固體火箭發(fā)動機全壽命環(huán)境載荷分析

李高春，黃衛(wèi)東，董可海，高山，王玉峰

（1. 海軍航空大學(xué) 岸防兵學(xué)院，山東 煙臺 264001；2. 航天工程大學(xué)，北京 101416）

固體火箭發(fā)動機自生產(chǎn)之日起將會經(jīng)歷貯存、運輸和使用環(huán)境載荷的考驗，各個過程中存在自然環(huán)境因素（溫度、濕度等）、誘導(dǎo)環(huán)境因素（振動、沖擊等）和復(fù)合環(huán)境因素[1-2]。上述環(huán)境載荷因素使固體火箭發(fā)動機裝藥出現(xiàn)老化、裂紋和脫粘，從而顯著地影響固體火箭發(fā)動機的內(nèi)彈道性能和結(jié)構(gòu)完整性。收集和分析固體火箭發(fā)動機服役環(huán)境載荷條件，準(zhǔn)確地分析全壽命環(huán)境載荷情況，為發(fā)動機設(shè)計和評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為發(fā)動機壽命精確預(yù)估和減少發(fā)動機全壽命費用提供基礎(chǔ)。

在使用環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)測參數(shù)處理方面，Richard開發(fā)了使用環(huán)境參數(shù)記錄儀數(shù)據(jù)處理軟件MLAD，利用該軟件對英國89個導(dǎo)彈使用環(huán)境溫度記錄儀溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取和分析。美軍國防彈藥中心（DMC）等機構(gòu)對美軍彈藥在科威特貯存環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測，研究了彈藥貯存環(huán)境的溫度和濕度變化，并對其相應(yīng)的載荷情況進(jìn)行了分析。國內(nèi)海軍航空工程學(xué)院等單位在固體發(fā)動機使用環(huán)境監(jiān)測方面開展了相關(guān)研究，研制了固體發(fā)動機使用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。結(jié)合訓(xùn)練任務(wù)，進(jìn)行了使用環(huán)境實測，獲得了大量的使用環(huán)境溫濕度和振動加速度等數(shù)據(jù)[3-4]。

分析固體火箭發(fā)動機全壽命周期內(nèi)所經(jīng)受的環(huán)境載荷作用，編制恰當(dāng)?shù)沫h(huán)境載荷譜是進(jìn)行固體火箭發(fā)動機設(shè)計和壽命試驗的首要工作，它對試驗工作效果有重大影響。由于我國地域廣闊，裝備使用平臺多樣性，活動區(qū)域隨機性以及環(huán)境載荷譜編制的復(fù)雜性，掌握固體火箭發(fā)動機環(huán)境載荷特點及全壽命載荷編制方法仍是需要解決的基礎(chǔ)性問題之一。

1 全壽命環(huán)境載荷需求

對于固體火箭發(fā)動機來講，在全壽命周期內(nèi)的各個使用環(huán)節(jié)，發(fā)動機經(jīng)歷的自然環(huán)境和誘導(dǎo)環(huán)境均不相同，如圖1所示。為了建立較為完整的固體火箭發(fā)動機全壽命周期環(huán)境載荷譜，需要對各個階段分別進(jìn)行研究。另外，固體火箭發(fā)動機對不同環(huán)境因素的敏感程度不同，因而環(huán)境因素的選取也不盡相同。需要根據(jù)固體火箭發(fā)動機使用環(huán)節(jié)，分析其所受的環(huán)境載荷，以及各種環(huán)境載荷對固體火箭發(fā)動機性能的影響，確定其主要的環(huán)境載荷因素。

圖1 全壽命周期內(nèi)主要環(huán)境應(yīng)力

2 典型使用環(huán)節(jié)的環(huán)境載荷

2.1 貯存環(huán)境

貯存環(huán)境是指發(fā)動機在貯存期間所受的環(huán)境-時間歷程，包括貯存的環(huán)境因素和各種因素的強度和作用時間等。貯存過程中主要環(huán)境因素有溫度、濕度、腐蝕等，其中以溫度、濕度的影響最大。可以認(rèn)為，溫度和濕度是貯存環(huán)境中的主要環(huán)境因素。對于貯存環(huán)境中環(huán)境因素作用時間，可以根據(jù)發(fā)動機的履歷數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。貯存分為有供暖調(diào)節(jié)和沒有溫度調(diào)節(jié)的庫房。從先前收集的數(shù)據(jù)來看，發(fā)動機貯存在有溫度和濕度調(diào)節(jié)的洞庫內(nèi)，濕度和溫度條件較好，貯存溫度為16~21 ℃，相對濕度小于70%。

通過實測獲得沒有溫度調(diào)節(jié)的某沿海城市發(fā)動機貯存庫房的測試數(shù)據(jù)如圖2所示。對實測溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，年平均溫度為 15 ℃，年溫度變化范圍為-2.5~32.5 ℃，日溫度平均變化幅值范圍為0.2~2.3 ℃，如圖3和圖4所示。溫度具有季節(jié)和日變化，并且由于受局部氣候影響，具有一定的隨機性，這樣對發(fā)動機的影響具有隨機性。由于世界各地溫度、濕度和太陽輻射各不相同，要完全掌握不同地點的溫度、濕度等情況不太現(xiàn)實，通常的做法是將全球化分為若干典型的區(qū)域，再考慮年平均溫度和極限環(huán)境情況。

2.2 運輸載荷

圖2 實測溫度

圖3 日溫差概率分布

圖4 日平均溫度概率分布

固體火箭發(fā)動機在運輸過程中所受到的機械應(yīng)力主要來自運輸工具，由于路面不平以及交通工具本身啟動、制動、轉(zhuǎn)向等原因，產(chǎn)生振動、沖擊，使發(fā)動機及其內(nèi)部零件、裝藥等受到直線慣性力。溫度、濕度對發(fā)動機也有一定的影響，但與貯存過程相比，運輸所用的時間相對短得多，因而溫、濕度不構(gòu)成運輸過程中的主要環(huán)境[5]。

選取解放牌卡車作為研究對象，將加速度傳感器固定于卡車貨斗中部，對 A級路面條件下的車載振動載荷進(jìn)行了實際測量。圖5給出了卡車從靜止加速至 10 m/s后減速至靜止的整個過程中，沿車輛行駛方向（x向）和垂直方向（y向）的加速度載荷變化及其頻域分布。

在卡車行駛方向（x方向）的加速度載荷時域圖中，可以觀察到車輛起動、減速和停止的加速度載荷峰在0.5~1 m/s2之間。在車輛行駛過程中，由于車輛顛簸導(dǎo)致的加速度載荷在0.1~0.2 m/s2之間。由頻域圖可知，振動主要集中在0.1~6 Hz的區(qū)間內(nèi)，且幅值隨著頻率的增加逐漸降低，這是由于x方向的加速度同時受到車速變化和路況的控制，沒有明顯的振動特征頻率。

在垂直方向（y方向）加速度載荷時域圖中，可以發(fā)現(xiàn)該方向的加速度載荷幅值受車速的影響明顯。在車速從0加速至10 m/s的過程中，加速度載荷的幅值從0.1 m/s2逐漸增加至1 m/s2左右，而且振動頻率具有明顯的特征，主要集中在0.5~4 Hz之間。這是卡車垂直方向的固有振動頻率，由車體質(zhì)量和懸掛系統(tǒng)決定。另外在10~15 Hz之間有幅值較小的振動存在，這是由發(fā)動機振動導(dǎo)致的車體振動。

運輸時的振動加速度值與運輸車行駛速度、路面的好壞相關(guān)，車速越高，振動越大。運輸時，在橫向、縱向和垂直方向上存在不同的振動加速度值。對發(fā)動機各點振動測量數(shù)據(jù)作功率譜分析可知，所有水平 x，z向的響應(yīng)都比垂直y向小1～2個數(shù)量級。

2.3 值班環(huán)境載荷

在值班中，發(fā)動機受到的自然環(huán)境有溫度、濕度、太陽輻射。另外，發(fā)動機受艦船搖擺運動的影響。艦船在海洋運動中，包括 6個自由度的運動：進(jìn)退、升降、橫漂、偏轉(zhuǎn)、縱搖和橫搖[6]。其中進(jìn)退、偏轉(zhuǎn)和橫漂可以通過艦船的操縱系統(tǒng)進(jìn)行控制；而升沉、縱搖和橫搖運動很大程度上決定于海況和艦船結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]。

圖5 實測車載加速度載荷時域頻域結(jié)果

利用監(jiān)測設(shè)備對四聯(lián)裝貯運發(fā)射箱環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。由于貯存發(fā)射箱為四聯(lián)裝，在每一個貯運箱內(nèi)安裝一個溫度傳感器，其中 A、B箱位于上層，C、D箱位于下層。圖6反映了上、下層貯運箱內(nèi)日最高溫度、日最低溫度、日平均溫度、日溫度差的情況。由圖6a可見，上層貯運箱總體溫度在-7~40.1 ℃之間。日溫度差大部分在5~10 ℃之間，在50天左右波動較大。上層總體溫度在-4.8~40.3 ℃之間，下層貯運箱總體溫度在-5.1~36.8 ℃之間，日溫度差大部分在1~10 ℃之間。處于上層的貯運箱日溫度差明顯大于下層的貯運箱。

上、下層貯運箱監(jiān)測溫度的頻數(shù)分布如圖 7所示?？梢钥闯?，該箱溫度統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，5、15、30 ℃附近的頻數(shù)最高。

圖6 實測溫度與溫差變化

圖7 實測溫度分布情況

為了分析艦船的振動情況，對在北海航行的某大型艦船振動環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測試驗。測試當(dāng)日海上氣候條件較好，風(fēng)浪較小，測試過程中該船以15節(jié)速度勻速航行。振動加速度測試點選在船體上層第二層甲板中央處，采樣頻率預(yù)先設(shè)為30 Hz。經(jīng)消除趨勢項和平滑處理后，加速度時域、頻域如圖8所示。

由時域可知，平滑后x、y方向的加速度幅值小于0.05 g，z方向的加速度幅值小于0.1 g。由頻域圖可知，在風(fēng)浪作用下，艦船 x方向加速度載荷頻率分布在0.2~1 Hz之間，y方向加速度載荷頻率分布在0.1~0.8 Hz之間，z方向加速度載荷頻率分布在0.1~1 Hz之間。

2.4 發(fā)射過程載荷

發(fā)射時間較短，其自然環(huán)境影響可以忽略，主要考慮發(fā)射過程的載荷情況。發(fā)射時受到以下載荷：一是加速度載荷，在推力作用下，很短的時間內(nèi)增加到很大的速度，所以發(fā)動機各部件要承受一定的軸向加速度載荷；二是發(fā)動機工作時的內(nèi)壓載荷，在燃?xì)鈨?nèi)壓力作用下，裝藥內(nèi)表面會產(chǎn)生較大的應(yīng)力和應(yīng)變。

通過分析導(dǎo)彈發(fā)射過程，建立導(dǎo)彈發(fā)射過程動力學(xué)和發(fā)動機內(nèi)彈道計算方程，計算固體火箭發(fā)動機在發(fā)射過程中所受的加速度和內(nèi)壓載荷。

2.5 全壽命周期環(huán)境載荷

發(fā)動機實際使用過程中是貯存、運輸、值班、貯存的反復(fù)交替過程，如圖9所示。該過程所對應(yīng)的環(huán)境載荷就是全壽命環(huán)境載荷，它能更真實地反映發(fā)動機各種使用環(huán)境的實際情況。對于整個壽命周期內(nèi)，其環(huán)境載荷-時間歷程太復(fù)雜，只能抓住最本質(zhì)的因素對它進(jìn)行簡化后，作近似的描述。全壽命環(huán)境載荷編制過程如下：根據(jù)發(fā)動機服役情況，建立發(fā)動機的典型服役歷程及各歷程時間，如圖10所示。依據(jù)發(fā)動機典型服役歷程以及典型服役歷程的環(huán)境載荷特點，給出發(fā)動機在全壽命周期內(nèi)的環(huán)境載荷。

圖8 平滑處理后的加速度時域、頻域

圖9 全壽命剖面

圖10 典型導(dǎo)彈服役歷程

3 結(jié)語

文中分析了固體火箭發(fā)動機全壽命周期內(nèi)的環(huán)境載荷情況，給出了典型環(huán)境載荷特征和變化規(guī)律。根據(jù)固體火箭發(fā)動機的服役情況，對其履歷進(jìn)行了統(tǒng)計分析，建立其典型任務(wù)剖面，根據(jù)各任務(wù)剖面的環(huán)境載荷情況，給出了固體火箭發(fā)動機在全壽命周期內(nèi)的環(huán)境載荷。該固體火箭發(fā)動機全壽命環(huán)境載荷分析方法，有利于掌握固體火箭發(fā)動機全壽命載荷情況，具有較好的可操作性，從而為固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性評價、壽命試驗和評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。