某固体发动机推进剂加速老化及自然贮存解剖试验研究①

王虎干, 职世君, 曹付齐, 李秋菊

(1.中国空空导弹研究院，洛阳 471000; 2.航空制导武器航空科技重点实验室, 洛阳 471000)

0 引言

如何精确地评估固体火箭发动机的使用寿命，一直是国内致力于研究并迫切希望解决的问题。在发动机的长期贮存过程中，非金属材料尤其是固体推进剂的老化，会导致发动机装药力学性能随贮存年限的增加逐渐下降[1]。为保证发动机在服役期间安全可靠的点火工作，需要明确地提出发动机的使用贮存期限。由于固体发动机装药配方种类繁多，载荷历史复杂，寿命评估涉及多学科领域，技术难度较大，国内外对此均已持续开展了多年的研究工作。目前，寿命评估方法大致可分为三类，即发动机真实贮存环境下的监检测评估方法研究、整机加速老化评估方法研究和基于老化模型的评估方法研究。美国在导弹服役后，通常会准备一定数量的发动机同期开展寿命监检测试验。比如，在20世纪60年代，对各类导弹发动机实施了全面老化和监测计划。70年代初，为适应“民兵”导弹将要停止生产的局面，扩大发动机使用寿命的预测能力，又执行了长期使用寿命分析计划[2-6]。国内海军航空工程大学、火箭军研究院等研究机构均开展过类似的研究工作[7-11]。

开展发动机全面老化与监测计划和长期使用寿命分析计划耗时较长，耗资巨大。为了在设计阶段就能对固体火箭发动机寿命进行准确地预估，许多国家采用实验室加速老化的方法。比如，意大利的“阿斯派德”导弹发动机，俄罗斯的S300导弹发动机均做过类似的试验。美国在其军用规范MIL-R-23139B中也有类似的规定和要求[12-13]。国内中国空空导弹研究院也开展了大量的整机加速老化寿命评估研究工作[14]。

北约航天研究与发展专家组曾在瑞典举行“固体推进系统使用寿命”专题会议，全面总结了当前固体火箭发动机寿命预估的技术发展。以标志固体火箭发动机使用寿命的指标参数(如推进剂质量、化学稳定性、活化能、空穴率、凝胶含量、最大延伸率等)为研究对象，研究了这些指标参数随时间的变化规律，结合装药的结构完整性分析来预估发动机装药的贮存寿命。目前，许多科研机构均是以该方法为主，希望细化推进剂老化模型、减少非线性本构方程的不确定性，从而提高固体火箭发动机寿命预估的准确度[15-20]。

本文针对某发动机装药的寿命评估需求，通过开展固体推进剂高温加速老化试验和整机自然贮存解剖试验，对比了高温加速老化和自然贮存的差异，并分析了目前存在的问题，为发动机装药寿命评估提供参考依据。

1 高温加速老化试验

某发动机装药为四组元丁羟推进剂，固体含量为86%。根据QJ 2328—1992《复合固体推进剂贮存老化试验方法》中有关规定，开展高温加速老化试验。试验条件：

(1)高温加速老化温度分别为50、60、75和85 ℃；

(2)力学性能测试温度分别为55、23、-45 ℃，高温拉伸速率2 mm/min，常温和低温拉伸速率100 mm/min。

固体推进剂老化数学模型采用：

P=P0e-Kt

(1)

式中P为某一时刻的性能；P0为常数；K为与温度有关的性能变化速度常数；t为老化时间；e为自然对数的底。

在不同的加速老化温度和时间内，将固体推进剂试验件取出，分别测试推进剂在高温(55 ℃)、常温(23 ℃)和低温(-45 ℃)下的力学性能。把各贮存温度下测得的推进剂最大延伸率εm数据用最小二乘法，按lnεm=lnε0-Kt进行线性回归处理，如图1所示。

(a) 50 ℃ (c) 60 ℃

假设性能变化速率常数K与热力学温度T满足阿累尼沃斯方程：

K=Ze-E/RT

(2)

式中K为与温度有关的性能变化速度常数；Z为频率因子；E为表观活化能，J/mol；R为摩尔气体常数，J/(K·mol)；T为热力学温度，K。

利用最小二乘法，按lnK=a+b/T进行回归分析，回归结果如图2和表1所示。

图2 固体推进剂老化速率常数线性回归

表1 固体推进剂老化速率线性回归方程

根据表1中数据，可得出该固体推进剂在23 ℃环境中长期贮存时，其高温、常温和低温下的最大延伸率老化速率常数分别为

K高温=e(24.106-9640.244/296)=2.114×10-4

K常温=e(23.678-9510.604/296)=2.134×10-4

K低温=e(25.894-10332.318/296)=1.219×10-4

从不同温度下的最大延伸率老化速率常数可看出，固体推进剂在该温度长期贮存老化过程中，常温和高温下的老化速率常数基本一致，即最大延伸率的下降幅度大致相同，大于固体推进剂在低温下最大延伸率的下降幅度。由试验数据可知，该固体推进剂最大延伸率在高温(+55 ℃)、常温(+23 ℃)和低温(-45 ℃)下的初始值分别为50.34%、47.23%和48.78%。因此，根据式(1)可得出在23 ℃长期贮存过程中，该推进剂不同使用环境温度下的最大延伸率随老化时间的变化，如图3所示。

图3 常温(23 ℃)贮存过程中推进剂 最大延伸率随贮存时间的变化

2 长期贮存发动机解剖试验

某发动机已自然贮存13 a，对其进行解剖后研究推进剂老化后的性能变化。将发动机置于车床上，沿轴向分为两半，如图4所示。然后，将装药挖出，切块，再进行力学性能测试，如图5所示。

图4 发动机解剖

图5 发动机中获取的固体推进剂

对该固体推进剂在高温、常温和低温下的力学性能进行测试，拉伸应力-应变曲线如图6所示。从图6中可看出，该发动机装药自然贮存13 a后，其常温、高温和低温下的最大延伸率由初始值50.34%、47.23%和48.78%分别下降到了22.13%、34.6%和28.94%。从曲线上来看，高温时推进剂应力-应变曲线的线性段较长，说明高温下推进剂脱湿损伤的应变阈值仍较大，常温次之，低温最小。

(a)55 ℃ (b) 23 ℃ (c) -45 ℃

对比固体推进剂高温加速老化和自然贮存解剖的试验结果，如图7所示。从图中可看出，高温加速等效老化时间为13 a时，该推进剂的延伸率低于自然贮存解剖推进剂的延伸率。说明对于该推进剂，高温加速老化试验相较于常温自然贮存条件可能更加严苛。

图7 高温加速老化及自然贮存试验结果对比

3 问题探讨

该发动机固体推进剂高温加速老化试验和自然贮存老化后的力学性能测试均采用的是常规拉伸速率。试验结果显示了该推进剂老化后的一些性能变化规律，但在研究中也发现常规拉速下的测试结果存在一定的局限性。对于空空导弹发动机，使用温度更加宽泛，尤其对低温条件下的装药结构完整性要求较高，因此十分关注固体推进剂老化后的低温力学性能[21]。例如，图8为另外一台发动机装药解剖后，低温-45 ℃条件下测得的推进剂应力-应变曲线，该发动机已自然贮存15 a。

从图8中可看出，有两条曲线的应力最大值均出现在该推进剂的“脱湿”损伤拐点位置。对应的最大延伸率分别为10.13%和9.05%，断裂延伸率分别为30.79%和26.98%。其他两条曲线的最大延伸率为22.99%和22.80%，如表2所示。如果仍根据该拉伸速率下的推进剂最大延伸率进行评判，就会给该发动机的寿命评估造成困扰。将复合固体推进剂在常规拉速下的典型拉伸曲线分为三个阶段，如图9所示[22]。

图8 低温-45 ℃固体推进剂应力-应变曲线(老化15 a)

表2 固体推进剂延伸率测试结果(老化15 a)

图9 固体推进剂典型应力-应变曲线

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。

由前面的试验结果可知，在低温-45 ℃条件下，该推进剂产生“脱湿”损伤的应变阈值较高温和常温条件下的阈值更小。推进剂在第三阶段的曲线斜率更低，即应变增大的同时应力增长幅度较小，说明在低温下推进剂脱湿损伤后，颗粒与基体之间的界面强度急剧下降。因此，低温常规拉速下测试的推进剂应力-应变曲线A，在推进剂老化后可能会出现曲线B和C的形状，如图10所示。相较与曲线A，曲线B的“脱湿”损伤阈值更小，第三阶段的曲线斜率更低，但曲线A和B的抗拉强度和最大延伸率基本相当。那就存在如何评判这两种固体推进剂性能优劣的问题，会对该推进剂的性能评判造成困扰。在发动机研制阶段对推进剂选型时，同样也会遇到类似的问题。

图10 固体推进剂不同应力-应变曲线示意图

图10中所示推进剂性能的优劣难以评价主要是因为曲线的非线性强，涉及参数多，单一的参数很难准确地反映推进剂的真实性能。为使得测试条件更接近发动机的点火工作环境，中国空空导弹研究院与国防科技大学合作，开展了某固体推进剂的围压单轴拉伸试验，试验设备如图11所示。

图11 围压拉伸试验系统

试验结果表明，在围压载荷作用下，推进剂的“脱湿”损伤明显得到抑制，推进剂的应力-应变曲线更加接近线性，且压力载荷越高，推进剂拉伸曲线的线性越明显，如图12所示。因此，如果在发动机装药的寿命评估研究中，除了开展推进剂常规拉速下的测试外，增加围压单轴拉伸测试，可能会有助于对推进剂老化后性能的评判，更有利于对发动机的寿命进行量化评估。

图12 围压对固体推进剂应力-应变曲线的影响

4 结论

(1)该固体推进剂在高温加速老化和长期自然贮存后，最大延伸率均明显下降，发动机自然贮存13 a后推进剂的延伸率略优于高温加速老化等效13 a的试验结果。

(2)采用常规拉伸速率下测试推进剂老化后的性能存在一定局限性，低温环境下尤甚。该拉速下的应力-应变曲线非线性强，涉及参数多，单一的参数很难准确反映推进剂的真实性能。在该发动机整机自然贮存15 a的解剖试验中，推进剂低温-45 ℃的最大延伸率出现在了“脱湿”损伤的拐点位置，增加了对推进剂老化性能评判的不确定性。

(3)围压载荷单轴拉伸试验更接近发动机点火工作环境，固体推进剂的应力-应变曲线线性特征更加明显。因此，在发动机装药的寿命评估研究中，可适当考虑增加推进剂的围压力学性能测试，有利于对固体推进剂老化后性能的评判和发动机寿命的量化评估。