不同应变速率下HTPB固体推进剂低温力学性能试验研究*

王虎干

(中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)

0 引言

随着世界军事科技的发展,导弹性能不断提高,对固体火箭发动机性能的要求越来越高。如何在提高发动机性能的同时保证其安全裕度,一直是固体火箭发动机行业致力解决的问题。对于空空导弹,由于其任务复杂,使用环境恶劣,考虑到空空导弹的机载发射方式,必须避免因发动机工作异常而引发的事故,因此对发动机装药的结构完整性要求更加严格,尤其在低温条件下。

在发动机点火时,建压时间通常仅有几十毫秒,而固体推进剂在高应变速率与低应变速率下的力学性能差异较大,为构建更加接近发动机点火状态下推进剂的本构关系,国内外学者对此开展了大量的试验和理论研究。AIM120空空导弹发动机在20世纪90年代进行寿命评估时,开展了固体推进剂一系列的力学性能试验,其中在3.45 MPa环境压力下,进行了拉伸速率为2 540 mm/min的单轴拉伸试验[1]。Ho等[2-3]利用霍普金森杆的撞击试验研究了固体推进剂在应变速率高达103s-1到104s-1时的力学响应,并引进一个应力软化函数描述固体推进剂在高应变速率载荷下的损伤。卢洪义[4]对固体推进剂电弧点火延迟时间进行了仿真研究，Chyuan[5]利用有限元方法研究了发动机点火条件下装药的断裂行为,指出发动机点火压力作用下裂纹的扩展过程与准静态有明显区别,且裂纹的扩展速度是主要影响因素。Nevière等[6]采用冷流加压模拟发动机低温点火过程,对战术导弹发动机低温工作时裂纹的形成、扩展进行了试验研究。国内对高应变速率下固体推进剂的力学性能也开展了大量的研究工作。南京理工大学[7-9]利用分离式霍普金森杆对固体推进剂在冲击载荷下的力学特性及裂纹扩展进行了研究。第二炮兵工程大学[10-12]开展了固体推进剂低温条件下的单轴拉伸试验研究,低温最低至-40 ℃。

文中为研究空空导弹发动机低温点火条件下固体推进剂的力学性能,开展了-50 ℃低温,不同拉伸速率条件下的拉伸试验,并对固体推进剂力学性能与装药结构完整的相关性进行了分析。

1 试验材料及方法

文中所研究的HTPB推进剂固体颗粒(AP/Al)填充质量分数为88%。试件的有效尺寸为15 mm×5 mm×5 mm。试件采用环氧树脂胶固定在夹头上,如图1所示。试验前将推进剂试验件放置在温箱中,在-50 ℃下保温1 h,然后分别进行拉伸应变速率为0.05%·s-1、12% ·s-1和100%·s-1的拉伸试验。为考虑发动机装药内表面在低温载荷下的损伤对点火时推进剂力学性能的影响,开展了快慢组合拉伸试验。

2 试验结果及分析

2.1 固体推进剂低温拉伸应力-应变分析

图2为固体推进剂在-50℃环境下,应变速率为0.05%·s-1时的拉伸应力-应变曲线。从图2可以看出,当拉伸速率较低时,推进剂的单轴拉伸应力-应变曲线符合文献[13]中所述的3个阶段。即第一阶段:推进剂无损伤,颗粒周围真空孔数量很低,或者为零,该部分应力-应变关系近似表现为线性。第二阶段:随着载荷的继续增大,发生脱湿损伤的颗粒逐渐增多,颗粒周围真空孔的数量增加,并逐渐达到最大值。第三阶段:随着颗粒脱湿损伤继续演化,前一阶段形成的真空孔不断增大,损伤不断聚合并伴随着推进剂基体材料的损伤,最后导致推进剂断裂失效。

图3和图4分别为固体推进剂在-50℃环境下,应变速率为12%·s-1和100%·s-1时的拉伸应力-应变曲线。

从图3可以看出,当应变速率为12%·s-1时,与文献[13]中所述的3个阶段已不太符合,即在应力-应变曲线线性段后有了明显的屈服,在屈服点过后,推进剂应力随应变的增加而继续增大。该现象在应变速率为100%·s-1时进一步放大,如图4所示。该现象与文献[10]中所描述的一致,即推进剂应力-应变曲线出现“双峰”现象,温度越低、应变率越高该现象越明显,曲线特性明显区别于缓慢加载时的情况。

从图4可以看出,在A区域达到第一个峰点。在A区域之前,推进剂应力-应变曲线基本呈线性分布,在A区域至B区域之间,推进剂拉伸应力随应变的增大而明显下降,随后在C区域形成第二个峰点,即最大延伸率的位置。综合图2～图4可知,固体推进剂在低温-50℃环境下,低应变速率和高应变速率时推进剂的应力-应变曲线明显不同,说明其损伤模式有明显区别。在低应变速率固体推进剂的损伤主要以脱湿损伤为主,当损伤达到一定程度后伴随基体的断裂形成宏观裂纹[14-15]。在高应变速率下,低温和高应变速率的耦合作用使得推进剂的损伤更加复杂,是颗粒脱湿损伤,基体断裂和颗粒直接开裂3种损伤形式的综合作用[10],其损伤机理仍有待进一步研究。

2.2 模拟低温点火推进剂快慢组合拉伸试验分析

整体来看,推进剂在应变速率为100%·s-1时的最大延伸率仍在50%以上。那么在评估发动机装药结构完整性时就会存在疑问：仍采用推进剂的最大延伸率作为失效判据是否仍然合适,发动机装药在点火工况下发生断裂失效是否会发生在图4中A区域附近。考虑到发动机在低温下装药的内表面变形,在点火前装药已产生一定程度的损伤,为研究该损伤对推进剂的应力-应变曲线的影响,开展了固体推进剂快慢组合拉伸试验。以应变速率为0.05%·s-1将推进剂试验件拉伸至12%的应变水平,模拟温度载荷下推进剂的变形,在此基础上,对试验件再以100% ·s-1的应变速率进行拉伸,模拟发动机点火建压过程装药内表面的变形,试验结果如图5所示。

从图5可以看出,4个试验件的应力-应变曲线一致性较好。在高应变速率段,曲线并没有出现类似图4中所示的双峰现象,而是在线性段后直接发生断裂。在单应变速率快速拉伸情况下,固体推进剂在图4中A区域附近应力下降明显,说明在该区域推进剂有明显的损伤,但尚未形成宏观裂纹。在快慢组合拉伸试验中,慢速拉伸过程中会形成一定程度的初始损伤,两种损伤累积后超过了推进剂的承载极限,最终导致推进剂在图4中A区域附近直接发生断裂。统计图5中的最大延伸率,如表1所示。表1中的延伸率增量指的是快慢组合拉伸试验中由高应变速率部分引起的应变。

表1 图5中各曲线延伸率结果

从表1可以看出,由高应变速率引起的延伸率增量在11%左右,远低于单应变速率作用下的最大延伸率。因此,在发动机装药的结构完整性评估时,推进剂的拉伸应变速率应与发动机点火增压时装药的内表面应变速率相对应,不能仅参考推进剂常规力学性能试验测试的最大延伸率。当固体推进剂在高应变速率下的应力-应变曲线出现双峰现象时,第一个峰值的位置应重点分析。在设计固体推进剂力学性能试验时,应综合考虑发动机的载荷历程,尽量使得推进剂的力学性能试验更加接近发动机装药的真实受载过程。

3 结论

1)在低温-50 ℃下,该推进剂在低应变速率的拉伸应力-应变曲线符合复合推进剂典型的3阶段变化规律;随着应变速率的提高,推进剂应力-应变曲线的“双峰”现象越来越明显,与低应变速率下的曲线有明显差异。

2)固体推进剂的拉伸应变速率与发动机点火增压时装药内表面的应变速率应尽量相匹配,当固体推进剂的应力-应变曲线出现双峰现象时,应重点分析第一个峰值处的损伤对发动机装药结构完整性的影响。

3)在模拟发动机低温点火条件的固体推进剂快慢组合拉伸试验中,低应变速率下形成的损伤累积高应变速率下在第一个峰值附近的损伤后,使得该推进剂在高应变速率下的延伸率增量仅为11%左右,远小于常规试验中推进剂的最大延伸率。该试验更接近发动机装药的真实载荷历程,对发动机装药的结构完整性评估有较大的参考价值。