空間推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品貯存壽命評(píng)估之加速老化試驗(yàn)方法

周 鑫，丁孝均，胡 煥，馬思宇，王得成

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院； 2. 航天材料及工藝研究所：北京 100076；3. 上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112）

0 引言

加速老化試驗(yàn)方法是在合理的工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)超出正常應(yīng)力的加速環(huán)境獲得的產(chǎn)品可靠性信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到產(chǎn)品在額定應(yīng)力水平下的可復(fù)現(xiàn)的壽命估計(jì)的一種有效方法[1-2]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，該方法已成熟應(yīng)用于航天型號(hào)研制工作中，能夠分析判斷產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，提供貯存壽命信息，為可靠性、安全性、維修性評(píng)估提供依據(jù)[3]。

作為運(yùn)載火箭的關(guān)鍵子系統(tǒng)，空間推進(jìn)系統(tǒng)的地面貯存壽命直接決定著全箭的貯存性能?？臻g推進(jìn)系統(tǒng)使用雙組元推進(jìn)劑，由氣瓶、閥門、貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)等組成[4]，涉及的零部件包括金屬結(jié)構(gòu)件、彈性敏感元件和非金屬件等。在工程實(shí)際中，影響空間推進(jìn)系統(tǒng)貯存壽命的因素很多，也很復(fù)雜，既有貯存、運(yùn)輸環(huán)境條件等外在因素，也有設(shè)計(jì)裕度、原材料質(zhì)量、非金屬件老化等內(nèi)在因素。基于現(xiàn)有研究和認(rèn)識(shí)，認(rèn)為材料的老化是影響空間推進(jìn)系統(tǒng)整機(jī)貯存壽命的決定性因素之一。因此以材料級(jí)加速老化試驗(yàn)結(jié)論為基礎(chǔ)，整機(jī)加速貯存試驗(yàn)作驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品貯存壽命的評(píng)估。

本文基于加速老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程，針對(duì)空間推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行貯存性能分析，確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，依據(jù)材料級(jí)加速老化試驗(yàn)結(jié)果確定產(chǎn)品的試驗(yàn)條件，通過(guò)開展組件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)加速貯存試驗(yàn)評(píng)估全系統(tǒng)的貯存壽命。

1 薄弱環(huán)節(jié)分析

依據(jù)已有的貯存和使用信息，對(duì)空間推進(jìn)系統(tǒng)各種零部件的貯存性能分析如下：

1）金屬結(jié)構(gòu)件是實(shí)現(xiàn)承壓、連接、氣（液）流通道等功能的靜態(tài)零件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)即要求所選金屬材料與推進(jìn)劑相容，不會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，且金屬材料受環(huán)境溫濕度影響較小，故從工程實(shí)際來(lái)看，金屬結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)期貯存性能穩(wěn)定。

2）彈性敏感元件是實(shí)現(xiàn)閥門動(dòng)作的動(dòng)態(tài)零件，影響其長(zhǎng)期貯存的關(guān)鍵問(wèn)題——應(yīng)力松弛、應(yīng)力腐蝕——可由獨(dú)立的壽命評(píng)估試驗(yàn)得到其評(píng)估值；且從長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，自然貯存環(huán)境下彈性敏感元件的長(zhǎng)期貯存后性能變化很小。航天型號(hào)產(chǎn)品曾開展過(guò)彈簧產(chǎn)品貯存性能專題研究，結(jié)論為彈簧的貯存壽命遠(yuǎn)大于非金屬材料的[5-6]，但彈性敏感元件加速貯存試驗(yàn)的溫度設(shè)定要考慮彈簧材料的退火溫度，防止其發(fā)生應(yīng)力松弛。

3）非金屬件包括橡膠密封件、橡膠膜片、橡膠墊片、塑料活閥、塑料碗、塑料墊片和潤(rùn)滑脂等。密封件在預(yù)緊安裝后的貯存過(guò)程中一直處于受力狀態(tài)，且受溫度、濕度等環(huán)境因素變化影響較大，導(dǎo)致其長(zhǎng)期貯存后會(huì)發(fā)生性能變化，是影響推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品中長(zhǎng)期貯存性能的薄弱環(huán)節(jié)。

因此，空間推進(jìn)系統(tǒng)加速貯存試驗(yàn)的主要考核對(duì)象是非金屬件，需參考非金屬材料的加速老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制定推進(jìn)系統(tǒng)加速貯存試驗(yàn)方案及系統(tǒng)貯存期評(píng)估方法。

2 材料級(jí)加速老化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

空間推進(jìn)系統(tǒng)使用的非金屬材料有乙丙橡膠、丁基橡膠、氟醚橡膠、偏氟醚橡膠、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯和聚全氟乙丙烯等，其中聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯和聚全氟乙丙烯屬于氟塑料制品，貯存性能顯著優(yōu)于橡膠材料。因此，本文僅針對(duì)乙丙橡膠、丁基橡膠、氟醚橡膠和偏氟醚橡膠4 種材料展開試驗(yàn)研究。

2.2 試驗(yàn)條件

基于空間推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品的實(shí)際貯存環(huán)境（溫度20±5 ℃，相對(duì)濕度40%～60%），分析預(yù)期貯存壽命（10～15 年）對(duì)應(yīng)的加速試驗(yàn)條件為熱氧老化環(huán)境（見(jiàn)表1），在此試驗(yàn)條件下進(jìn)行4 種橡膠材料的壓縮永久變形測(cè)試。

表 1 橡膠材料加速老化試驗(yàn)條件Table 1 Accelerated test conditions for rubber materials

2.3 試驗(yàn)方法

4 種橡膠材料的加速老化試驗(yàn)依據(jù)GJB 92.1—1986《熱空氣老化法測(cè)定硫化橡膠貯存性能導(dǎo)則 第一部分：試驗(yàn)規(guī)程》[7]和GB/T 3512—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠 熱空氣加速老化和耐熱試驗(yàn)》[8]執(zhí)行；材料壓縮后發(fā)生的永久變形測(cè)試依據(jù)GB/T 1683—2018《硫化橡膠 恒定形變壓縮永久變形的測(cè)定方法》[9]執(zhí)行；數(shù)據(jù)處理和貯存壽命評(píng)估方法參照GJB 92.2—1986《熱空氣老化法測(cè)定硫化橡膠貯存性能導(dǎo)則 第二部分：統(tǒng)計(jì)方法》[7]執(zhí)行。

2.4 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用的主要設(shè)備包括H1200 熱氧老化試驗(yàn)箱、MTSQ/T-10 材料試驗(yàn)機(jī)和GT-7049 壓縮永久變形測(cè)試儀等。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得到4 種橡膠材料壓縮永久變形的老化時(shí)間擬合曲線，如圖1 所示。在老化試驗(yàn)中，橡膠材料的物理力學(xué)性能均滿足使用要求。

圖 1 橡膠材料壓縮永久變形的老化時(shí)間擬合曲線Fig. 1 Permanent compression deformation against aging time of rubber materials

對(duì)不同加速試驗(yàn)溫度下橡膠材料壓縮永久變形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸計(jì)算，得到貯存溫度25 ℃下的橡膠性能與貯存時(shí)間關(guān)系式，并由此建立橡膠材料加速老化試驗(yàn)的設(shè)定加速試驗(yàn)溫度與貯存溫度之間的等效關(guān)系式[10-11]。

基于空間推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品在貯存條件下的實(shí)際工作特性，將其加速試驗(yàn)溫度設(shè)定為85 ℃，依據(jù)等效關(guān)系式計(jì)算出含相應(yīng)橡膠密封件的組件達(dá)到目標(biāo)貯存壽命所需的加速試驗(yàn)時(shí)間，見(jiàn)表2。

表 2 達(dá)到目標(biāo)貯存壽命所需加速試驗(yàn)時(shí)間（加速試驗(yàn)溫度設(shè)定為85 ℃）Table 2 The required accelerating time for reaching the settled storage life by accelerated aging at 85 ℃

3 組件級(jí)加速貯存試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

組件級(jí)加速試驗(yàn)條件見(jiàn)表3，試驗(yàn)針對(duì)空間推進(jìn)系統(tǒng)的主要模塊開展，包括軌控機(jī)組模塊、姿控機(jī)組模塊和管路連接結(jié)構(gòu)模塊各1 組，3 種模塊分別涉及不同材料的橡膠密封件。

表 3 組件級(jí)加速試驗(yàn)條件Table 3 The conditions of accelerated test in component level

3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 3512—2014 相關(guān)要求，對(duì)上述3 個(gè)模塊產(chǎn)品按照表3 確定的試驗(yàn)條件進(jìn)行加速貯存試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，進(jìn)行各組件的產(chǎn)品性能測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括外觀檢查、密封性能測(cè)試、電性能測(cè)試和振動(dòng)沖擊試驗(yàn)等。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

加速貯存試驗(yàn)過(guò)程中，3 種模塊產(chǎn)品狀態(tài)正常。試驗(yàn)后經(jīng)性能測(cè)試確認(rèn)，產(chǎn)品性能合格，能夠滿足使用要求?；诖丝梢源_認(rèn)各模塊的貯存期不少于15 年。

4 系統(tǒng)級(jí)加速貯存試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

系統(tǒng)級(jí)加速試驗(yàn)條件見(jiàn)表4，其選取原則為：1）基于產(chǎn)品的老化失效機(jī)理開展，不產(chǎn)生次生的失效模式；2）試驗(yàn)溫度不高于所屬組件產(chǎn)品的最高使用溫度；3）基于產(chǎn)品實(shí)際使用過(guò)程中的貯存環(huán)境制定產(chǎn)品的加速試驗(yàn)條件。由表2 可知，空間推進(jìn)系統(tǒng)所含橡膠密封件中偏氟醚橡膠的加速系數(shù)最小，其余3 種橡膠的加速系數(shù)接近。如果系統(tǒng)級(jí)老化試驗(yàn)的加速系數(shù)按偏氟醚橡膠制定，對(duì)其他橡膠件而言會(huì)出現(xiàn)過(guò)老化，因此本研究將系統(tǒng)級(jí)老化試驗(yàn)的加速系數(shù)按照加速系數(shù)相對(duì)較小的氟醚橡膠選取。雖然該方案對(duì)乙丙橡膠和丁基橡膠仍會(huì)出現(xiàn)過(guò)老化，但這2 種材料的耐老化性能設(shè)計(jì)裕度大，能夠承受適度的過(guò)老化。對(duì)于含偏氟醚橡膠密封件的可拆卸組件，將其從系統(tǒng)上分解下來(lái)，單獨(dú)開展加速貯存試驗(yàn)至設(shè)定壽命后，再安裝到系統(tǒng)中；對(duì)于不可拆卸組件，可通過(guò)補(bǔ)充含偏氟醚橡膠密封件組件的加速貯存試驗(yàn)予以額外驗(yàn)證。

表 4 系統(tǒng)級(jí)加速試驗(yàn)條件Table 4 The conditions of accelerated test in system level

4.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 3512—2014 相關(guān)要求，對(duì)空間推進(jìn)系統(tǒng)依據(jù)表4 設(shè)定的加速試驗(yàn)條件進(jìn)行加速貯存試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，對(duì)空間推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火試車，驗(yàn)證其工作性能。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)級(jí)加速貯存試驗(yàn)過(guò)程中，產(chǎn)品狀態(tài)正常。試驗(yàn)后的試車過(guò)程中，系統(tǒng)各項(xiàng)性能測(cè)試數(shù)據(jù)合格，工作狀態(tài)正常，能夠滿足使用要求?；诖丝梢源_認(rèn)空間推進(jìn)系統(tǒng)整機(jī)的貯存期不少于15 年。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以薄弱環(huán)節(jié)分析為基礎(chǔ)，確定老化試驗(yàn)對(duì)象，建立橡膠材料加速老化試驗(yàn)的設(shè)定加速溫度與貯存溫度之間的等效關(guān)系式，確定空間推進(jìn)系統(tǒng)組件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品加速貯存試驗(yàn)條件，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出系統(tǒng)貯存壽命評(píng)估結(jié)論。

此項(xiàng)研究工作可為類似空間推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品的貯存期評(píng)定工作提供借鑒和參考。