固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)貯存中裝藥裂紋故障及原因分析

王建朝 石瑋瑋 李彥麗/ 國(guó)營(yíng)洛陽(yáng)丹城無(wú)線電廠 航天科工集團(tuán)第六研究院四十六研究所

0 引言

國(guó)內(nèi)外資料表明，固體發(fā)動(dòng)機(jī)貯存中的故障模式主要包括界面脫粘、藥柱性能降低和藥柱裂紋。在多個(gè)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的貯存性能和延壽研究中發(fā)現(xiàn)，最常見(jiàn)的故障模式是界面脫粘、藥柱性能降低，有關(guān)貯存中藥柱出現(xiàn)裂紋的故障模式卻未見(jiàn)報(bào)道。有裂紋的發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火發(fā)射時(shí)燃面增大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壓力增加，致使內(nèi)彈道性能改變，若裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，則導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生竄火或爆炸等災(zāi)難性事故，因此發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱裂紋是限制發(fā)動(dòng)機(jī)使用的典型故障模式。

在某型導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)延壽研究工作中，發(fā)現(xiàn)用于延壽的試驗(yàn)樣品中有1 發(fā)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥出現(xiàn)裂紋，而其他樣品結(jié)構(gòu)完好。為查明原因，消除裝備中存在的安全隱患，制定了專(zhuān)項(xiàng)研究計(jì)劃。

1 裂紋故障發(fā)動(dòng)機(jī)的情況

在某型導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)延壽研究工作中，為了檢查延壽發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)是否完好，利用450kV 工業(yè)CT 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱進(jìn)行探傷，該裝置用450kV 小焦點(diǎn)X 射線管作為射線源，采用多陣列線陣、面陣探測(cè)器，能夠完成等效鋼厚度45mm 結(jié)構(gòu)件的CT 成像、DR 成像及X 射線照相法檢測(cè)。

在對(duì)不同貯存時(shí)間的8 發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行探傷檢查的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)1 發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱有裂紋，其他7 發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱無(wú)異常。圖1 給出了裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)的CT 掃描照片。

從DR 成像看不出裂紋的存在（左圖），而由CT（右圖）則可以看出，裝藥的5 個(gè)星孔中的4 個(gè)星孔的星槽都出現(xiàn)了裂紋，4 條發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥裂紋全部出現(xiàn)在星孔的星根部位，而且是曲率最大部位，即應(yīng)力最集中的部位。裂紋中最長(zhǎng)的達(dá)600mm，裂紋最深達(dá) 8mm。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥裂紋分析

圖1 問(wèn)題發(fā)動(dòng)機(jī)CT照片

裝藥裂紋的出現(xiàn)對(duì)延壽工作的進(jìn)行有較大的影響。為查明原因，對(duì)裝藥裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行解剖，對(duì)產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行觀察與測(cè)試；并挖取推進(jìn)劑進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，以對(duì)裂紋的特性和裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

2.1 裝藥裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)的解剖

為分析發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥裂紋的狀況和推測(cè)裂紋產(chǎn)生的原因，對(duì)裝藥裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了解剖。圖2 為解剖后發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥端面和星槽中的裂紋。從解剖后的發(fā)動(dòng)機(jī)可清晰看到藥柱表面的裂紋。表1給出了裂紋的位置和長(zhǎng)度。

研究結(jié)果表明，藥柱裂紋有如下特點(diǎn)：

1）出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱應(yīng)力集中部位。

2）裂紋的深度較淺。

4）裂紋處仍有粘合劑相連。

5）通過(guò)觀察或DR 探傷來(lái)發(fā)現(xiàn)隱性裂紋相對(duì)較為困難。

2.2 裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑性能測(cè)試

為了分析裂紋產(chǎn)生原因，分別解剖了貯存4 年、10 年的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及和貯存11 年同批次未產(chǎn)生裂紋的裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)。利用從裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)中取下的裝藥芯瓣，沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向切藥，加工推進(jìn)劑力學(xué)性能測(cè)試用試樣。測(cè)試結(jié)果顯示推進(jìn)劑的力學(xué)性能在不同部位的差異不大。表2 給出了不同年限發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱推進(jìn)劑性能比較。

從表2 可以看出：

1）貯存4 年的裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑常溫伸長(zhǎng)率大于70%，高溫伸長(zhǎng)率大于50%，低溫力學(xué)性能伸長(zhǎng)率為35%，表明其有較好的初始力學(xué)性 能。

2）貯存10 年的裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的高溫、常溫力學(xué)性能與貯存4 年的裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑性能較為接近，表明其具有較好的貯存性能。

3）貯存11 年的無(wú)裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥干燥前后性能差異較大。

圖2 解剖后發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱端面和星槽中的裂紋

表1 裝藥裂紋的位置和長(zhǎng)度

表2 不同年限發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱推進(jìn)劑性能比較

圖3 裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)中4年和11年推進(jìn)劑拉伸曲線

4）出現(xiàn)裂紋的裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)中的推進(jìn)劑性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)裂紋裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑性能。

圖3 給出貯存4 年和貯存11 年裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑的拉伸曲線。

由圖3 可知，貯存4 年發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑拉伸曲線正常，而11 年發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑存在著明顯的脫濕現(xiàn)象。由此說(shuō)明，發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱在經(jīng)過(guò)了11年的貯存后，不僅存在著化學(xué)老化，還存在著由于濕度影響造成的物理老化，這兩種老化造成了推進(jìn)劑常溫、高溫、低溫力學(xué)性能的大幅度降低，這種性能的下降有可能使發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱出現(xiàn)損傷。表3 給出了貯存4 年發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑在75%RH 濕度環(huán)境中貯存后的試驗(yàn)結(jié)果。從表3 的結(jié)果看出，濕度的存在將大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑的力學(xué)性能。

對(duì)比出現(xiàn)裂紋的同批次發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，尚未出現(xiàn)裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑的性能下降（見(jiàn)表2），與初始推進(jìn)劑相比，其強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都明顯下降，而對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行干燥處理后，其強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率又都明顯回升，這是受濕氣影響丁羥推進(jìn)劑的特征。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果表明，研究的該批次發(fā)動(dòng)機(jī)中的推進(jìn)劑曾經(jīng)受到濕氣影響。本次發(fā)現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)裂紋的產(chǎn)生和濕氣的影響有關(guān)。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)裂紋情況普查

為消除發(fā)動(dòng)機(jī)貯存中的安全隱患并分析裂紋產(chǎn)生的原因，對(duì)多個(gè)批次的數(shù)百發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行普查，包括外觀檢測(cè)、DR 探傷和CT 探傷。普查結(jié)果表明，DR 探傷無(wú)異常而CT 探傷發(fā)現(xiàn)的除與裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)同批次發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱有問(wèn)題外，其他批次發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱無(wú)異常，結(jié)構(gòu)完好。

在對(duì)20 發(fā)同批次的裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行普查時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)完好率僅為30%。裂紋深度在3 ～13mm 之間，裂紋產(chǎn)生的位置與故障發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱裂紋位置相似，由此看來(lái)，該故障發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱裂紋的產(chǎn)生不是一個(gè)偶然事 件。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性分析

用ANSYS 有限元分析程序計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)在溫度載荷、內(nèi)壓載荷、加速度載荷作用下的藥柱結(jié)構(gòu)完整性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，藥柱的最大等效應(yīng)變?yōu)?4.8%，表4 給出了貯存11 年裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱不同部分的性能，很明顯地看出藥柱的最大等效應(yīng)變已經(jīng)大于發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的伸長(zhǎng)率，這也就是藥柱推進(jìn)劑出現(xiàn)裂紋的主要原因之一。

2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)低溫貯存、環(huán)境試驗(yàn)和試車(chē)

為考核發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性，將貯存了10 年的發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫（-55℃）下貯存3 天，然后進(jìn)行探傷。探傷結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完好。低溫貯存后的發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)也取得了成功。

對(duì)其中1 發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)加速老化后，進(jìn)行沖擊、振動(dòng)、溫度沖擊后試車(chē)也都獲得了成功。

2.6 發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱裂紋原因分析

通過(guò)對(duì)裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)的解剖、藥柱性能測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)裂紋情況普查、結(jié)構(gòu)完整性分析和低溫貯存、試車(chē)等，表明：

表3 濕度對(duì)貯存4年的推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響

表4 貯存11年裂紋發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱性能

1）不同年份生產(chǎn)的數(shù)百發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)探傷的結(jié)果中，裂紋只發(fā)生在貯存11年產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上。

2）貯存4 年、貯存10 年和貯存11年的發(fā)動(dòng)機(jī)挖藥性能測(cè)試中，貯存11年的發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的力學(xué)性能很差。

3）貯存10 年的1 發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)3天的低溫貯存后試車(chē)，以及加速老化后發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)沖擊、振動(dòng)、溫度沖擊后試車(chē)，都獲得了成功。

由此認(rèn)為，貯存11 年裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)裂紋是批次問(wèn)題造成的。

3 結(jié)論

1）裂紋在發(fā)動(dòng)機(jī)探傷中DR 數(shù)字成像不易被檢測(cè)出，計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)可以檢測(cè)出裝藥的裂紋。

2）貯存11 年裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑性能下降非常大，說(shuō)明裂紋與推進(jìn)劑貯存中性能的變化有關(guān)；根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，這種降低規(guī)律很可能與濕氣的影響、產(chǎn)品的質(zhì)量、貯存時(shí)間等有關(guān)。

3）貯存11 年發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥裂紋是該批次發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥性能下降引起的，屬于批次性質(zhì)量問(wèn)題。

4）長(zhǎng)壽命產(chǎn)品不僅是設(shè)計(jì)出來(lái)的，還要靠生產(chǎn)制造過(guò)程的保證，只有嚴(yán)把生產(chǎn)制造過(guò)程中的質(zhì)量關(guān)，才能減少批次間的差異，避免由于批次差異造成發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的幾率。