固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性研究進(jìn)展

侯 曉，張 旭，劉向陽(yáng)，吳艷青，雷 鳴，王學(xué)仁，王江濤

(1. 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048；2. 北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081；3. 北京理工大學(xué)爆炸技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4. 西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072；5. 火箭軍工程大學(xué)智劍實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

0 引 言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、長(zhǎng)期貯存等優(yōu)點(diǎn),在各種導(dǎo)彈武器和火箭中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),大型高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的研制衍生出了高裝填比、寬溫適應(yīng)性、長(zhǎng)貯存周期等要求。在制造、運(yùn)輸、貯存、維護(hù)、使用等全壽命周期過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)受到溫度載荷、振動(dòng)載荷、彈射載荷、重力載荷以及點(diǎn)火階段的快速升壓載荷等各類(lèi)復(fù)雜載荷的綜合作用,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性分析提出了更高的要求[1-2]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)破壞主要出現(xiàn)在藥柱本體和界面,因此藥柱結(jié)構(gòu)完整性是其中的難點(diǎn)和關(guān)注重點(diǎn)。

作為發(fā)動(dòng)機(jī)的薄弱環(huán)節(jié),固體推進(jìn)劑藥柱本體的結(jié)構(gòu)完整性失效是導(dǎo)致裝備災(zāi)難性故障的主要原因。固體推進(jìn)劑是一種以聚合物為基體的高填充復(fù)合材料,由黏彈性粘合劑(HTPB、PEG、GAP等)、含能顆粒(AP、HMX、RDX、CL-20等)及功能小組分構(gòu)成。微觀和細(xì)觀特征對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)性能和失效特性的影響非常顯著,原材料和工藝的散布性也使得推進(jìn)劑宏觀力學(xué)性能散布較大。上述因素導(dǎo)致藥柱結(jié)構(gòu)完整性的精確評(píng)估變得十分困難。

另一方面,大型發(fā)動(dòng)機(jī)均采用貼壁澆鑄方式制作。燃燒室采用“殼體-絕熱層-襯層-推進(jìn)劑”結(jié)構(gòu),存在多個(gè)粘接界面。其中,推進(jìn)劑/襯層界面的脫粘是發(fā)動(dòng)機(jī)另一類(lèi)典型故障模式,需要予以特別關(guān)注。

目前,發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估主要依賴(lài)數(shù)值仿真和推進(jìn)劑及界面試件級(jí)試驗(yàn),輔以少量特定條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)。其中,試件級(jí)試驗(yàn)可為獲得仿真計(jì)算時(shí)所需的本構(gòu)模型參數(shù)以及判定結(jié)構(gòu)完整性的失效準(zhǔn)則提供支持。在數(shù)值仿真時(shí),推進(jìn)劑及粘接界面的力學(xué)性能及失效準(zhǔn)則會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生顯著影響?；诖?本文從推進(jìn)劑及粘接界面力學(xué)性能、推進(jìn)劑及粘接界面失效、發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱及推進(jìn)劑數(shù)值仿真方法、發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)四方面對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性研究進(jìn)展進(jìn)行評(píng)述,并提出未來(lái)研究方向和研究重點(diǎn)。

1 推進(jìn)劑及粘接界面力學(xué)性能研究

1.1 推進(jìn)劑本構(gòu)模型研究

受粘合劑的黏彈性以及細(xì)觀損傷演化影響,推進(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)、體積膨脹、斷裂延伸率等幾乎所有宏觀力學(xué)性能均依賴(lài)于加載狀態(tài)和加載歷史。建立簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的推進(jìn)劑力學(xué)本構(gòu)模型,是實(shí)現(xiàn)加載狀態(tài)和加載歷史相關(guān)的推進(jìn)劑宏觀力學(xué)性能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)以及發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性高精度分析的基礎(chǔ)。推進(jìn)劑力學(xué)本構(gòu)模型的建立,核心難點(diǎn)在于對(duì)非線性細(xì)觀損傷演化及其伴隨的宏觀體積膨脹的準(zhǔn)確刻畫(huà)。目前,有兩種方法來(lái)構(gòu)建推進(jìn)劑的損傷相關(guān)力學(xué)本構(gòu)模型,分別是唯象方法和半唯象半解析方法。

自上而下的唯象本構(gòu),忽略了細(xì)觀組分的相互作用機(jī)理,專(zhuān)注于描述推進(jìn)劑展現(xiàn)出的宏觀響應(yīng)。推進(jìn)劑的力學(xué)本構(gòu)模型已由彈性模型、線性黏彈性模型、非線性黏彈性模型發(fā)展到超彈-黏彈非線性本構(gòu)模型。Park等[3]率先提出了基于遺傳積分的橫觀各向同性溫度、應(yīng)變率、損傷相關(guān)的黏彈性本構(gòu)關(guān)系。Yun等[4]采用遺傳積分結(jié)合體積模量的不可逆折減,構(gòu)建了推進(jìn)劑的黏彈-損傷力學(xué)本構(gòu)模型,模擬了循環(huán)加載、臺(tái)階加載等工況下推進(jìn)劑的力學(xué)響應(yīng)。雖然自上而下唯象方法能夠同時(shí)模擬溫度、應(yīng)變率相關(guān)的應(yīng)力和體積變形響應(yīng),但是其損傷參量不能描述真實(shí)的損傷機(jī)理及狀態(tài)。

半唯象半解析方法力求結(jié)合唯象本構(gòu)和細(xì)觀本構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),利用細(xì)觀理論或細(xì)觀單胞仿真給出影響推進(jìn)劑力學(xué)性能的關(guān)鍵細(xì)觀參數(shù)演化規(guī)律,結(jié)合宏觀唯象模型實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑宏觀力學(xué)性能的模擬和預(yù)示。Xu等[5]采用細(xì)觀均勻化方法給出了推進(jìn)劑宏觀參量演化規(guī)律,代入宏觀唯象本構(gòu)模型中,實(shí)現(xiàn)了大力神4運(yùn)載火箭固體助推器PQM-1的完整性分析。Lei等[6]通過(guò)細(xì)觀顆粒-粘合劑界面能與外力功平衡,建立了考慮細(xì)觀脫濕損傷演化的本構(gòu)模型。Wubuliaisan等[7]通過(guò)細(xì)觀有限元的仿真校準(zhǔn)宏觀損傷演化方程,能夠在夯實(shí)宏觀力學(xué)模型物理基礎(chǔ)的同時(shí)顯著提升計(jì)算效率,預(yù)測(cè)了圍壓、臺(tái)階加載等加載條件下啞鈴型試驗(yàn)件的響應(yīng)。該方法近年來(lái)得到了快速發(fā)展,為描述含缺陷推進(jìn)劑的宏觀力學(xué)行為提供了一種新的研究思路,有望為推進(jìn)劑力學(xué)行為的精確描述提供支持。

1.2 推進(jìn)劑力學(xué)性能試驗(yàn)

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo),推進(jìn)劑的力學(xué)性能試驗(yàn)可分為三類(lèi):驗(yàn)證性試驗(yàn)、判決性試驗(yàn)以及探索性試驗(yàn),如圖1所示,在試樣級(jí)層面分別回答推進(jìn)劑宏觀上如何變形、能否承受固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作載荷以及細(xì)觀上為什么損傷這三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[8-13]。

驗(yàn)證性試驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)是準(zhǔn)確表征推進(jìn)劑的宏觀變形規(guī)律,對(duì)推進(jìn)劑材料力學(xué)性能進(jìn)行摸底,為力學(xué)本構(gòu)模型的發(fā)展和校準(zhǔn)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。作為極高夾雜比顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料,推進(jìn)劑的驗(yàn)證性試驗(yàn)?zāi)壳爸饕胁捎脴?biāo)準(zhǔn)啞鈴型試件的單軸拉伸、松弛和蠕變?cè)囼?yàn)及采用圓柱試件的壓縮試驗(yàn)等基本力學(xué)性能試驗(yàn),采用矩形試件的松弛、蠕變、掃溫、掃頻等動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能試驗(yàn)以及采用標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試件的循環(huán)加載、棘輪加載、臺(tái)階加載等歷史相關(guān)試驗(yàn)。目前,驗(yàn)證性試驗(yàn)的研究重點(diǎn)主要是泊松比測(cè)量和脫濕特性測(cè)試。理論上推進(jìn)劑為近似不可壓縮物體,泊松比接近0.5,泊松比測(cè)量的微小誤差都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱變形仿真結(jié)果起到放大作用,因此,泊松比的精確測(cè)量對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱完整性分析非常重要。由于固體推進(jìn)劑變形量較大,采用金屬材料的拉伸計(jì)原理不再適用。DIC(數(shù)字圖像相關(guān))方法從原理上可以實(shí)現(xiàn)泊松比的測(cè)試,但實(shí)施過(guò)程中因推進(jìn)劑表面不夠光滑和試件變形與理論假設(shè)不符等造成結(jié)果偏差和散布較大,尚沒(méi)有完全得到工業(yè)部門(mén)的認(rèn)可。同時(shí),隨著黏彈性理論的發(fā)展,黏彈性泊松比的測(cè)試也受到了關(guān)注[14],其引入也有望提高裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析的精度。脫濕是指固體顆粒和粘合劑基體的脫粘,是推進(jìn)劑本構(gòu)模型非線性特征的來(lái)源。張鎮(zhèn)國(guó)等[11]借鑒了Farras的氣體膨脹計(jì)原理研制了一套推進(jìn)劑體積膨脹率測(cè)量裝置,利用體積膨脹和脫濕之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了固體推進(jìn)劑脫濕過(guò)程的實(shí)時(shí)、直接測(cè)量,為推進(jìn)劑脫濕特性研究提供了有效手段。

判決性試驗(yàn)旨在設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)件幾何形狀與載荷條件,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室危險(xiǎn)部位的受力狀態(tài)還原,一方面可以用以考核危險(xiǎn)部位變形量、應(yīng)力指標(biāo)、斷裂極限等關(guān)鍵性能參數(shù)能否滿足藥柱結(jié)構(gòu)的任務(wù)需求,另一方面還可進(jìn)一步驗(yàn)證力學(xué)本構(gòu)模型在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)以及極端環(huán)境下的適用性。Jalocha等[12]發(fā)展了雙軸動(dòng)態(tài)機(jī)械加載裝置,采用試樣件還原了硫化降溫或環(huán)境溫度載荷下發(fā)動(dòng)機(jī)中孔處的雙向受力狀態(tài)。申志彬等[15]在圍壓測(cè)試裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),形成了寬溫-氣體圍壓裝置。Wang等[13]通過(guò)圍壓加載裝置還原了點(diǎn)火建壓條件下丁羥固體推進(jìn)劑的受力狀態(tài),測(cè)量得到了圍壓相關(guān)的推進(jìn)劑極限應(yīng)力。圍壓裝置的應(yīng)用為固體推進(jìn)劑藥柱在不同溫度點(diǎn)火時(shí)的力學(xué)行為描述提供了重要支持。相較于發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力狀態(tài),現(xiàn)有判決性試樣設(shè)計(jì)仍未能充分還原危險(xiǎn)部位的圍壓-拉-剪等多軸耦合受力狀態(tài),同時(shí)缺乏對(duì)危險(xiǎn)部位經(jīng)歷運(yùn)輸振動(dòng)等長(zhǎng)時(shí)往復(fù)加載后推進(jìn)劑及粘接界面力學(xué)性能的判定性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。因此,推進(jìn)劑判決性試驗(yàn)表征仍需要在裝置開(kāi)發(fā)、等效理論、試驗(yàn)件設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展更加深入的工作。

探索性試驗(yàn)設(shè)計(jì)力求揭示固體推進(jìn)劑細(xì)觀損傷萌生和演化機(jī)理,是推進(jìn)劑力學(xué)性能試驗(yàn)最為活躍的領(lǐng)域。近年來(lái),隨著微觀加載手段和原位觀測(cè)能力的提升,探索性試驗(yàn)的被測(cè)對(duì)象由固體推進(jìn)劑試樣逐步聚焦為幾個(gè)甚至一個(gè)氧化劑顆粒。Ramsh-orst等[16]利用原位SEM(掃描電鏡)試驗(yàn)裝置,觀測(cè)了復(fù)合推進(jìn)劑斷裂過(guò)程。Prakash等[17]通過(guò)將高應(yīng)變率載荷直接施加于單個(gè)氧化劑顆粒和丁羥粘合劑界面,采用原位機(jī)械拉曼光譜測(cè)試裝置,量化了界面鍵合劑和加載速率對(duì)細(xì)觀界面強(qiáng)度的影響。Xing等[8]利用上海光源同步輻射裝置,對(duì)高能推進(jìn)劑單軸拉伸條件下的細(xì)觀界面脫粘開(kāi)展了觀測(cè)。上述探索性試驗(yàn)裝置及方法的發(fā)展,揭示了推進(jìn)劑脫濕和細(xì)觀損傷機(jī)理,實(shí)現(xiàn)了宏觀損傷行為溯源,為建立高精度推進(jìn)劑本構(gòu)模型及失效判據(jù)提供了依據(jù)。由探索性試驗(yàn)結(jié)果可知,低溫、快拉條件下,粒徑較大的氧化劑顆粒出現(xiàn)穿晶斷裂,誘發(fā)推進(jìn)劑損傷萌生;而高溫、慢速加載下,氧化劑顆粒與粘合劑易發(fā)生界面脫粘(或稱(chēng)脫濕),導(dǎo)致推進(jìn)劑細(xì)觀損傷萌生。受粘合劑黏彈性和玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程影響,穿晶斷裂與界面脫粘競(jìng)爭(zhēng),共同影響推進(jìn)劑損傷萌生[18]。囿于原位試驗(yàn)平臺(tái)的加載能力(如應(yīng)變率、溫度、應(yīng)力狀態(tài))以及觀測(cè)能力(如采樣頻率、采樣精度),現(xiàn)有試驗(yàn)僅能獲得有限應(yīng)變率、溫度和應(yīng)力狀態(tài)的推進(jìn)劑細(xì)觀力學(xué)特性,無(wú)法覆蓋推進(jìn)劑使用的所有工況,損傷機(jī)理與裝藥結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位真實(shí)損傷過(guò)程尚存在一定偏差。

圖1 推進(jìn)劑試驗(yàn)裝置示意圖[8-13]Fig.1 Schematic diagram of propellant test facilities[8-13]

1.3 推進(jìn)劑/襯層界面力學(xué)性能試驗(yàn)

推進(jìn)劑/襯層界面屬于典型的黏彈性異質(zhì)復(fù)合界面,細(xì)觀組成依次有襯層本體、粘合劑富集層、小顆粒富集層以及推進(jìn)劑本體[19]。受各層黏彈性影響,宏觀加載條件下,各層應(yīng)變分布與試驗(yàn)件構(gòu)型及其層厚密切相關(guān)。

工程上常用矩形界面標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件表征推進(jìn)劑/襯層界面的力學(xué)性能。矩形界面試驗(yàn)件設(shè)計(jì)依據(jù)藥柱結(jié)構(gòu)人工脫粘區(qū)根部的結(jié)構(gòu)構(gòu)型,模擬各種工況下推進(jìn)劑/襯層界面的I型(張開(kāi)型)斷裂過(guò)程,不僅可用于判定危險(xiǎn)部位可靠性,還可用于校準(zhǔn)溫度、應(yīng)變率相關(guān)的界面失效模型。實(shí)際上,矩形試驗(yàn)件測(cè)試結(jié)果雖然被廣泛采納,但是其測(cè)量的界面強(qiáng)度并不準(zhǔn)確。一方面,工程上采納的界面強(qiáng)度依據(jù)拉伸斷裂時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線所圍成的面積計(jì)算得出,未剔除推進(jìn)劑變形的黏性耗散能,給出的界面強(qiáng)度相較真實(shí)值偏大;另一方面,標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件的人工脫粘區(qū)開(kāi)槽深度固定,不能表征界面斷裂時(shí)的缺口尺寸敏感性。因此,矩形標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件已無(wú)法完全滿足工程上的精細(xì)化測(cè)量評(píng)價(jià)需求。

目前,已有學(xué)者采用非標(biāo)試驗(yàn)件,依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)的制造流程,制備拉伸試驗(yàn)件,實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑/襯層界面的原位觀測(cè),以及I型(張開(kāi)型)與II型(劃開(kāi)型)耦合斷裂過(guò)程表征[20]。推進(jìn)劑/襯層界面力學(xué)性能試驗(yàn)亟待開(kāi)展多樣化的試驗(yàn)件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)更為精確的數(shù)據(jù)分析處理方法和建立新的試驗(yàn)規(guī)范。

2 推進(jìn)劑及粘接界面失效研究

2.1 推進(jìn)劑失效研究

固體推進(jìn)劑失效準(zhǔn)則建立的主要目的是對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在全周期中的藥柱結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行評(píng)判。通?；诶?壓縮等力學(xué)性能試驗(yàn)獲取推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度、最大延伸率等參量,然后通過(guò)強(qiáng)度準(zhǔn)則建立推進(jìn)劑的失效準(zhǔn)則。常用的準(zhǔn)則有最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則、最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則、von Mises準(zhǔn)則和雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則。由于發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)通常處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),因此針對(duì)不同的服役場(chǎng)景推進(jìn)劑失效準(zhǔn)則有所不同。

最大應(yīng)力/應(yīng)變準(zhǔn)則由于計(jì)算簡(jiǎn)單而常被作為推進(jìn)劑的失效準(zhǔn)則。固化降溫和工作內(nèi)壓作用下通常以伸長(zhǎng)率作為推進(jìn)劑藥柱的失效準(zhǔn)則,在發(fā)動(dòng)機(jī)承受加速度載荷時(shí),以強(qiáng)度作為推進(jìn)劑的失效準(zhǔn)則。強(qiáng)洪夫等[21]基于不同載荷條件下HTPB推進(jìn)劑的單軸和準(zhǔn)雙軸拉伸力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,建立了以最大伸長(zhǎng)率為判據(jù)的推進(jìn)劑失效準(zhǔn)則。張鎮(zhèn)國(guó)等[22]研究了HTPB推進(jìn)劑在寬溫、寬應(yīng)變率下的斷裂延伸率失效包絡(luò)。Bihari等[23]研究了不同圍壓強(qiáng)度和應(yīng)變率下HTPB推進(jìn)劑的力學(xué)性能,并將固體顆粒與粘接劑的“脫濕”性能作為推進(jìn)劑的失效準(zhǔn)則。

最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則很好地解釋了材料的屈服現(xiàn)象,但忽略了中間主應(yīng)力的影響;von Mises準(zhǔn)則沒(méi)有考慮靜水壓力或拉力對(duì)失效的影響,但是靜水壓力對(duì)失效準(zhǔn)則有增強(qiáng)作用,較高的壓力可以提高屈服強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度。雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論既考慮了材料的拉壓不對(duì)稱(chēng)效應(yīng)又兼顧了靜水應(yīng)力效應(yīng)、正應(yīng)力效應(yīng)和中間主應(yīng)力效應(yīng)?；诎鍡l試樣的推進(jìn)劑雙軸拉伸試驗(yàn),劉暢等[24]和Wang等[25]采用雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論建立了HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)雙軸加載下的強(qiáng)度判據(jù)。Wang等[26]基于不同溫度和加載速率下的HTPB推進(jìn)劑變角度拉剪試驗(yàn)擬合了雙剪強(qiáng)度理論相關(guān)參數(shù),并繪出了強(qiáng)度包絡(luò)面。為進(jìn)一步研究圍壓對(duì)推進(jìn)劑典型力學(xué)性能的影響,Wang等[13]在不同圍壓條件下進(jìn)行了固體推進(jìn)劑的拉伸試驗(yàn),根據(jù)雙剪強(qiáng)度理論構(gòu)建了修正的強(qiáng)度準(zhǔn)則,有效描述了圍壓對(duì)推進(jìn)劑強(qiáng)度極限的耦合影響。

固體推進(jìn)劑失效準(zhǔn)則的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供了理論指導(dǎo)。但是由于固體推進(jìn)劑力學(xué)性能受溫度影響明顯,同時(shí)在固體發(fā)動(dòng)機(jī)中裝藥結(jié)構(gòu)不同部位的受力狀態(tài)有差異,且多處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),因此需要對(duì)復(fù)雜外界載荷條件和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下推進(jìn)劑的失效準(zhǔn)則做進(jìn)一步的研究。特別是,目前失效準(zhǔn)則大多是基于宏觀斷裂建立的,較少考慮推進(jìn)劑微細(xì)觀損傷。實(shí)際上當(dāng)推進(jìn)劑臨近斷裂時(shí),其內(nèi)部損傷程度已經(jīng)非常嚴(yán)重。因此,從細(xì)微觀損傷出發(fā),建立相應(yīng)的推進(jìn)劑損傷失效準(zhǔn)則,可望為發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供更加準(zhǔn)確和精細(xì)化的方法。

2.2 推進(jìn)劑/襯層界面失效研究

推進(jìn)劑/襯層界面的失效研究主要從宏觀和細(xì)觀兩個(gè)尺度展開(kāi)。宏觀尺度主要關(guān)注粘接界面的力學(xué)性能及失效模式。根據(jù)細(xì)觀異質(zhì)層間的強(qiáng)度競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,界面失效模式則可以分為界面失效、內(nèi)聚失效和混合失效三種,具體如圖2所示[27]。其中,界面失效和混合失效常出現(xiàn)在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中,主要是由組分遷移造成的,極為復(fù)雜,研究較少。內(nèi)聚失效是最常見(jiàn)的失效模式,失效評(píng)價(jià)較為簡(jiǎn)單,研究較多。內(nèi)聚失效由于發(fā)生在推進(jìn)劑內(nèi)部,可通過(guò)推進(jìn)劑的溫度-應(yīng)變率相關(guān)失效包絡(luò),直接外推得到推進(jìn)劑/襯層界面的失效包絡(luò)[28]。

細(xì)觀尺度則重點(diǎn)關(guān)注外載荷條件下粘接界面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化,揭示其失效機(jī)理。針對(duì)固體推進(jìn)劑及粘接界面失效機(jī)理的研究主要借助相關(guān)的儀器設(shè)備,對(duì)受載過(guò)程中推進(jìn)劑及粘接界面細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行觀測(cè)與表征,從而揭示失效機(jī)理。相比之前對(duì)斷面細(xì)觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)分析[29],現(xiàn)在更多則是從原位的角度揭示推進(jìn)劑及粘接界面的失效機(jī)理。鈕然銘[30]對(duì)傳統(tǒng)的單搭實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化,研究了推進(jìn)劑/襯層界面的Ⅱ型失效初始損傷值。伍鵬等[31]對(duì)矩形試件進(jìn)行了多角度拉伸試驗(yàn),獲得了拉伸角度對(duì)粘接界面強(qiáng)度的影響規(guī)律;結(jié)合DIC方法對(duì)粘接界面的失效模式和應(yīng)變演化規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,粘接界面的粘接強(qiáng)度受加載角度的影響,單軸拉伸時(shí)粘接界面粘接強(qiáng)度最大,而純剪切加載時(shí)粘接界面延伸率最高。Prakash等[17]對(duì)HTPB/AP界面的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,得到了界面粘接強(qiáng)度和外界載荷對(duì)界面破壞的影響規(guī)律。

圖2 推進(jìn)劑粘接界面的三種失效形式[27]Fig.2 Three failure modes of propellant bonding interface[27]

鑒于對(duì)界面失效機(jī)理的認(rèn)識(shí)不足,目前尚沒(méi)有較為成熟的推進(jìn)劑/襯層界面失效準(zhǔn)則。通常的處理方法是:將界面失效歸結(jié)為內(nèi)聚力失效,借用推進(jìn)劑失效準(zhǔn)則處理界面失效問(wèn)題。這一設(shè)定在大多數(shù)情況下也是合理的,因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)藥柱設(shè)計(jì)時(shí)界面性能通常優(yōu)于推進(jìn)劑性能。沙寶林[32]提出用J積分表征作為界面裂紋穩(wěn)定性的失效準(zhǔn)則,并將其用于藥柱界面脫粘分析中,為建立界面失效準(zhǔn)則提供了有益的解決思路。

固體推進(jìn)劑及粘接界面失效研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估具有重要作用。目前主要存在兩方面的困難。一是失效準(zhǔn)則過(guò)于依賴(lài)試驗(yàn),缺少有效的數(shù)值仿真分析工具,導(dǎo)致對(duì)推進(jìn)劑和粘接界面失效機(jī)理、失效模式等問(wèn)題的認(rèn)知尚不清楚;二是受限于試驗(yàn)手段,目前推進(jìn)劑和粘接界面失效的研究主要在單軸準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷下展開(kāi),需要發(fā)展復(fù)雜外載荷和復(fù)雜受力狀態(tài)等條件下推進(jìn)劑和粘接界面的失效試驗(yàn)試件和裝置。因此,需要逐漸建立能夠適應(yīng)更多服役場(chǎng)景、由仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的失效準(zhǔn)則表征方法。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱及推進(jìn)劑數(shù)值仿真方法研究

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真

數(shù)值仿真是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性的主要手段,目前大多采用基于商業(yè)軟件的有限元(FEM)仿真軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中,目前主要存在以下問(wèn)題:(1)商業(yè)軟件自帶的本構(gòu)模型過(guò)于簡(jiǎn)單,不能真實(shí)反映推進(jìn)劑的力學(xué)特性。二次開(kāi)發(fā)方法可以解決部分問(wèn)題[33],但其計(jì)算效率和計(jì)算穩(wěn)定性較差。(2)網(wǎng)格劃分與計(jì)算效率之間存在矛盾。尤其是牽涉到推進(jìn)劑/襯層界面時(shí),過(guò)細(xì)的網(wǎng)格也會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算效率。先進(jìn)的數(shù)值仿真方法有望為其提供支持,但目前尚沒(méi)有成熟的仿真工具可用。(3)目前逐漸在開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱有限元仿真軟件或平臺(tái)。雖然其可靠性尚有欠缺,但其對(duì)二次開(kāi)發(fā)的高度支持和靈活性有望為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性精確評(píng)估提供更大的幫助。

多物理場(chǎng)耦合是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥制造和使用中的典型載荷特征。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的服役場(chǎng)景包括固化降溫、運(yùn)輸振動(dòng)、溫度循環(huán)和點(diǎn)火建壓等,存在結(jié)構(gòu)場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多種物理場(chǎng)相互耦合作用的情況。多物理場(chǎng)耦合是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性精確評(píng)估不可回避的問(wèn)題。

熱力耦合是應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)兩個(gè)物理場(chǎng)之間相互影響的過(guò)程,主要體現(xiàn)在固化降溫、溫度循環(huán)和溫度沖擊等場(chǎng)景下[34]。基于熱力耦合基本理論,劉遠(yuǎn)祥等[35]忽略應(yīng)力應(yīng)變對(duì)溫度場(chǎng)的影響,使力學(xué)響應(yīng)與溫度響應(yīng)解耦,利用ANSYS有限元軟件對(duì)溫度沖擊條件下藥柱結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了分析。王佳奇等[36]和程吉明[37]分別利用MSC.Patran/Marc、ABAQUS等有限元軟件的熱力耦合計(jì)算方法,對(duì)藥柱固化降溫及低溫點(diǎn)火過(guò)程中的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了分析。Deng等[38]構(gòu)建了含老化、損傷和時(shí)變泊松比的熱黏彈性本構(gòu)模型,并對(duì)藥柱固化降溫及低溫點(diǎn)火過(guò)程中的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了分析。

流固耦合現(xiàn)象也是固體發(fā)動(dòng)機(jī)使用中的常見(jiàn)場(chǎng)景,主要發(fā)生在點(diǎn)火建壓的過(guò)程中。于勝春等[39]通過(guò)流-固耦合軟件MPCCI將FLUENT和ABAQUS連接,對(duì)點(diǎn)火升壓過(guò)程中氣流流動(dòng)與藥柱結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了耦合分析,為發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)支持。桂曉波等[40]則利用ANSYS中的耦合器作為FLUENT和ANSYS的數(shù)據(jù)交換平臺(tái),針對(duì)大長(zhǎng)徑比的自由裝填藥柱固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程展開(kāi)了研究,模擬了冷流沖擊實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)際工作狀況。

3.2 固體推進(jìn)劑多尺度力學(xué)與數(shù)值仿真方法

針對(duì)不同的空間尺度,目前已發(fā)展了一些較為成熟的多尺度力學(xué)數(shù)值仿真方法,并將其應(yīng)用于固體推進(jìn)劑力學(xué)性能的模擬,可望為唯象型本構(gòu)模型賦予物理意義。微觀尺度主要采用分子動(dòng)力學(xué)方法(Molecular dynamics, MD)在原子和分子尺度上(<10-6m)研究分子間的相互作用與材料損傷演化的規(guī)律;細(xì)觀尺度以粘合劑、顆粒及界面作為研究對(duì)象,主要關(guān)注微孔洞和微裂紋的損傷演化規(guī)律及其對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響規(guī)律;宏觀尺度(>10-2m)的研究對(duì)象是推進(jìn)劑藥柱結(jié)構(gòu)和推進(jìn)劑試件。推進(jìn)劑多尺度研究分析如圖3所示。

圖3 推進(jìn)劑多尺度分析示意圖Fig.3 Multi-scale analysis of the propellant

目前微觀數(shù)值仿真主要集中在模擬推進(jìn)劑粘合劑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及混合體系的結(jié)合能(如粘合劑/填料結(jié)合性能)和力學(xué)性能研究,已在推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)中發(fā)揮了顯著作用,也為簡(jiǎn)化推進(jìn)劑細(xì)觀模型提供了理論支持。張?chǎng)蔚萚41]通過(guò)MD方法研究發(fā)現(xiàn)GAP/ε-CL-20之間的粘附功及結(jié)合能均低于PEG/β-HMX之間的粘附功和結(jié)合能,即GAP/ε-CL-20的界面粘接情況較弱,顯著影響了GAP/ε-CL-20推進(jìn)劑的力學(xué)性能。齊曉飛等[42]采用MD模擬方法在分子層面研究了NPBA(中性聚合物鍵合劑)與HMX的界面作用,考察了NPBA在NEPE體系的應(yīng)用效果,為新型NPBA的分子設(shè)計(jì)提供了參考。然而,MD仿真目前在時(shí)間尺度和應(yīng)力/應(yīng)變幅值方面與試驗(yàn)結(jié)果存在量級(jí)上的差別,僅能提供定性參考。這也是未來(lái)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。Park等[43]通過(guò)MD方法獲得了混合體系的交聯(lián)密度等參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能的影響,將其代入宏觀模型中實(shí)現(xiàn)了跨尺度分析。該研究為MD研究引入了新的研究思路,值得借鑒參考。

細(xì)觀力學(xué)數(shù)值仿真主要研究推進(jìn)劑微孔洞和微裂紋的損傷演化規(guī)律及其對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響,重點(diǎn)是粘合劑/顆粒界面“脫濕”。目前,國(guó)內(nèi)外常用內(nèi)聚力模型(Cohesive zone model,CZM)模擬顆粒/粘合劑界面“脫濕”過(guò)程。Toulemonde等[44]通過(guò)設(shè)計(jì)不同粘合劑及固相填料的推進(jìn)劑,同時(shí)引入Cohesive單元模型描述了界面,研究了細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化過(guò)程,結(jié)果表明,考慮細(xì)觀參量的代表性單元模型能夠較好地描述顆粒填充材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的脫濕現(xiàn)象并可以獲得相應(yīng)的宏觀參量。目前,細(xì)觀力學(xué)數(shù)值仿真主要存在以下問(wèn)題:(1)細(xì)觀模型與真實(shí)推進(jìn)劑狀態(tài)不相符,主要體現(xiàn)在顆粒填充度和顆粒幾何形狀的描述上;(2)界面模型參數(shù)的選取缺乏可靠的依據(jù),通常需要基于宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行反演或借助于微觀尺度數(shù)值方法;(3)受限于計(jì)算量和計(jì)算效率,計(jì)算單元與用于驗(yàn)證的試驗(yàn)對(duì)象尺寸不相符。

此外,部分學(xué)者還開(kāi)展了界面的細(xì)觀仿真研究。王廣等[45]和李高春等[46]分別基于SEM圖片或CT重構(gòu)圖像建立了推進(jìn)劑/襯層界面的細(xì)觀數(shù)值模型,結(jié)合Cohesive單元模擬了推進(jìn)劑/襯層界面在單軸拉伸下的脫粘失效過(guò)程。

3.3 先進(jìn)數(shù)值仿真方法應(yīng)用

傳統(tǒng)有限元等數(shù)值模擬方法及相關(guān)軟件的發(fā)展為研究發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性提供了有效的工具,但在模擬材料大變形和斷裂問(wèn)題中仍然存在單元畸變、網(wǎng)格依賴(lài)性等一系列問(wèn)題。為克服上述問(wèn)題,近年來(lái),涌現(xiàn)了擴(kuò)展有限元法、邊界元法、求積元法、相場(chǎng)法及機(jī)器學(xué)習(xí)等一系列新的固體力學(xué)數(shù)值仿真方法。以下以邊界元法、相場(chǎng)法和機(jī)器學(xué)習(xí)為例介紹其在發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析和推進(jìn)劑多尺度力學(xué)仿真中的應(yīng)用及前景。

邊界元法具有精度高、適合復(fù)雜邊界形狀和降維求解等優(yōu)點(diǎn)。但在處理彈塑性問(wèn)題或大的有限變形問(wèn)題時(shí),由于需要對(duì)物體進(jìn)行區(qū)域離散,邊界元降維的優(yōu)點(diǎn)消失,因此主要適用于線彈性問(wèn)題仿真。Sun等[47]和Xu等[48]解決了等幾何邊界元法在黏彈性材料力學(xué)性能仿真中的關(guān)鍵理論問(wèn)題,并將其用于固化降溫和體力影響的仿真計(jì)算。

相場(chǎng)法目前已在復(fù)合材料的損傷與斷裂力學(xué)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有限元描述裂紋的網(wǎng)格依賴(lài)性等不足。從基本原理看,相場(chǎng)法更適合具有脆性和纖維填充特征的復(fù)合材料裂紋模擬,應(yīng)用于推進(jìn)劑尚需對(duì)黏彈性部分進(jìn)行適當(dāng)修正[49]?；诖?國(guó)外學(xué)者構(gòu)造了用于描述黏彈性材料失效過(guò)程的相場(chǎng)模型[50],并考慮了應(yīng)變率效應(yīng),較好地模擬了橡膠的微裂紋萌生、擴(kuò)展過(guò)程。該方法可望用于推進(jìn)劑的損傷與斷裂研究,為推進(jìn)劑的失效準(zhǔn)則建立提供理論支持。

隨著計(jì)算機(jī)硬件配置水平的提升,機(jī)器學(xué)習(xí)在復(fù)合材料力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中獲得了應(yīng)用,并為解決材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與多尺度模擬中的一些傳統(tǒng)難題提供了新的研究思路。Qi等[51]采用FEM及機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)了碳纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能。Ye等[52]利用FEM生成數(shù)據(jù),再用機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練后,通過(guò)材料微觀結(jié)構(gòu)圖像預(yù)測(cè)了有效楊氏模量及泊松比。Ghaderi等[53]通過(guò)結(jié)合聚合物材料力學(xué)模型及機(jī)器學(xué)習(xí)方法,將三維應(yīng)力分析簡(jiǎn)化成了一維形式,預(yù)測(cè)了應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)材料力學(xué)性能的影響。這表明,機(jī)器學(xué)習(xí)也有望在推進(jìn)劑多尺度力學(xué)模擬中得到應(yīng)用。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)無(wú)疑是最能驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估正確性和準(zhǔn)確性的手段。鑒于試驗(yàn)中可用的全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量非常有限,試驗(yàn)成本也較高,一般采用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器開(kāi)展試驗(yàn)。

以下從結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、結(jié)構(gòu)缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以及服役載荷模擬技術(shù)四方面介紹與發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)相關(guān)的技術(shù)進(jìn)展。

4.1 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)技術(shù)

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器是一種與發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)響應(yīng)相似性、尺寸更小的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。利用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器可以更為方便地獲得全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)在不同服役場(chǎng)景中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和失效特性。

目前常用的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器如圖4所示。其中,圖4(a)通常被稱(chēng)為圓管發(fā)動(dòng)機(jī),也是目前最為常用的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器,已被列入北約的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。它通過(guò)調(diào)整長(zhǎng)徑比、肉厚分?jǐn)?shù)和環(huán)境溫度來(lái)調(diào)節(jié)模擬的載荷,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、重復(fù)性好和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。圖4(b)在圖4(a)的基礎(chǔ)上做了改進(jìn),可通過(guò)內(nèi)腔中間的應(yīng)力集中區(qū)獲得更高的應(yīng)力應(yīng)變載荷,能夠更為有效地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑失效的特性。但該結(jié)構(gòu)對(duì)制作工藝的要求較高,在拔模時(shí)容易造成結(jié)構(gòu)損傷,對(duì)于模量相對(duì)較低的高能推進(jìn)劑來(lái)說(shuō)制作上存在一定的困難。圖4(c)在圖4(b)的基礎(chǔ)上又做了進(jìn)一步改進(jìn),在模擬原藥柱應(yīng)力應(yīng)變載荷的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)界面應(yīng)力集中區(qū)域的模擬,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑和界面的結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估。圖4(d)是一種與全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)相似、用于評(píng)估翼槽型藥柱的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器,與全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的載荷分布相同,但是體積更小,能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)復(fù)雜載荷的響應(yīng)。

總體而言,結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)還處于工程性經(jīng)驗(yàn)摸索階段。大多工程研究人員都是參考以上四種構(gòu)型,結(jié)合具體的發(fā)動(dòng)機(jī)研制任務(wù),開(kāi)展結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)。雖然前人基于有限元分析和相似理論等方法開(kāi)展過(guò)一些可用于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)的相似準(zhǔn)則,但目前還沒(méi)有形成理論上較為完備、工程上較為成熟的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)技術(shù)。

4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)將傳感器埋入推進(jìn)劑和界面或者布置在內(nèi)腔,以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器或者發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),從而為發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性仿真驗(yàn)證提供更為豐富的數(shù)據(jù)支持。與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法相比,結(jié)構(gòu)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是:可以借助最新的傳感技術(shù)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

結(jié)構(gòu)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外均受到高度重視,按應(yīng)用場(chǎng)景可大致分為界面監(jiān)測(cè)、內(nèi)腔監(jiān)測(cè)和推進(jìn)劑內(nèi)部監(jiān)測(cè)等(見(jiàn)圖5)。在線監(jiān)測(cè)主要著眼于獲得三方面的信息:(1)發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面受力狀態(tài);(2)長(zhǎng)期貯存所產(chǎn)生的藥柱變形及受力狀態(tài);(3)推進(jìn)劑內(nèi)部的溫度梯度及力學(xué)狀態(tài)。就需求的迫切性而言,界面和內(nèi)腔監(jiān)測(cè)更為迫切;就技術(shù)實(shí)施難度而言,內(nèi)腔監(jiān)測(cè)難度最低,推進(jìn)劑內(nèi)部監(jiān)測(cè)最高。

粘接應(yīng)力和溫度雙模傳感器(DBST)是近年來(lái)發(fā)展較為成功的一項(xiàng)界面監(jiān)測(cè)技術(shù)。美國(guó)Micron公司研制的DBST可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面的應(yīng)力和溫度的監(jiān)測(cè)。DBST功耗低,不易產(chǎn)生電火花,能精確測(cè)量溫度范圍-50 ℃至70 ℃內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力。將DBST傳感器埋入試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)工作4年后取出,經(jīng)過(guò)測(cè)試,傳感器精度仍能保持在0.5%以?xún)?nèi)。國(guó)內(nèi)相關(guān)單位也開(kāi)展了相應(yīng)的傳感器研制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證試驗(yàn)等工作。高鳴等[54]研制了一款單晶硅應(yīng)變片式粘接界面應(yīng)力傳感器,并對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了界面試件扯離試驗(yàn),證明了該系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)粘接界面應(yīng)力。

基于布拉格光柵(FBG)的光纖傳感器是近年來(lái)在界面監(jiān)測(cè)方面開(kāi)展較多的另一技術(shù)途徑[55]。FBG獲得青睞的主要原因在于:(1)光纖的體積小,對(duì)界面本身特性的影響幾乎可以忽略;(2)光纖成本低,可以大量鋪設(shè),有助于形成傳感器網(wǎng)絡(luò),可以獲得大量的數(shù)據(jù)和信息;(3)FBG的多點(diǎn)串聯(lián)特性可以大大降低傳感器網(wǎng)絡(luò)布線的難度。國(guó)內(nèi)研究者已論證將FBG光纖傳感器應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)和損傷狀況測(cè)試的可行性。Zhang等[56]對(duì)FBG光纖傳感器進(jìn)行封裝,將其埋入推進(jìn)劑/襯層界面中,驗(yàn)證了傳感器封裝和埋入方式的可行性。張燾等[57]采用增敏小球結(jié)構(gòu)有效地解決了FBG光纖傳感器與固體推進(jìn)劑的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題,大幅提升應(yīng)變測(cè)量的靈敏度和傳遞效率。目前絕大部分FBG光纖傳感器均是以石英芯光纖作為載體加工制造而成,不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的大應(yīng)變測(cè)量需求。針對(duì)該問(wèn)題,Chen等[58]采用聚合物光纖開(kāi)展了推進(jìn)劑啞鈴試件力學(xué)性能大應(yīng)變測(cè)試,初步驗(yàn)證了聚合物光纖對(duì)黏彈性固體應(yīng)變狀態(tài)的監(jiān)測(cè)能力。

圖5 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)示意圖Fig.5 Schematic of SRM grain structure monitoring

柔性傳感器具有量程大、柔韌性好和延展性強(qiáng)的特點(diǎn),能夠解決發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)變測(cè)量中的模量低、變形大和結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜等問(wèn)題,有望在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔和界面等結(jié)構(gòu)變形測(cè)量中得到應(yīng)用[59]。張松濤等[60]將柔性電容傳感器和柔性壓阻傳感器埋入推進(jìn)劑界面試件中開(kāi)展扯離試驗(yàn)和剪切試驗(yàn),結(jié)果表明柔性壓阻傳感器能夠?qū)缑娴恼龖?yīng)力進(jìn)行定量表征,而柔性電容傳感器只能對(duì)界面的剪應(yīng)力進(jìn)行定性表征。胡翰倫[61]研制了由平板電容和超彈塑性材料制成的界面應(yīng)力柔性傳感器,并應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑內(nèi)部三維應(yīng)力與藥柱應(yīng)變監(jiān)測(cè),開(kāi)展了典型運(yùn)輸與貯存環(huán)境模擬試驗(yàn),證明了傳感器的有效性。Gao等[62]制造了一種碳納米管和聚氨酯納米纖維制成的柔性傳感器,具有良好的超彈性和拉伸敏感性,目前已應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè),對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)有一定的借鑒意義。

4.3 結(jié)構(gòu)缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱在制造和服役過(guò)程中會(huì)因原材料、工藝和載荷作用等各種因素造成氣孔、裂紋和界面脫粘等結(jié)構(gòu)缺陷。無(wú)損檢測(cè)法是目前在工程中應(yīng)用較為普遍的藥柱缺陷檢測(cè)方法,可在不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損傷和失效的前提下,對(duì)藥柱內(nèi)部損傷進(jìn)行檢測(cè)。目前常用的無(wú)損檢測(cè)方法主要包括超聲波檢測(cè)和X射線檢測(cè)等。

超聲檢測(cè)是目前較為常用的界面缺陷無(wú)損檢測(cè)方法,主流的技術(shù)途徑為基于縱波的超聲脈沖反射原理。艾春安等[63]構(gòu)建了一套干耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng),能夠檢測(cè)粘接結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷,基本確定缺陷的形狀及位置。王飛等[64]研制了自動(dòng)化超聲掃描檢測(cè)系統(tǒng),解決了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體與絕熱層粘接質(zhì)量批量化檢測(cè)問(wèn)題,具有廣泛的工程推廣價(jià)值。白小平等[65]研制了基于機(jī)電阻抗頻率響應(yīng)函數(shù)方法的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng),解決了非金屬殼體超聲衰減造成的缺陷不易監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

X射線檢測(cè)中最常用的是工業(yè)CT技術(shù),能通過(guò)三維成像精確檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱內(nèi)部的細(xì)觀缺陷。隨著射線能量水平的提高,CT技術(shù)在大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。盡管存在檢測(cè)周期長(zhǎng)和檢測(cè)成本高的不足,其作用在短期內(nèi)是無(wú)法替代的。為了彌補(bǔ)工業(yè)CT檢測(cè)周期長(zhǎng)的缺陷,陳慶貴等[66]開(kāi)展了窄角扇束工業(yè)CT檢測(cè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)局部缺陷檢測(cè)研究,并對(duì)局部三維重構(gòu)的方法進(jìn)行了研究。

4.4 服役載荷模擬技術(shù)

要全面評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的結(jié)構(gòu)完整性,就需要試驗(yàn)?zāi)M發(fā)動(dòng)機(jī)各種服役場(chǎng)景下的載荷,以獲得第一手的發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)數(shù)據(jù)。通常,需要考慮的服役場(chǎng)景主要包括固化降溫、溫度循環(huán)、振動(dòng)、加速度和點(diǎn)火建壓等。除點(diǎn)火建壓外,其他工況的載荷模擬技術(shù)相對(duì)較為成熟,可以通過(guò)溫度循環(huán)、溫度沖擊以及振動(dòng)臺(tái)、公路運(yùn)輸、沖擊和跌落等方式實(shí)現(xiàn),并且已形成相關(guān)的工程試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),在此不再贅述。

點(diǎn)火沖擊模擬是服役載荷模擬技術(shù)中的難點(diǎn),近年來(lái)已取得一定的突破。Robert等[67]首次報(bào)道了采用快速冷增壓模擬點(diǎn)火建壓的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn),在大約120 ms的時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)器壓強(qiáng)可達(dá)12 MPa。王創(chuàng)歌等[68]也自行設(shè)計(jì)了冷增壓試驗(yàn)系統(tǒng),可在250 ms內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力值,并認(rèn)為藥柱兩側(cè)受力不均衡和不均勻沖擊載荷是點(diǎn)火建壓造成藥柱結(jié)構(gòu)完整性故障的直接原因。目前這種利用氣體增壓的方法可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火增壓的過(guò)程,但是在快速增壓的過(guò)程中高速流動(dòng)的氣體會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱表面產(chǎn)生摩擦,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱表面快速升溫,對(duì)于熱敏感的推進(jìn)劑來(lái)說(shuō)很有可能導(dǎo)致安全問(wèn)題。有關(guān)單位已開(kāi)始考慮搭建其他流體的冷增壓系統(tǒng),目前還沒(méi)有完整的設(shè)備可供使用。

由此可見(jiàn),發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)的研究進(jìn)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足實(shí)際工程需求,也無(wú)法為發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性仿真驗(yàn)證提供有效支持。未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)研究應(yīng)將重點(diǎn)放在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)上。前者可以有效減少試驗(yàn)成本,為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)提供更多的樣品;后者可以有效豐富單次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的數(shù)據(jù),為提升發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)響應(yīng)和失效機(jī)理認(rèn)知奠定基礎(chǔ)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,結(jié)構(gòu)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)還可以用于全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī),為未來(lái)的智能發(fā)動(dòng)機(jī)提供必要的硬件支持。

5 結(jié) 論

試驗(yàn)手段覆蓋不全、機(jī)理認(rèn)知不清和仿真結(jié)果難以驗(yàn)證是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估中目前存在的瓶頸問(wèn)題。未來(lái)的研究應(yīng)通過(guò)機(jī)理試驗(yàn)和跨尺度力學(xué)分析等科學(xué)研究提升推進(jìn)劑力學(xué)行為認(rèn)知,建立能夠覆蓋所有服役工況的推進(jìn)劑測(cè)試表征規(guī)范,通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)高精度數(shù)學(xué)模型與仿真以及更為豐富的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)手段為高性能發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研制提供支持。

下一階段應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展以下幾方面的研究:

(1)發(fā)展推進(jìn)劑及粘接界面力學(xué)特性多尺度表征和測(cè)試方法,開(kāi)發(fā)細(xì)觀損傷演化和力學(xué)特性的新測(cè)試裝置,形成對(duì)推進(jìn)劑及粘接界面力學(xué)響應(yīng)和損傷演化的內(nèi)在物理機(jī)制的試驗(yàn)認(rèn)知,建立含細(xì)觀結(jié)構(gòu)參量演化的宏觀構(gòu)效模型,為準(zhǔn)確描述推進(jìn)劑和粘接界面力學(xué)行為奠定基礎(chǔ)。

(2)發(fā)展推進(jìn)劑和粘接界面裂紋萌生和擴(kuò)展的斷裂理論模型和數(shù)值仿真方法,扭轉(zhuǎn)目前嚴(yán)重依賴(lài)試驗(yàn)的失效準(zhǔn)則獲取方法現(xiàn)狀,逐漸建立能夠適應(yīng)更多服役場(chǎng)景、由仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的失效準(zhǔn)則表征方法。

(3)發(fā)展能夠兼顧計(jì)算效率和精度的推進(jìn)劑多尺度力學(xué)行為和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真方法,開(kāi)發(fā)能夠滿足工程設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性數(shù)值仿真工具,為準(zhǔn)確描述推進(jìn)劑力學(xué)行為的物理機(jī)制和評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性提供支持。

(4)發(fā)展能夠兼顧試驗(yàn)成本、測(cè)試參量類(lèi)型和試驗(yàn)安全的發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù),聚焦結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù),為提升發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期藥柱結(jié)構(gòu)響應(yīng)和失效機(jī)理的科學(xué)認(rèn)知及全面驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性仿真的可靠性提供支持。

(5)綜合利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)字孿生等信息和智能化手段,開(kāi)發(fā)能夠有效集成仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估一體化平臺(tái),建立發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)和研制的一體化。