固體推進劑藥漿流平性對發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響

王虎干，職世君，曹軍偉，強洪夫

(1. 中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471000；2. 航空制導(dǎo)武器航空科技重點實驗室，洛陽 471000；3. 火箭軍工程大學(xué)，西安 710025)

0 引言

復(fù)合固體推進劑是一種多相體(基體、增強相、界面相等)復(fù)合材料。該類型推進劑具有較良好的力學(xué)性能，燃燒穩(wěn)定，因此在導(dǎo)彈和宇航火箭發(fā)動機中被廣泛應(yīng)用。常采用貼壁澆注成型工藝，藥柱澆注質(zhì)量與澆注工藝密切相關(guān)。其中，藥漿的流平性是固體推進劑工藝性能中的一個關(guān)鍵參數(shù)。藥漿流平性是指藥漿離開澆注插管端口或花板噴孔至充滿發(fā)動機空間并淌平過程中的藥漿特性，該參數(shù)是獲得無缺陷高質(zhì)量藥柱的關(guān)鍵判據(jù)[1]。

為控制推進劑的流平特性，提高裝藥的澆注質(zhì)量，國內(nèi)外開展了大量的研究工作。在配方方面，氧化劑、金屬顆粒、固化劑、增塑劑、燃速添加劑以及鍵合劑等功能助劑對推進的流平性都有影響。研究發(fā)現(xiàn)合理的AP級配，相比單一粒徑的AP，藥漿粘度、屈服值、假塑性等均顯著下降[2-3]。Al顆粒通常為球形，密度較大且分散于AP顆粒間，減弱了AP顆粒間的聚集作用，“滾珠軸承”作用明顯，可改善HTPB推進劑藥漿流平性能[4]。Jawalkar等[5]研究了增塑劑含量對HTPB推進劑藥漿流平性的影響，認為增塑劑不僅降低藥漿粘度和屈服值，而且對—NCO、—OH基團具有一定的屏蔽作用，降低了混合后期固化反應(yīng)速度，延長了適用期。Rodic 等[6]研究了系列功能助劑對丁羥推進劑流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)燃速催化劑Fe2O3/CuCrO4會顯著提高藥漿初始粘度，同時催化固化反應(yīng)的進行，使藥漿粘度迅速上升，縮短藥漿適用期；而TC(四環(huán)素)能夠與Fe2O3/CuCrO4形成絡(luò)合物，降低藥漿粘度，延長適用期。此外，藥漿的混合溫度，使用時間及澆注方式等工藝參數(shù)都會影響藥漿的流平性[7-10]。

綜上所述，這些研究工作都是為避免藥柱內(nèi)部有孔洞和裂縫等缺陷，從而提高裝藥澆注質(zhì)量及產(chǎn)品合格率。發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)完整性方面，在計算方法、本構(gòu)方程、失效準則等方面，開展了大量的研究[11-13]，但對于流平性較差的藥漿對固體推進劑力學(xué)性能及裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響尚鮮有報道。本文主要對藥漿長時間放置后流平性變差所引起的推進劑力學(xué)性能及對裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響進行研究。

1 藥漿放置時間對推進劑性能的影響

1.1 推進劑流平性試驗

將推進劑藥漿放置不同時間后進行流平性試驗，如圖1所示。

(a)1 h (b)2 h (c)4 h (d)5 h

從圖1可看出，藥漿放置1 h后澆注的藥面亮、平，流平儀中藥漿占據(jù)了約3/4的空間；藥漿放置2 h后藥面的光潔度有所降低，藥漿流動性尚可，藥漿仍占據(jù)流平儀約3/4的空間；藥漿放置4 h后藥面表明略顯粗糙，藥漿占據(jù)流平儀的空間明顯下降；藥漿放置5 h后，藥面有條痕堆積，藥漿僅占據(jù)流平儀約1/2的空間，流平性明顯變差。可見，隨著藥漿放置時間的增加，該固體推進劑粘度增大，導(dǎo)致流平性越來越差，試驗結(jié)果與文獻[1]中隨著推進劑屈服強度的增大所表現(xiàn)的現(xiàn)象一致。

1.2 宏觀力學(xué)性能試驗

考慮到藥漿長時間放置后流平性變差，可能會影響推進劑的宏觀力學(xué)性能，進而影響裝藥的結(jié)構(gòu)完整性。因此，對藥漿放置不同時間后澆注的方坯開展了推進劑單軸拉伸試驗。

試驗條件如下：(1)高溫70 ℃，拉伸速率2 mm/min；(2)低溫-55 ℃，拉伸速率500 mm/min。

試驗結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 高溫70 ℃和2 mm/min拉速下推進劑力學(xué)性能

圖3 低溫-55 ℃和500 mm/min拉速下推進劑力學(xué)性能

由圖2和圖3可見，藥漿放置不同時間后測試的推進劑抗拉強度和最大延伸率沒有明顯規(guī)律，波動較小。結(jié)合以往的試驗數(shù)據(jù)，認為圖2和圖3的測試結(jié)果在以往測試結(jié)果的包絡(luò)之內(nèi)?？梢?，隨著藥漿放置時間的增加，雖然藥漿粘度不斷增大，流平性變差，但澆注的方坯在單軸拉伸試驗中，并沒有表現(xiàn)出相應(yīng)的差異。

1.3 微CT掃描試驗

為進一步研究藥漿長時間存放后對推進劑力學(xué)性能的影響，從細觀尺度出發(fā)，通過微CT掃描試驗對推進劑的微結(jié)構(gòu)特征進行了研究。微CT掃描試驗設(shè)備如圖4所示。固體推進劑試樣大小為5 mm×5 mm×5 mm，如圖5所示。

圖4 微CT掃描試驗設(shè)備

分別在藥漿放置1、4、5.5 h后澆注的推進劑方坯中取樣，并進行微CT掃描試驗。圖6為推進劑試樣的切片形貌和微孔隙分布。從圖6可清晰分辨出AP顆粒的分布。

統(tǒng)計固體推進劑試樣微CT掃描切片的孔隙率分布，并進行均勻化處理，得到試樣的平均孔隙率，如表1所示。從表1可看出，隨著藥漿放置時間的增加，固體推進劑的孔隙率明顯增大，由1 h的2.65‰增加到5.5 h的7.97‰。根據(jù)微CT掃描測試結(jié)果可知，推進劑的孔隙率增加量在千分位變化，且增加的孔隙在推進劑中均勻分布。在推進劑基體相和界面相的性能沒有明顯變化的情況下，千分位孔隙率的變化在單軸拉伸試驗中很難體現(xiàn)。因此，在圖2和圖3的試驗結(jié)果并沒有明顯差異。

圖5 固體推進劑試樣

(a)1 h試樣切片形貌 (b)4 h試樣切片形貌 (c)5.5 h試樣切片形貌

(d)1 h試樣微孔隙分布 (e)4 h試樣微孔隙分布 (f)5.5 h試樣微孔隙分布

表1 固體推進劑試樣孔隙率測試結(jié)果

分析固體推進劑隨著藥漿放置時間的增加孔隙率增大的原因，認為主要是因為該推進劑固含量較高，固體顆粒排列緊密，顆粒之間縫隙較小，當(dāng)藥漿的流平性較差時，在澆注發(fā)動機裝藥的過程中會導(dǎo)致顆粒之間丁羥膠無法完整填充的小縫隙增多。此外，若藥漿粘度較大，在藥漿流動過程中重新包裹大顆粒時，在大顆粒表面附近也易產(chǎn)生極小的孔隙。這些微孔隙隨著藥漿粘度的增大而增多，從而導(dǎo)致推進劑的孔隙率增大。

2 孔隙率對裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響

固體推進劑孔隙率的增大會影響推進劑的抗壓能力，從而可能導(dǎo)致在發(fā)動機點火工況下裝藥的內(nèi)表面變形增大，降低發(fā)動機的點火安全欲度?？紤]到點火工況下發(fā)動機裝藥的結(jié)構(gòu)完整性精確評估需要開展大量的基礎(chǔ)性試驗，本文主要采用固體推進劑線粘彈性本構(gòu)方程對該問題進行定性分析，并結(jié)合某發(fā)動機的低溫點火試驗進行說明。

2.1 泊松比和孔隙率的關(guān)系

假設(shè)固體推進劑為各向同性材料，微孔洞在推進劑內(nèi)均勻分布，從細觀尺度上認為，推進劑由若干個含1個微孔洞的立方體組成，取其中1個立方體為代表性體積單元進行分析，單元的孔隙率與推進劑相等。固體推進劑為時域相關(guān)性材料，在受載時，其松弛模量為隨時間變化的函數(shù)。參考文獻[14]，考慮到發(fā)動機點火建壓過程非常短暫，即在受載的瞬間，可將推進劑作為彈性體求解。由于推進劑孔隙率較小，所以不考慮孔隙間的相互影響和微孔隙內(nèi)部壓強，可得泊松比和孔隙率的關(guān)系式：

(1)

式中E0為固體推進劑的瞬時模量；Km0、νm0分別為固體推進劑基體的瞬時體積模量和瞬時泊松比；q為固體推進劑的孔隙率。

從式(1)中可看出，變量主要為固體推進劑的孔隙率q，因此式(1)可簡化為泊松比ν與孔隙率q相關(guān)的線性關(guān)系式。

ν=A-Bq

(2)

式中A為孔隙率為0時的初始泊松比；B為線性系數(shù)。

2.2 裝藥結(jié)構(gòu)完整性計算及分析

從式(2)中可看出，固體推進劑的瞬時泊松比與孔隙率呈線性關(guān)系。假設(shè)藥漿放置1 h后澆注的推進劑泊松比ν=0.498為初始泊松比。以ν=0.498時發(fā)動機低溫-50 ℃點火壓力作用下裝藥的體積為基準參量，計算不同泊松比時裝藥的體積相對變化。發(fā)動機裝藥網(wǎng)格模型如圖7所示，圖8為泊松比ν=0.498時發(fā)動機在低溫-50 ℃環(huán)境下以及在該環(huán)境中點火工況下裝藥的最大主應(yīng)變分布。

圖7 發(fā)動機裝藥網(wǎng)格模型

(a)降溫至-50 ℃時的應(yīng)變

(b)低溫-50 ℃點火時的累積應(yīng)變

從圖8可看出，裝藥最大主應(yīng)變位于過渡段，在低溫-50 ℃溫度載荷下裝藥最大主應(yīng)變?yōu)?.874%，疊加點火壓力載荷后裝藥最大主應(yīng)變?yōu)?8.71%，點火壓力引起的應(yīng)變增量為8.836%。

對不同泊松比條件下的裝藥結(jié)構(gòu)完整性進行計算，并統(tǒng)計點火壓力作用下不同泊松比裝藥的相對體積變化，如圖9所示。根據(jù)式(2)對圖9中的數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合優(yōu)度R2=0.999 9，說明數(shù)據(jù)完全符合線性分布，擬合結(jié)果如式(3)所示。

ν=0.498-0.22807ΔV/V

(3)

根據(jù)文獻[15]中的試驗結(jié)果，推進劑在圍壓載荷作用下，其初始體積的變化主要由推進劑孔隙率引起，在孔隙消除后，推進劑體積變化和壓力呈線性關(guān)系。因此，在固體推進劑組分沒有變化時，可認為發(fā)動機點火工況下藥柱體積變形的相對增量與推進劑孔隙率的相對變化量相等。將表1中的藥漿放置4 h和5.5 h的推進劑孔隙率相對增量代入到式(3)中，可得到相應(yīng)的泊松比，分別為0.497 1和0.496 8。根據(jù)該數(shù)值對裝藥低溫點火工況下的結(jié)構(gòu)完整性進行計算，計算結(jié)果如圖10和圖11所示。

從圖10、圖11可看出，在低溫-50 ℃載荷下，藥漿放置1、4、5.5 h后裝藥最大應(yīng)變值分別為9.874%、9.745%和9.702%，差異較小。在點火壓力載荷下引起的裝藥最大應(yīng)變分別為8.836%、11.015%和11.738%。藥漿放置4 h和5.5 h后澆注的發(fā)動機裝藥最大應(yīng)變較初始狀態(tài)增加比例為24.66%和32.84%，即點火安全欲度相應(yīng)下降了0.246 6和0.328 4。

根據(jù)以上分析，對某故障發(fā)動機裝藥澆注工藝進行了優(yōu)化，隨后多臺發(fā)動機均成功通過了低溫-50 ℃點火試驗的考核。

圖9 點火壓力作用下不同泊松比裝藥的相對體積變化

圖10 低溫-50 ℃裝藥最大主應(yīng)變隨泊松比的變化

圖11 低溫-50 ℃點火壓力下裝藥應(yīng)變增量隨泊松比的變化

3 結(jié)論

(1)在澆注過程中，隨著推進劑藥漿放置時間的增加，推進劑流平性逐漸變差。對于該固體推進劑，在藥漿放置5.5 h后，藥面有明顯的條痕堆積，表面粗糙，且在單軸拉伸試驗中難以體現(xiàn)出流平性對推進劑力學(xué)性能的影響。

(2)通過固體推進劑微CT掃描試驗發(fā)現(xiàn)，隨著推進劑藥漿放置時間的增加，澆注的推進劑方坯孔隙率逐漸增大。該推進劑藥漿放置4 h和5.5 h后推進劑的孔隙率比藥漿放置1 h后的推進劑孔隙率分別增加3.97‰和5.32‰。

(3)固體推進劑孔隙率的變化直接影響發(fā)動機裝藥的抗壓能力，在計算參數(shù)上主要體現(xiàn)在泊松比的變化。計算結(jié)果表明，在低溫-50 ℃載荷下固體推進劑孔隙率的變化對裝藥的最大主應(yīng)變影響較小；在低溫-50 ℃點火壓力載荷下，該推進劑藥漿放置4 h和5.5 h后澆注的發(fā)動機裝藥，點火安全欲度相應(yīng)下降了0.246 6和0.328 4。