驗(yàn)，針對(duì)動(dòng)態(tài)加載下單軸和雙軸拉伸的力學(xué)性能對(duì)比研究很少有公開報(bào)道。Jeremic[16]明確指出，基于準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)和時(shí)溫等效原理相結(jié)合的方法，已經(jīng)不能完全滿足低溫點(diǎn)火條件下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析的需求。Jeremic等[16-17]的研究表明，低溫條件下1～102s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)固體推進(jìn)劑的力學(xué)性能對(duì)分析真實(shí)低溫點(diǎn)火條件下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM藥柱的結(jié)構(gòu)完整性具有更重要的意義。雖然Wang等[18]通過高應(yīng)變率試驗(yàn)機(jī)開展了未老化推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)單/準(zhǔn)雙軸力學(xué)性能對(duì)比研究，但是針對(duì)老化對(duì)推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)雙軸力學(xué)性能影響研究還沒有開展。因此，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步針對(duì)老化后HTPB推進(jìn)劑開展單/準(zhǔn)雙軸力學(xué)性能試驗(yàn)，并分析不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

以典型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM用固體顆粒(AP/Al)填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)88%的三組元HTPB推進(jìn)劑為研究對(duì)象。單軸拉伸條件下，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GJB 770B—2005《火藥試驗(yàn)方法》中方法413.1[19]，將推進(jìn)劑制成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型實(shí)驗(yàn)件。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，本文研究中采用板條實(shí)驗(yàn)件開展準(zhǔn)雙軸拉伸試驗(yàn)。

將試驗(yàn)件放入防爆油浴烘箱進(jìn)行老化74 d處理。試驗(yàn)前推進(jìn)劑進(jìn)行低溫冷凍24 h。依托新型高應(yīng)變率液壓伺服試驗(yàn)機(jī)(INSTRON VHS 160/100-20)開展動(dòng)態(tài)加載下拉伸試驗(yàn)，單軸、準(zhǔn)雙軸拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)分別與Wang等[18,20]研究保持一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到不同溫度和應(yīng)變率條件下熱老化74 d后HTPB推進(jìn)劑拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中25 ℃和14.29 s-1條件下單軸與準(zhǔn)雙軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

(a)25 ℃,74 d,單軸 (b)25 ℃,74 d,準(zhǔn)雙軸 (c)-30 ℃,74 d,單軸 (d)-30 ℃,74 d,準(zhǔn)雙軸

圖1及之后有關(guān)圖中縱坐標(biāo)均為歸一化處理后數(shù)據(jù)，Cσ為歸一化因子。由圖1可知：

(1)單軸與準(zhǔn)雙軸實(shí)驗(yàn)條件下，拉伸曲線均呈現(xiàn)彈性段、損傷段和破壞段三段特性。隨應(yīng)變?cè)黾樱七M(jìn)劑內(nèi)部開始出現(xiàn)損傷，出現(xiàn)應(yīng)力平臺(tái)區(qū)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性特性。當(dāng)溫度降低和應(yīng)變率升高時(shí)，推進(jìn)劑力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)。

(2)相同加載條件下，準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)最大抗拉強(qiáng)度大于單軸拉伸時(shí)的數(shù)值，而最大延伸率卻低于單軸拉伸時(shí)的數(shù)值。

2.2 細(xì)觀損傷分析

圖2為熱老化74 d下25 ℃和-50 ℃高、低應(yīng)變率條件下HTPB推進(jìn)劑單軸與準(zhǔn)雙軸拉伸加載后的斷面電鏡掃描圖片。從圖2可知，準(zhǔn)雙軸拉伸條件下HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷情況和單軸拉伸時(shí)保持一致。

(1) 在常溫較低應(yīng)變率條件下，推進(jìn)劑內(nèi)部部分AP顆粒裸露出基體，呈現(xiàn)明顯“脫濕”現(xiàn)象，隨應(yīng)變率升高，均開始出現(xiàn)部分AP顆粒斷裂。

(2) 在低溫較低應(yīng)變率條件下，推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷主要是AP顆粒斷裂，而且損傷程度隨應(yīng)變率的持續(xù)升高而增大。Wang等[18]討論了室溫動(dòng)態(tài)加載下單軸拉伸與準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)，未老化HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷差異性。通過比較拉伸斷面SEM可知，相同溫度和應(yīng)變率條件下，準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)推進(jìn)劑的損傷程度較弱。但針對(duì)老化后HTPB推進(jìn)劑在不同應(yīng)力狀態(tài)下細(xì)觀損傷程度的差異性，僅通過觀察SEM圖片還無法進(jìn)行有效分析，需要進(jìn)一步采用更加有效的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行觀察研究。

(a)25 ℃,0.40 s-1,74 d,單軸 (b)25 ℃,0.40 s-1,74 d,準(zhǔn)雙軸 (c)25 ℃,14.29 s-1,74 d,單軸 (d)25 ℃,14.29 s-1,74 d,準(zhǔn)雙軸

(e)-30 ℃,0.4 s-1,74 d,單軸 (f)-30 ℃,0.4 s-1,74 d,準(zhǔn)雙軸 (g) -30 ℃,14.29 s-1,74 d, 單軸 (h)-30 ℃,14.29 s-1,74 d,準(zhǔn)雙軸

2.3 力學(xué)性能參數(shù)分析

不同加載條件下典型力學(xué)性能參數(shù)變化如圖3所示，其中CE和Cσ為歸一化因子。由圖3可知：

(1)不同應(yīng)力狀態(tài)下，初始模量E和最大抗拉強(qiáng)度σm與溫度和應(yīng)變率之間存在明顯的線性對(duì)數(shù)關(guān)系，初始模量E和最大抗拉強(qiáng)度σm在溫度降低和拉伸速率提高時(shí)加強(qiáng)；

(2)相同溫度應(yīng)變率條件下，準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)初始模量E和最大抗拉強(qiáng)度σm均大于單軸拉伸時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)值；

(3)不同應(yīng)力狀態(tài)下，最大延伸率εm總體上隨溫度的降低以及應(yīng)變率的升高而下降，但在室溫單軸拉伸時(shí)，推進(jìn)劑最大延伸率隨應(yīng)變率的升高而逐漸加大。這主要是由于室溫單軸拉伸時(shí)，在一定應(yīng)變率范圍內(nèi)，推進(jìn)劑的“脫濕”損傷隨應(yīng)變率升高而逐漸降低[21]。

2.4 不同應(yīng)力狀態(tài)的影響

相同溫度和應(yīng)變率條件下，準(zhǔn)雙軸拉伸最大抗拉強(qiáng)度與單軸拉伸最大抗拉強(qiáng)度之比(σbm/σm)及最大延伸率之比(εbm/εm)如表1所示。由表1可知，在相同溫度和應(yīng)變率條件下，HTPB推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度之比大于1，而最大延伸率之比小于1。這可能是由于：準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)，固體推進(jìn)劑中的大分子鏈同時(shí)受兩個(gè)方向的約束，不再那么容易沿一個(gè)方向發(fā)生分子鏈之間的滑移變形。因此，需要比單軸拉伸更大的應(yīng)力作用才能發(fā)生破壞。

固體推進(jìn)劑所能承受的最大應(yīng)力應(yīng)變可作為分析藥柱結(jié)構(gòu)完整性的指標(biāo)之一，當(dāng)推進(jìn)劑藥柱應(yīng)力應(yīng)變超過這一指標(biāo)時(shí)，就可認(rèn)為推進(jìn)劑已經(jīng)失去原有力學(xué)性能。真實(shí)固體推進(jìn)劑藥柱受力是多維的，所以開展準(zhǔn)雙軸力學(xué)性能對(duì)于分析藥柱的結(jié)構(gòu)完整性更具有意義。有前文分析可知，可將準(zhǔn)雙軸拉伸下延伸率變化作為低溫點(diǎn)火時(shí)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析的判據(jù)。此外，目前開展雙軸力學(xué)性能試驗(yàn)，尤其是動(dòng)態(tài)加載下的雙軸拉伸試驗(yàn)，存在不小的難度。因此，找出不同應(yīng)力狀態(tài)下固體推進(jìn)劑典型力學(xué)性能參數(shù)之間的比例關(guān)系，更便于研究者基于單軸拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行藥柱結(jié)構(gòu)完整性的評(píng)估。

(a)彈性模量 (b)最大抗拉強(qiáng)度 (c)最大延伸率

溫度/℃σbmt/σmt0.40 s-14.00 s-114.29 s-1εbmt/εm0.40 s-14.00 s-114.29 s-1251.016 41.014 51.115 60.586 40.478 00.412 9-301.008 41.033 91.139 60.475 00.472 10.420 0

3 結(jié)論

(1)單軸與準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)，老化后HTPB推進(jìn)劑的力學(xué)性能受溫度和應(yīng)變率的影響一致，應(yīng)力應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯的粘彈性三段特性。此外，初始模量與最大抗拉強(qiáng)度均隨溫度的降低和應(yīng)變率的升高而逐漸加大，并與應(yīng)變率均呈對(duì)數(shù)線性增長(zhǎng)關(guān)系，而最大延伸率總體上隨溫度降低與應(yīng)變率升高而逐漸減小。

(2)隨溫度降低和應(yīng)變率升高，單軸與準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)老化后HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷模式基本一致，即隨溫度降低、應(yīng)變率升高，均由“脫濕”逐漸變?yōu)锳P顆粒斷裂，且損傷程度進(jìn)一步加大，但不同應(yīng)力狀態(tài)下推進(jìn)劑損傷程度差異性需要進(jìn)一步研究。

(3)相同溫度、應(yīng)變率條件下，準(zhǔn)雙軸拉伸與單軸拉伸的最大抗拉強(qiáng)度比均大于1，而準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)最大延伸率近似為單軸拉伸時(shí)數(shù)值的50%?？蓪?zhǔn)雙軸拉伸下延伸率變化作為低溫點(diǎn)火時(shí)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析的判據(jù)。