固体火箭发动机贮存中装药裂纹故障及原因分析

王建朝 石玮玮 李彦丽/ 国营洛阳丹城无线电厂 航天科工集团第六研究院四十六研究所

0 引言

国内外资料表明，固体发动机贮存中的故障模式主要包括界面脱粘、药柱性能降低和药柱裂纹。在多个型号发动机的贮存性能和延寿研究中发现，最常见的故障模式是界面脱粘、药柱性能降低，有关贮存中药柱出现裂纹的故障模式却未见报道。有裂纹的发动机在点火发射时燃面增大，导致发动机压力增加，致使内弹道性能改变，若裂纹失稳扩展，则导致发动机发生窜火或爆炸等灾难性事故，因此发动机药柱裂纹是限制发动机使用的典型故障模式。

在某型导弹固体火箭发动机延寿研究工作中，发现用于延寿的试验样品中有1 发固体火箭发动机装药出现裂纹，而其他样品结构完好。为查明原因，消除装备中存在的安全隐患，制定了专项研究计划。

1 裂纹故障发动机的情况

在某型导弹固体火箭发动机延寿研究工作中，为了检查延寿发动机药柱结构是否完好，利用450kV 工业CT 对发动机药柱进行探伤，该装置用450kV 小焦点X 射线管作为射线源，采用多阵列线阵、面阵探测器，能够完成等效钢厚度45mm 结构件的CT 成像、DR 成像及X 射线照相法检测。

在对不同贮存时间的8 发发动机进行探伤检查的过程中，发现1 发发动机药柱有裂纹，其他7 发发动机药柱无异常。图1 给出了裂纹发动机的CT 扫描照片。

从DR 成像看不出裂纹的存在（左图），而由CT（右图）则可以看出，装药的5 个星孔中的4 个星孔的星槽都出现了裂纹，4 条发动机装药裂纹全部出现在星孔的星根部位，而且是曲率最大部位，即应力最集中的部位。裂纹中最长的达600mm，裂纹最深达 8mm。

2 发动机装药裂纹分析

图1 问题发动机CT照片

装药裂纹的出现对延寿工作的进行有较大的影响。为查明原因，对装药裂纹发动机进行解剖，对产生的裂纹进行观察与测试；并挖取推进剂进行力学性能测试，以对裂纹的特性和裂纹产生的原因进行分析。

2.1 装药裂纹发动机的解剖

为分析发动机装药裂纹的状况和推测裂纹产生的原因，对装药裂纹发动机进行了解剖。图2 为解剖后发动机的装药端面和星槽中的裂纹。从解剖后的发动机可清晰看到药柱表面的裂纹。表1给出了裂纹的位置和长度。

研究结果表明，药柱裂纹有如下特点：

1）出现在发动机药柱应力集中部位。

2）裂纹的深度较浅。

4）裂纹处仍有粘合剂相连。

5）通过观察或DR 探伤来发现隐性裂纹相对较为困难。

2.2 装药发动机中推进剂性能测试

为了分析裂纹产生原因，分别解剖了贮存4 年、10 年的发动机，以及和贮存11 年同批次未产生裂纹的装药发动机。利用从装药发动机中取下的装药芯瓣，沿发动机轴向切药，加工推进剂力学性能测试用试样。测试结果显示推进剂的力学性能在不同部位的差异不大。表2 给出了不同年限发动机药柱推进剂性能比较。

从表2 可以看出：

1）贮存4 年的装药发动机的推进剂常温伸长率大于70%，高温伸长率大于50%，低温力学性能伸长率为35%，表明其有较好的初始力学性 能。

2）贮存10 年的装药发动机推进剂的高温、常温力学性能与贮存4 年的装药发动机中推进剂性能较为接近，表明其具有较好的贮存性能。

3）贮存11 年的无裂纹发动机的装药干燥前后性能差异较大。

图2 解剖后发动机药柱端面和星槽中的裂纹

表1 装药裂纹的位置和长度

表2 不同年限发动机药柱推进剂性能比较

图3 装药发动机中4年和11年推进剂拉伸曲线

4）出现裂纹的装药发动机中的推进剂性能远远低于无裂纹装药发动机中推进剂性能。

图3 给出贮存4 年和贮存11 年装药发动机中推进剂的拉伸曲线。

由图3 可知，贮存4 年发动机中推进剂拉伸曲线正常，而11 年发动机中推进剂存在着明显的脱湿现象。由此说明，发动机药柱在经过了11年的贮存后，不仅存在着化学老化，还存在着由于湿度影响造成的物理老化，这两种老化造成了推进剂常温、高温、低温力学性能的大幅度降低，这种性能的下降有可能使发动机药柱出现损伤。表3 给出了贮存4 年发动机中推进剂在75%RH 湿度环境中贮存后的试验结果。从表3 的结果看出，湿度的存在将大大降低发动机中推进剂的力学性能。

对比出现裂纹的同批次发动机药柱，尚未出现裂纹发动机中推进剂的性能下降（见表2），与初始推进剂相比，其强度和伸长率都明显下降，而对推进剂进行干燥处理后，其强度和伸长率又都明显回升，这是受湿气影响丁羟推进剂的特征。这个试验结果表明，研究的该批次发动机中的推进剂曾经受到湿气影响。本次发现的发动机裂纹的产生和湿气的影响有关。

2.3 发动机裂纹情况普查

为消除发动机贮存中的安全隐患并分析裂纹产生的原因，对多个批次的数百发发动机进行普查，包括外观检测、DR 探伤和CT 探伤。普查结果表明，DR 探伤无异常而CT 探伤发现的除与裂纹发动机同批次发动机药柱有问题外，其他批次发动机药柱无异常，结构完好。

在对20 发同批次的裂纹发动机进行普查时发现，发动机完好率仅为30%。裂纹深度在3 ～13mm 之间，裂纹产生的位置与故障发动机药柱裂纹位置相似，由此看来，该故障发动机药柱裂纹的产生不是一个偶然事 件。

2.4 发动机结构完整性分析

用ANSYS 有限元分析程序计算发动机药柱结构在温度载荷、内压载荷、加速度载荷作用下的药柱结构完整性。根据计算结果可知，药柱的最大等效应变为14.8%，表4 给出了贮存11 年裂纹发动机药柱不同部分的性能，很明显地看出药柱的最大等效应变已经大于发动机药柱的伸长率，这也就是药柱推进剂出现裂纹的主要原因之一。

2.5 发动机低温贮存、环境试验和试车

为考核发动机的结构完整性，将贮存了10 年的发动机在低温（-55℃）下贮存3 天，然后进行探伤。探伤结果表明发动机结构完好。低温贮存后的发动机试车也取得了成功。

对其中1 发发动机加速老化后，进行冲击、振动、温度冲击后试车也都获得了成功。

2.6 发动机药柱裂纹原因分析

通过对裂纹发动机的解剖、药柱性能测试、发动机裂纹情况普查、结构完整性分析和低温贮存、试车等，表明：

表3 湿度对贮存4年的推进剂力学性能的影响

表4 贮存11年裂纹发动机药柱性能

1）不同年份生产的数百发发动机探伤的结果中，裂纹只发生在贮存11年产发动机上。

2）贮存4 年、贮存10 年和贮存11年的发动机挖药性能测试中，贮存11年的发动机推进剂的力学性能很差。

3）贮存10 年的1 发发动机经过3天的低温贮存后试车，以及加速老化后发动机经过冲击、振动、温度冲击后试车，都获得了成功。

由此认为，贮存11 年装药发动机裂纹是批次问题造成的。

3 结论

1）裂纹在发动机探伤中DR 数字成像不易被检测出，计算机断层扫描（CT）技术可以检测出装药的裂纹。

2）贮存11 年装药发动机推进剂性能下降非常大，说明裂纹与推进剂贮存中性能的变化有关；根据研究经验，这种降低规律很可能与湿气的影响、产品的质量、贮存时间等有关。

3）贮存11 年发动机装药裂纹是该批次发动机装药性能下降引起的，属于批次性质量问题。

4）长寿命产品不仅是设计出来的，还要靠生产制造过程的保证，只有严把生产制造过程中的质量关，才能减少批次间的差异，避免由于批次差异造成发动机出现故障的几率。