某固體火箭發(fā)動機裝藥加速老化試驗與貯存壽命預測

曹付齊+劉志成+李小換

摘要：為了研究某固體火箭發(fā)動機裝藥的貯存壽命，采用加速老化試驗的方法，分別考核了某固體火箭發(fā)動機裝藥推進劑和殼體/絕熱層/襯層/推進劑界面在四個老化溫度下性能隨老化時間變化的趨勢。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著老化時間延長，推進劑強度升高，最大伸長率下降，而界面剪切強度老化初期升高，老化后期下降的趨勢較為明顯。但是，無論在哪種老化溫度下，界面剪切強度都高于技術指標要求。由此得出推進劑是影響該發(fā)動機裝藥貯存壽命的關鍵因素，按照標準規(guī)定的方法對試驗結(jié)果進行了處理，預測該發(fā)動機裝藥在25℃下的貯存壽命為13.7年。

關鍵詞：固體火箭發(fā)動機；裝藥；貯存壽命；老化

中圖分類號：TJ763文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2014）04-0058-04

0引言

固體火箭發(fā)動機裝備部隊后面臨的一個重要問題是其貯存壽命問題，準確預估其貯存壽命可以避免提前退役帶來的浪費，以及過期服役所帶來的喪失作戰(zhàn)能力甚至威脅自身安全的嚴重后果[1-2]。因此，進行發(fā)動機壽命預估具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)達國家非常注重固體火箭發(fā)動機貯存壽命的研究，美國制定了長期使用壽命分析（LongRangeServiceLifeAnalysis，LRSLA）計劃，該計劃主要依靠全尺寸發(fā)動機貯存試驗和解剖，但這種大規(guī)模的全彈貯存、監(jiān)測方法耗費巨大。目前我國固體火箭發(fā)動機貯存壽命預估大多采用經(jīng)驗估計與少量貯存產(chǎn)品定期點火試車相結(jié)合的概略估計方法。

國內(nèi)外的研究表明，發(fā)動機壽命的薄弱環(huán)節(jié)是其裝藥的壽命。采用加速老化試驗法預測發(fā)動機裝藥貯存壽命的方法，是一種快速試驗方法，能為預估發(fā)動機貯存壽命提供一定的參考[3]。

研究同時表明，決定發(fā)動機貯存壽命的主要因素有兩個：一個是發(fā)動機裝藥中推進劑藥柱的壽命，另一個是殼體/絕熱層/襯層/推進劑等界面的壽命。

發(fā)動機中裝藥在長期貯存過程中老化的主要表現(xiàn)形式是力學性能的變化，包括兩種形式：一是推進劑藥柱力學性能隨老化時間延長發(fā)生變化，一般是最大拉伸強度增加而最大伸長率下降；另一種是裝藥各界面力學性能發(fā)生變化，一般表現(xiàn)為界面粘接強度隨老化時間延長而下降。因此，本文選用推進劑最大伸長率和界面剪切強度作為老化性能參數(shù)，在50℃、60℃、70℃和80℃，4個老化溫度下分別考察了推進劑最大伸長率和殼體/絕熱層/襯層/推進劑聯(lián)合試驗件界面剪切強度隨老化時間的變化趨勢，并預測了該發(fā)動機裝藥在正常使用溫度下的貯存壽命，可以為預估發(fā)動機的貯存壽命提供參考。

1數(shù)據(jù)處理方法與原理

1.1數(shù)據(jù)處理原理

貯存老化試驗數(shù)據(jù)符合統(tǒng)計計算原則，即總體服從正態(tài)分布，各觀察值相互獨立。加速老化試驗期間，某些性能指標的變化與時間、溫度存在一定的相關關系，可以找到一個與其相適應的老化數(shù)學模型方程。性能變化的速率常數(shù)與溫度的關系，服從阿累尼沃斯方程。

1.2數(shù)據(jù)處理方法

按照QJ2328A—2005《復合固體推進劑貯存老化試驗方法》規(guī)定[4]，從標準推薦的線性模型、指數(shù)模型和對數(shù)模型三個老化數(shù)學模型中選擇一個模型，利用求得的相關系數(shù)進行相關性檢驗，若相關性成立，則說明選擇的模型是正確的，并按QJ2328A—2005推薦的數(shù)據(jù)處理方法進行試驗數(shù)據(jù)處理。

2試驗測試條件與試驗件

2.1試驗測試條件

加速老化溫度分別為50℃、60℃、70℃、80℃。加速老化試驗在電熱水浴烘箱中進行，烘箱的溫度波動不超過±1℃。

采用INSTRON5567拉伸機進行力學性能測試，測試溫度為（25±2）℃，測試參數(shù)包括推進劑最大拉伸強度、最大伸長率和殼體/絕熱層/襯層/推進劑聯(lián)合試驗件界面剪切強度。

2.2試驗件

推進劑為丁羥推進劑，絕熱層為丁羥基厚漿涂料，襯層為丁羥襯層。

用于加速老化試驗的推進劑方坯尺寸為120mm×130mm×10mm，性能測試為單向拉伸啞鈴形試樣。

用于加速老化試驗的界面試驗件為鋼/絕熱層/襯層/推進劑聯(lián)合試驗件，按照標準QJ2038.2—1991《固體火箭發(fā)動機燃燒室界面粘接強度測試方法》（剪切法）進行試驗件制作并測試[5]。

3試驗數(shù)據(jù)

表1～4給出了推進劑加速老化試驗結(jié)果，表5給出了聯(lián)合試驗件剪切強度測試結(jié)果。

4.2界面老化數(shù)據(jù)分析與討論

由表5中試驗數(shù)據(jù)可以看出：

（1）在老化的初期，界面粘接強度隨老化時間的增加有上升的趨勢，原因可能有兩點：一是粘結(jié)試件是手工制作的，與人工操作的技巧和經(jīng)驗關系很大，具有一定的隨機性；二是試件初期可能固化的不完全，隨高溫老化溫度和時間的增加，會出現(xiàn)后固化現(xiàn)象，導致粘結(jié)強度增加。

（2）在老化的后期，70℃、60℃、50℃下剪切強度隨老化時間的增加，有下降的趨勢，尤其是50℃下剪切強度下降趨勢比較明顯，符合一般老化規(guī)律。但是，無論在哪種溫度下老化，粘結(jié)強度都明顯高于標準技術指標（≥0.60MPa）要求。僅從剪切強度考慮，殼體/絕熱層/襯層/藥柱界面剪切強度要達到技術指標要求的強度極限（0.60MPa）之下需要的時間都很長。因此表明，界面失效比推進劑藥柱失效時間要長，界面不是該發(fā)動機裝藥壽命的薄弱環(huán)節(jié)。

5結(jié)論

經(jīng)過對某發(fā)動機裝藥推進劑和界面進行4個溫度下的加速老化試驗，可以得出如下結(jié)論：

a.隨著老化時間的延長，推進劑強度逐漸上升，伸長率逐漸下降，符合推進劑老化的一般規(guī)律；

b.以推進劑老化后最大伸長率下降10%作為老化極限指標，預測該推進劑在25℃下的貯存壽命為13.7年；

c.該發(fā)動機裝藥粘結(jié)界面老化后，剪切強度高于技術指標要求，表明界面不是裝藥壽命的薄弱環(huán)節(jié)。endprint

摘要：為了研究某固體火箭發(fā)動機裝藥的貯存壽命，采用加速老化試驗的方法，分別考核了某固體火箭發(fā)動機裝藥推進劑和殼體/絕熱層/襯層/推進劑界面在四個老化溫度下性能隨老化時間變化的趨勢。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著老化時間延長，推進劑強度升高，最大伸長率下降，而界面剪切強度老化初期升高，老化后期下降的趨勢較為明顯。但是，無論在哪種老化溫度下，界面剪切強度都高于技術指標要求。由此得出推進劑是影響該發(fā)動機裝藥貯存壽命的關鍵因素，按照標準規(guī)定的方法對試驗結(jié)果進行了處理，預測該發(fā)動機裝藥在25℃下的貯存壽命為13.7年。

關鍵詞：固體火箭發(fā)動機；裝藥；貯存壽命；老化

中圖分類號：TJ763文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2014）04-0058-04

0引言

固體火箭發(fā)動機裝備部隊后面臨的一個重要問題是其貯存壽命問題，準確預估其貯存壽命可以避免提前退役帶來的浪費，以及過期服役所帶來的喪失作戰(zhàn)能力甚至威脅自身安全的嚴重后果[1-2]。因此，進行發(fā)動機壽命預估具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)達國家非常注重固體火箭發(fā)動機貯存壽命的研究，美國制定了長期使用壽命分析（LongRangeServiceLifeAnalysis，LRSLA）計劃，該計劃主要依靠全尺寸發(fā)動機貯存試驗和解剖，但這種大規(guī)模的全彈貯存、監(jiān)測方法耗費巨大。目前我國固體火箭發(fā)動機貯存壽命預估大多采用經(jīng)驗估計與少量貯存產(chǎn)品定期點火試車相結(jié)合的概略估計方法。

國內(nèi)外的研究表明，發(fā)動機壽命的薄弱環(huán)節(jié)是其裝藥的壽命。采用加速老化試驗法預測發(fā)動機裝藥貯存壽命的方法，是一種快速試驗方法，能為預估發(fā)動機貯存壽命提供一定的參考[3]。

研究同時表明，決定發(fā)動機貯存壽命的主要因素有兩個：一個是發(fā)動機裝藥中推進劑藥柱的壽命，另一個是殼體/絕熱層/襯層/推進劑等界面的壽命。

發(fā)動機中裝藥在長期貯存過程中老化的主要表現(xiàn)形式是力學性能的變化，包括兩種形式：一是推進劑藥柱力學性能隨老化時間延長發(fā)生變化，一般是最大拉伸強度增加而最大伸長率下降；另一種是裝藥各界面力學性能發(fā)生變化，一般表現(xiàn)為界面粘接強度隨老化時間延長而下降。因此，本文選用推進劑最大伸長率和界面剪切強度作為老化性能參數(shù)，在50℃、60℃、70℃和80℃，4個老化溫度下分別考察了推進劑最大伸長率和殼體/絕熱層/襯層/推進劑聯(lián)合試驗件界面剪切強度隨老化時間的變化趨勢，并預測了該發(fā)動機裝藥在正常使用溫度下的貯存壽命，可以為預估發(fā)動機的貯存壽命提供參考。

1數(shù)據(jù)處理方法與原理

1.1數(shù)據(jù)處理原理

貯存老化試驗數(shù)據(jù)符合統(tǒng)計計算原則，即總體服從正態(tài)分布，各觀察值相互獨立。加速老化試驗期間，某些性能指標的變化與時間、溫度存在一定的相關關系，可以找到一個與其相適應的老化數(shù)學模型方程。性能變化的速率常數(shù)與溫度的關系，服從阿累尼沃斯方程。

1.2數(shù)據(jù)處理方法

按照QJ2328A—2005《復合固體推進劑貯存老化試驗方法》規(guī)定[4]，從標準推薦的線性模型、指數(shù)模型和對數(shù)模型三個老化數(shù)學模型中選擇一個模型，利用求得的相關系數(shù)進行相關性檢驗，若相關性成立，則說明選擇的模型是正確的，并按QJ2328A—2005推薦的數(shù)據(jù)處理方法進行試驗數(shù)據(jù)處理。

2試驗測試條件與試驗件

2.1試驗測試條件

加速老化溫度分別為50℃、60℃、70℃、80℃。加速老化試驗在電熱水浴烘箱中進行，烘箱的溫度波動不超過±1℃。

采用INSTRON5567拉伸機進行力學性能測試，測試溫度為（25±2）℃，測試參數(shù)包括推進劑最大拉伸強度、最大伸長率和殼體/絕熱層/襯層/推進劑聯(lián)合試驗件界面剪切強度。

2.2試驗件

推進劑為丁羥推進劑，絕熱層為丁羥基厚漿涂料，襯層為丁羥襯層。

用于加速老化試驗的推進劑方坯尺寸為120mm×130mm×10mm，性能測試為單向拉伸啞鈴形試樣。

用于加速老化試驗的界面試驗件為鋼/絕熱層/襯層/推進劑聯(lián)合試驗件，按照標準QJ2038.2—1991《固體火箭發(fā)動機燃燒室界面粘接強度測試方法》（剪切法）進行試驗件制作并測試[5]。

3試驗數(shù)據(jù)

表1～4給出了推進劑加速老化試驗結(jié)果，表5給出了聯(lián)合試驗件剪切強度測試結(jié)果。

4.2界面老化數(shù)據(jù)分析與討論

由表5中試驗數(shù)據(jù)可以看出：

（1）在老化的初期，界面粘接強度隨老化時間的增加有上升的趨勢，原因可能有兩點：一是粘結(jié)試件是手工制作的，與人工操作的技巧和經(jīng)驗關系很大，具有一定的隨機性；二是試件初期可能固化的不完全，隨高溫老化溫度和時間的增加，會出現(xiàn)后固化現(xiàn)象，導致粘結(jié)強度增加。

（2）在老化的后期，70℃、60℃、50℃下剪切強度隨老化時間的增加，有下降的趨勢，尤其是50℃下剪切強度下降趨勢比較明顯，符合一般老化規(guī)律。但是，無論在哪種溫度下老化，粘結(jié)強度都明顯高于標準技術指標（≥0.60MPa）要求。僅從剪切強度考慮，殼體/絕熱層/襯層/藥柱界面剪切強度要達到技術指標要求的強度極限（0.60MPa）之下需要的時間都很長。因此表明，界面失效比推進劑藥柱失效時間要長，界面不是該發(fā)動機裝藥壽命的薄弱環(huán)節(jié)。

5結(jié)論

經(jīng)過對某發(fā)動機裝藥推進劑和界面進行4個溫度下的加速老化試驗，可以得出如下結(jié)論：

a.隨著老化時間的延長，推進劑強度逐漸上升，伸長率逐漸下降，符合推進劑老化的一般規(guī)律；

b.以推進劑老化后最大伸長率下降10%作為老化極限指標，預測該推進劑在25℃下的貯存壽命為13.7年；

c.該發(fā)動機裝藥粘結(jié)界面老化后，剪切強度高于技術指標要求，表明界面不是裝藥壽命的薄弱環(huán)節(jié)。endprint

摘要：為了研究某固體火箭發(fā)動機裝藥的貯存壽命，采用加速老化試驗的方法，分別考核了某固體火箭發(fā)動機裝藥推進劑和殼體/絕熱層/襯層/推進劑界面在四個老化溫度下性能隨老化時間變化的趨勢。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著老化時間延長，推進劑強度升高，最大伸長率下降，而界面剪切強度老化初期升高，老化后期下降的趨勢較為明顯。但是，無論在哪種老化溫度下，界面剪切強度都高于技術指標要求。由此得出推進劑是影響該發(fā)動機裝藥貯存壽命的關鍵因素，按照標準規(guī)定的方法對試驗結(jié)果進行了處理，預測該發(fā)動機裝藥在25℃下的貯存壽命為13.7年。

關鍵詞：固體火箭發(fā)動機；裝藥；貯存壽命；老化

中圖分類號：TJ763文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2014）04-0058-04

0引言

固體火箭發(fā)動機裝備部隊后面臨的一個重要問題是其貯存壽命問題，準確預估其貯存壽命可以避免提前退役帶來的浪費，以及過期服役所帶來的喪失作戰(zhàn)能力甚至威脅自身安全的嚴重后果[1-2]。因此，進行發(fā)動機壽命預估具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)達國家非常注重固體火箭發(fā)動機貯存壽命的研究，美國制定了長期使用壽命分析（LongRangeServiceLifeAnalysis，LRSLA）計劃，該計劃主要依靠全尺寸發(fā)動機貯存試驗和解剖，但這種大規(guī)模的全彈貯存、監(jiān)測方法耗費巨大。目前我國固體火箭發(fā)動機貯存壽命預估大多采用經(jīng)驗估計與少量貯存產(chǎn)品定期點火試車相結(jié)合的概略估計方法。

國內(nèi)外的研究表明，發(fā)動機壽命的薄弱環(huán)節(jié)是其裝藥的壽命。采用加速老化試驗法預測發(fā)動機裝藥貯存壽命的方法，是一種快速試驗方法，能為預估發(fā)動機貯存壽命提供一定的參考[3]。

研究同時表明，決定發(fā)動機貯存壽命的主要因素有兩個：一個是發(fā)動機裝藥中推進劑藥柱的壽命，另一個是殼體/絕熱層/襯層/推進劑等界面的壽命。

發(fā)動機中裝藥在長期貯存過程中老化的主要表現(xiàn)形式是力學性能的變化，包括兩種形式：一是推進劑藥柱力學性能隨老化時間延長發(fā)生變化，一般是最大拉伸強度增加而最大伸長率下降；另一種是裝藥各界面力學性能發(fā)生變化，一般表現(xiàn)為界面粘接強度隨老化時間延長而下降。因此，本文選用推進劑最大伸長率和界面剪切強度作為老化性能參數(shù)，在50℃、60℃、70℃和80℃，4個老化溫度下分別考察了推進劑最大伸長率和殼體/絕熱層/襯層/推進劑聯(lián)合試驗件界面剪切強度隨老化時間的變化趨勢，并預測了該發(fā)動機裝藥在正常使用溫度下的貯存壽命，可以為預估發(fā)動機的貯存壽命提供參考。

1數(shù)據(jù)處理方法與原理

1.1數(shù)據(jù)處理原理

貯存老化試驗數(shù)據(jù)符合統(tǒng)計計算原則，即總體服從正態(tài)分布，各觀察值相互獨立。加速老化試驗期間，某些性能指標的變化與時間、溫度存在一定的相關關系，可以找到一個與其相適應的老化數(shù)學模型方程。性能變化的速率常數(shù)與溫度的關系，服從阿累尼沃斯方程。

1.2數(shù)據(jù)處理方法

按照QJ2328A—2005《復合固體推進劑貯存老化試驗方法》規(guī)定[4]，從標準推薦的線性模型、指數(shù)模型和對數(shù)模型三個老化數(shù)學模型中選擇一個模型，利用求得的相關系數(shù)進行相關性檢驗，若相關性成立，則說明選擇的模型是正確的，并按QJ2328A—2005推薦的數(shù)據(jù)處理方法進行試驗數(shù)據(jù)處理。

2試驗測試條件與試驗件

2.1試驗測試條件

加速老化溫度分別為50℃、60℃、70℃、80℃。加速老化試驗在電熱水浴烘箱中進行，烘箱的溫度波動不超過±1℃。

采用INSTRON5567拉伸機進行力學性能測試，測試溫度為（25±2）℃，測試參數(shù)包括推進劑最大拉伸強度、最大伸長率和殼體/絕熱層/襯層/推進劑聯(lián)合試驗件界面剪切強度。

2.2試驗件

推進劑為丁羥推進劑，絕熱層為丁羥基厚漿涂料，襯層為丁羥襯層。

用于加速老化試驗的推進劑方坯尺寸為120mm×130mm×10mm，性能測試為單向拉伸啞鈴形試樣。

用于加速老化試驗的界面試驗件為鋼/絕熱層/襯層/推進劑聯(lián)合試驗件，按照標準QJ2038.2—1991《固體火箭發(fā)動機燃燒室界面粘接強度測試方法》（剪切法）進行試驗件制作并測試[5]。

3試驗數(shù)據(jù)

表1～4給出了推進劑加速老化試驗結(jié)果，表5給出了聯(lián)合試驗件剪切強度測試結(jié)果。

4.2界面老化數(shù)據(jù)分析與討論

由表5中試驗數(shù)據(jù)可以看出：

（1）在老化的初期，界面粘接強度隨老化時間的增加有上升的趨勢，原因可能有兩點：一是粘結(jié)試件是手工制作的，與人工操作的技巧和經(jīng)驗關系很大，具有一定的隨機性；二是試件初期可能固化的不完全，隨高溫老化溫度和時間的增加，會出現(xiàn)后固化現(xiàn)象，導致粘結(jié)強度增加。

（2）在老化的后期，70℃、60℃、50℃下剪切強度隨老化時間的增加，有下降的趨勢，尤其是50℃下剪切強度下降趨勢比較明顯，符合一般老化規(guī)律。但是，無論在哪種溫度下老化，粘結(jié)強度都明顯高于標準技術指標（≥0.60MPa）要求。僅從剪切強度考慮，殼體/絕熱層/襯層/藥柱界面剪切強度要達到技術指標要求的強度極限（0.60MPa）之下需要的時間都很長。因此表明，界面失效比推進劑藥柱失效時間要長，界面不是該發(fā)動機裝藥壽命的薄弱環(huán)節(jié)。

5結(jié)論

經(jīng)過對某發(fā)動機裝藥推進劑和界面進行4個溫度下的加速老化試驗，可以得出如下結(jié)論：

a.隨著老化時間的延長，推進劑強度逐漸上升，伸長率逐漸下降，符合推進劑老化的一般規(guī)律；

b.以推進劑老化后最大伸長率下降10%作為老化極限指標，預測該推進劑在25℃下的貯存壽命為13.7年；

c.該發(fā)動機裝藥粘結(jié)界面老化后，剪切強度高于技術指標要求，表明界面不是裝藥壽命的薄弱環(huán)節(jié)。endprint