固体推进剂宽温-气体围压试验系统设计与试验

申志彬，张 亮，职世君

(1. 国防科技大学 空天科学学院，长沙 410073；2. 中国空空导弹研究院，洛阳 471000)

0 引言

固体发动机在点火增压过程中极易因结构完整性破坏导致发射或试车失败，其中固体推进剂的力学性能是关键。近年来，推进剂在常压条件下力学性能满足要求，而发动机结构完整性破坏事故频发，已成为困扰行业的一大难题。点火增压过程中，固体推进剂处于围压状态(三向受压)，但由于推进剂的不可压缩性，药柱环向为拉应变(主应变)。固体推进剂为典型的粘弹性材料，其力学性能与载荷和环境密切相关。推进剂属于压力敏感材料，在压力环境下，推进剂的强度、延伸率以及破坏模式与常压下差别很大[1]。因此，亟需开展围压环境下推进剂的力学性能研究。

针对围压环境下固体推进剂的力学性能，法国波尔多(DE Bordeaux)大学物理力学实验室Traissas等[2]通过在不同温度(-60～60 ℃)、不同拉伸(0.06～600 mm/min)和不同围压下(0～15 MPa)的单轴拉伸和剪切试验，发现围压环境明显提高了推进剂的失效应力和失效应变。法国达维纳(Davenas A)[3]在专著中总结了围压环境下推进剂的性能特点，初步分析了环境压强对推进剂性能影响的规律及原因。美国德克萨斯大学奥斯汀分校Özüpek[4]在学位论文中研究高低温(-30～50 ℃)、不同拉伸速率(0.5～500 mm/min)条件下环境压强对PBAN推进剂力学性能影响，发现围压环境对“脱湿”前推进剂力学性能影响不大，却严重影响推进剂的破坏参数。Tunc和Özüpek[5-6]研究了围压环境下推进剂三维粘弹性本构模型及其实现方式。

国内方面，航天科技四院何铁山和张劲民[7]研究常温两种拉伸速率(100 mm/min和500 mm/min)条件下环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响，发现NEPE 推进剂的抗拉强度、伸长率均随环境压强的增加而增大。王小英等[8]考虑宽温(-20～70 ℃)环境的影响，研究了不同拉伸速率(2～500 mm/min)条件下环境压强对NEPE 推进剂力学行为的影响。沙宝林等[9]进行了常温两种拉伸速率(5.0 mm/min 和50 mm/min)下推进剂的围压试验，提出了压力环境下含损伤推进剂的本构关系。南京理工大学张彬等[10]基于单轴拉伸试验机设计了油压围压试验装置，并对常温下圆柱形双基推进剂试样进行不同速率(0.1～500 mm/min)下的围压压缩试验。

为解决点火增压过程药柱结构完整性精细评估问题，围压快速拉伸条件下推进剂力学性能准确测试是关键，特别是-50 ℃低温围压环境下推进剂的力学性能对深入研究发动机在低温环境下的破坏模式具有重大意义。限于试验条件，目前温度-围压-快速拉伸耦合条件对推进剂力学性能的影响方面的研究还较少，特别是针对目前广泛使用的HTPB推进剂在围压环境下力学性能的研究还很不充分。

针对行业难题，本文考虑发动机实际使用环境，研制了固体推进剂宽温-气体围压试验系统，获得了推进剂在不同围压环境、温度和拉伸速率下的力学性能，可为固体发动机精细结构完整性分析提供技术支撑。

1 试验系统设计

1.1 系统原理

固体推进剂宽温-气体围压试验系统主要利用高压气体形成对推进剂试样进行加载的围压环境，通过对流换热方式对高压气体及推进剂试样进行温度控制，系统结构如图1所示。

系统研制过程突破单轴加载模块小型化，-50 ℃低温密封、快速加载动密封等多项关键技术，可提供0～20 MPa、-80～300 ℃范围内的围压和温度环境，单轴加载模块最高加载速率为2000 mm/min，能够满足推进剂宽温域、围压和快速加载需求。

图1 系统结构示意图

1.2 系统实现

系统的实现过程，就是将特制的小型力学试验机置于密闭的配套压力容器中，并通过定制的专用温箱对压力容器进行温度控制，与压力容器一起构成推进剂力学性能测试的宽温-气体围压试验环境。推进剂宽温-气体围压试验系统主要包括单轴加载、围压环境及温度环境三个模块，系统实物如图2所示。

图2 系统实物图

单轴加载模块为一台特制的小型力学试验机，其最大载荷为1000 N，最大加载速率为2000 mm/min，最大行程为150 mm；能够分别实现载荷、位移和速率控制加载。主要用于对试样进行单轴加载，能够开展推进剂松弛、蠕变、单向定速拉伸/压缩等试验。为克服温度漂移对载荷传感器精度的影响，测试前分别在使用温度下对传感器进行标定。

围压环境模块由定制的试验机配套压力容器、空压机、稳压罐以及压力控制和采集设备组成。使用时，先利用空压机对稳压罐进行充气储压，然后通过稳压罐对压力容器进行快速增压。

温度环境模块为定制的大功率专用温箱，可对压力容器进行快速升降温，提供推进剂试验所需要的温度环境。该温箱的调温范围为-80～300 ℃，升降温速率为1 ℃/min，能够确保在2 h内完成推进剂使用温度范围-50～70 ℃内的升降温。

2 试验方案

低温点火试验是空空导弹发动机的鉴定考核试验，发动机药柱在低温、高压联合作用下，结构完整性承受严峻的挑战，其中摸清固体推进剂在使用环境下的力学性能是关键。随着作战环境的恶化，近年来军方将固体发动机使用温度拓宽到了-50 ～70 ℃。

为摸清使用环境下，推进剂在宽温-围压环境下的力学性能，对某空空导弹用高固体含量(质量分数0.87)HTPB三组元复合推进剂进行了高低温、围压、快速加载条件下的定速拉伸试验。为了与常压条件下数据进行对比分析，试验采用标准浇注成型推进剂哑铃形试样[11]，试样尺寸和形状见图3。

(a)几何尺寸

(b)试验件

参考《GJB770B—2005火药试验方法》[11]中推进剂单向定速拉伸试验标准，根据空空导弹药柱结构完整性分析特殊需求，设计宽温-围压环境下推进剂单向定速拉伸试验方案：分别考虑70(高温)、23(常温)、-50 ℃(低温)三个温度点；100、500、1000 mm/min 三个拉伸速率；考虑0(常压0.1 MPa)、2、5、8 MPa 四种压力环境，共进行36组试验，每组平行试样4个。

3 试验结果分析

利用所研制的推进剂气体围压试验系统对推进剂进行了单向定速拉伸试验，得到了不同围压环境、不同温度和不同拉伸速率下推进剂应力-应变曲线。

3.1 压力与拉伸速率耦合影响

图4给出了常温23 ℃不同环境压力和拉伸速率条件下的推进剂应力-应变曲线。

(a)T=23 ℃，p=0 MPa

(b)T=23 ℃，p=8 MPa

由图4(a)可看出，常压环境下推进剂应力-应变曲线具有明显的“脱湿”点[12]。随着拉伸速率的增大，推进剂最大抗拉强度σm提高；与100 mm/min拉伸速率相比，500 mm/min拉伸速率下推进剂的延伸率变化不大，而1000 mm/min下推进剂延伸率明显提高。这是因为推进剂损伤的发生不仅需要达到一定的载荷，也需要一定的时间。相比慢速拉伸，推进剂在快速拉伸时，“损伤”发生较为滞后，使得推进剂强度和延伸率均有所提高。

由图4(b)可看出，围压环境下推进剂应力-应变曲线没有明显的“脱湿”点。这是因为围压环境延缓了推进剂真空孔穴的出现，抑制了颗粒“脱湿”、降低了空穴数量[8]。结合图4(a)与图4(b)，围压环境下推进剂强度提高了50%以上；100 mm/min低速拉伸条件下，推进剂延伸率与常压条件下差别不大，但当拉伸速率达到1000 mm/min时，推进剂延伸率急剧下降，下降幅度达45%左右。这与文献[7-8]NEPE推进剂在围压环境下强度和延伸率均提高的现象不同，可能与所使用的推进剂固体含量较高有关，也可能与本试验系统拉伸速率较高有关。

考虑到目前点火内压下药柱结构完整性主要采用延伸率判据[13]，为研究环境压强和拉伸速率耦合作用对推进剂延伸率的影响，图5给出了常温不同拉伸速率下环境压强对推进剂应力-应变曲线的影响曲线。

(a)T=23 ℃，v=100 mm/min

(b)T=23 ℃，v=1000 mm/min

由图5可明显看出，不同围压环境下，应力-应变曲线的初始阶段曲线基本相同，说明围压环境不影响初始模量，这与文献[8]中NEPE推进剂在围压环境下的性能类似。还可看出，常温100 mm/min低速拉伸条件下，围压环境对推进剂的延伸率影响不明显；而当拉伸速率到达1000 mm/min时，推进剂最大延伸率由常压下45%下降到8 MPa压力下的24.5%，相对降低了45%。围压快速拉伸条件下，HTPB推进剂延伸率下降显著，这可能是导致推进剂常压条件下力学性能满足要求，而点火增压过程发动机药柱结构完整性破坏频发的主要原因。

3.2 压力与温度耦合影响

推进剂是典型的粘弹性材料，温度也是影响其力学性能的一个重要因素。图6给出了低温-50 ℃不同拉伸速率下环境压力对推进剂应力-应变曲线的影响。

(a)T=-50 ℃，v=100 mm/min

(b)T=-50 ℃，v=500 mm/min

低温点火试验是发动机最严酷的使用工况。低温条件下，推进剂变硬。由图6可看出，-50 ℃条件下，推进剂强度提高，100 mm/min拉伸速率下推进剂延伸率略高，但随着拉伸速率的提高，推进剂延伸率急速下降。-50 ℃围压环境下，100 mm/min拉伸速率下推进剂延伸率都出现了明显下降；当拉伸速率达到500 mm/min时，推进剂延伸率随环境压力的升高急剧下降，推进剂最大延伸率由常压下的33.5%降至8 MPa围压环境下的10.5%，降幅达67%。这种高压强、高应变速率导致的推进剂延伸率的急剧下降可能是导致低温点火试验药柱结构完整性破坏的重要原因。

4 结论

通过对某高固体含量的HTPB三组元复合推进剂在不同温度、加载速度、环境压力下的单向定速拉伸力学性能研究，可得到如下结论：

(1)所研制的固体推进剂宽温-气体围压试验系统能够满足推进剂在不同温度、压力和拉伸速率下的力学性能测试需求，为药柱精细结构完整性评估提供数据支持。

(2)与常压不同，围压环境抑制了推进剂损伤的发生，围压环境下推进剂应力-应变曲线没有明显的“脱湿点”。

(3)围压环境提高了推进剂的强度，低速拉伸条件下推进剂延伸率变化不大，高速拉伸条件下推进剂延伸率下降明显。与常压条件相比，23 ℃常温、8 MPa围压、1000 mm/min拉伸速率条件下，推进剂最大延伸率相对降低了45%。

(4)低温快速拉伸条件下推进剂力学性能最为恶劣。-50 ℃低温、8 MPa围压、500 mm/min拉伸速率条件下，推进剂最大延伸率降至11%，相比常压降幅达67%，这可能是造成低温点火试验过程药柱结构完整性破坏的主要原因。