固體火箭發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估方法研究進(jìn)展

解紅雨，周偉勇，吳 勛，劉向陽，許可睿

(1. 中國人民解放軍96901部隊(duì)，北京 100095;2. 北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081)

0 引言

固體火箭發(fā)動機(jī)壽命評估是一項(xiàng)具有持續(xù)時間長、研究難度大、經(jīng)費(fèi)投入高、綜合效益顯著等特點(diǎn)的重大、長效工程[1]。固體火箭發(fā)動機(jī)壽命評估需要長時間跟蹤監(jiān)檢測固體火箭發(fā)動機(jī)性能變化情況，研究需持續(xù)十幾年乃至數(shù)十年。由于固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)歷貯存環(huán)境多樣，其壽命評估研究涉及基礎(chǔ)學(xué)科多、領(lǐng)域廣、技術(shù)難度大[2-4]。

固體火箭發(fā)動機(jī)狀態(tài)跟蹤監(jiān)檢測、試驗(yàn)分析技術(shù)依賴于國家工業(yè)基礎(chǔ)發(fā)展?fàn)顩r，盡管需要投入經(jīng)費(fèi)量大，但美、俄等軍事大國都投入大量人力、物力開展固體火箭發(fā)動機(jī)壽命評估工作。其主要原因是通過壽命評估研究，不僅可延長固體火箭發(fā)動機(jī)的貯存使用壽命，節(jié)省新投入巨大經(jīng)費(fèi)，更能為新型導(dǎo)彈的長壽命設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，推動國家導(dǎo)彈整體水平躍升，綜合效益顯著[1]。

本文對目前固體火箭發(fā)動機(jī)壽命評估方法相關(guān)研究情況進(jìn)行綜述，并對目前開展的壽命評估相關(guān)研究成果進(jìn)行梳理總結(jié)，提出需要進(jìn)一步解決的問題。

1 美、俄對固體火箭發(fā)動機(jī)壽命的預(yù)估方法

國外固體火箭發(fā)動機(jī)壽命評估研究方法主要有以俄羅斯(含前蘇聯(lián))為代表的分層次遞進(jìn)研究方法和以美國為代表的性能監(jiān)控分析方法[5-14]。

1.1 俄羅斯對發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估方法

俄羅斯的固體火箭發(fā)動機(jī)壽命評估研究是在摸清固體火箭發(fā)動機(jī)原材料性能參數(shù)基礎(chǔ)上，利用熱加速老化對部組件層次、發(fā)動機(jī)整機(jī)層次開展壽命評估，在每一個層次上都進(jìn)行了大量的研究。在原材料層次，俄羅斯對所有固體火箭發(fā)動機(jī)使用的材料都要求進(jìn)行大量的物性參數(shù)測試，其固體火箭發(fā)動機(jī)材料在各種環(huán)境條件下力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目完備。對于部組件的加速老化，俄羅斯主要使用熱加速老化的試驗(yàn)方法。對所有的應(yīng)用到非金屬材料的部組件，都要求測試材料的活化能，針對活化能數(shù)據(jù)確定加速壽命與實(shí)際壽命之間的函數(shù)關(guān)系，然后給定部組件的壽命。用加速老化試驗(yàn)方法可找出設(shè)計(jì)中壽命最短的結(jié)構(gòu)，而且快速海選出壽命最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

俄羅斯最有特色的壽命評估方法是整機(jī)加速老化試驗(yàn)，整機(jī)加速老化試驗(yàn)的類型有多種多樣，包括熱加速老化、氣候加速老化、應(yīng)力加速老化等多種試驗(yàn)類型。俄羅斯已經(jīng)把加速老化試驗(yàn)作為常規(guī)試驗(yàn)的一部分，在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)定型前要求必須完成整機(jī)加速老化試驗(yàn)，從而確保在定型前就能大致判斷出發(fā)動機(jī)的使用壽命。典型的做法是定型前取一批發(fā)動機(jī)，進(jìn)行加速老化試驗(yàn)；然后其中1臺發(fā)動機(jī)試車，1臺發(fā)動機(jī)分解，剩余的發(fā)動機(jī)進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)；試驗(yàn)完成后其中1臺發(fā)動機(jī)試車，1臺發(fā)動機(jī)分解，最后剩下的發(fā)動機(jī)都進(jìn)行振動、沖擊等力學(xué)試驗(yàn)；再通過試車來驗(yàn)證其工作能力[6-8]。

俄羅斯在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時非常注重從實(shí)際出發(fā)，無論熱加速老化試驗(yàn)、氣候加速老化試驗(yàn)還是應(yīng)力加速老化試驗(yàn)，都需要先了解發(fā)動機(jī)實(shí)際的貯存歷程，然后有針對性地進(jìn)行試驗(yàn)。加速老化試驗(yàn)存在兩種策略，其一是所有部組件都按照同樣的壽命期進(jìn)行加速，其二是針對壽命最短的部位進(jìn)行加速，其他部位可過老化或欠老化。在研制期間一般采用第一種策略，而在定型階段一般可采用第二種策略。

1.2 美國對發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估方法

美國對發(fā)動機(jī)的壽命研究采取了一種與俄羅斯不同的技術(shù)途徑，主要以監(jiān)控為主要技術(shù)手段。

美國對其第一代、第二代民兵固體火箭發(fā)動機(jī)實(shí)施“全面老化和監(jiān)測計(jì)劃”[9-14]，分別對全尺寸發(fā)動機(jī)、縮比發(fā)動機(jī)、部件(含方坯，藥塊)及服役發(fā)動機(jī)進(jìn)行檢測，用以評估推進(jìn)劑的貯存性能，確定其破壞模式，預(yù)估發(fā)動機(jī)的使用壽命。該計(jì)劃由四部分組成：(1)對部隊(duì)中早期服役的發(fā)動機(jī)進(jìn)行靜止試驗(yàn)；(2)對發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行試驗(yàn)，確定老化趨勢及老化參數(shù)；(3)進(jìn)行部分性能試驗(yàn)；(4)使用2 a預(yù)估壽命的方法。該計(jì)劃通過自然環(huán)境試驗(yàn)評估導(dǎo)彈貯存壽命，基于未來變化率與現(xiàn)時變化率一致，只能提前2 a進(jìn)行預(yù)報。

為提前對固體火箭發(fā)動機(jī)作出壽命預(yù)估,美國空軍決定實(shí)施“長期使用壽命分析計(jì)劃”(LRSLA)，主要包括四方面的內(nèi)容：破壞模式分析、超載試驗(yàn)、破壞概率分布和加速老化試驗(yàn)。目的是量化各種貯存壽命參數(shù)，研究失效模式，該計(jì)劃成功地使“民兵”導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)的工作壽命從原來設(shè)計(jì)的3 a一直延長到15 a，從而獲得了極大的經(jīng)濟(jì)效益。此外，美國21世紀(jì)初提出了壽命預(yù)估技術(shù)計(jì)劃，嘗試從微觀斷裂力學(xué)方面和化學(xué)與力學(xué)性能關(guān)系的角度減少發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估的不確定度[10]。

2 國內(nèi)固體火箭發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估方法進(jìn)展

固體火箭發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估的數(shù)據(jù)來源主要有自然環(huán)境試驗(yàn)和加速貯存試驗(yàn)。

自然環(huán)境試驗(yàn)是將發(fā)動機(jī)整機(jī)或其部組件、原材料置于實(shí)際貯存環(huán)境或與之相似的環(huán)境中，長期監(jiān)測或每隔一段時間檢測其性能和可靠性；自然貯存試驗(yàn)是獲取固體火箭發(fā)動機(jī)性能和可靠性隨時間變化規(guī)律的最佳途徑，試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠，但通常耗時較長[15]。

為更快得出發(fā)動機(jī)貯存壽命評估結(jié)果，滿足工程實(shí)際的需要，固體火箭發(fā)動機(jī)壽命評估中多采用材料級、部組件級、整機(jī)級加速老化試驗(yàn)方法。加速老化試驗(yàn)本質(zhì)是通過試樣在加速條件下的老化速率求出試樣在貯存條件下的老化速率。加速試驗(yàn)通過提高一方面或幾方面環(huán)境應(yīng)力方法開展試驗(yàn)，縮短試驗(yàn)時間，快速得到試驗(yàn)結(jié)果，但無法真實(shí)反映實(shí)際環(huán)境中各種環(huán)境條件綜合作用的長期累積效應(yīng)。通過加速老化得到材料級、部組件級、整機(jī)級性能和可靠性隨時間的變化規(guī)律，據(jù)此推演出貯存環(huán)境條件下發(fā)動機(jī)性能和可靠性隨時間的變化規(guī)律，評估發(fā)動機(jī)貯存壽命。

2.1 發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估方法要點(diǎn)

開展固體火箭發(fā)動機(jī)壽命評估，需要把握的方法要點(diǎn)可總結(jié)如下“一個判據(jù)，兩個模型，三個一致?！?/p>

“一個判據(jù)”，即在壽命評估中，失效判據(jù)要明確，這是進(jìn)行壽命評估的前提和基礎(chǔ)。隨著貯存時間增長，在環(huán)境應(yīng)力作用下，出現(xiàn)性能下降導(dǎo)致系統(tǒng)無法達(dá)到期望功能和可靠性的部組件稱為薄弱環(huán)節(jié)。明確失效判據(jù)，就是通過失效機(jī)理分析，找到表征薄弱環(huán)節(jié)性能的參數(shù)，確定完成系統(tǒng)期望功能的參數(shù)邊界值。失效判據(jù)的明確是評估發(fā)動機(jī)貯存壽命的前提，是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，其準(zhǔn)確性直接決定壽命評估的結(jié)果是否科學(xué)有效[15-17]。

“兩個模型”，一個是老化性能參數(shù)隨時間變化模型，即老化性能表征模型；一個是性能參數(shù)隨時間變化率與驅(qū)動應(yīng)力模型，即老化驅(qū)動模型。老化性能表征模型表示老化性能參數(shù)在貯存環(huán)境應(yīng)力作用下隨時間的變化規(guī)律，是開展壽命評估的基礎(chǔ)。其建模流程如圖1所示。通過已有貯存延壽成果和分析自然貯存信息，定位發(fā)動機(jī)薄弱環(huán)節(jié)和影響薄弱環(huán)節(jié)壽命主要環(huán)境應(yīng)力，從外觀、物理、化學(xué)、機(jī)械及其綜合方面，開展發(fā)動機(jī)薄弱環(huán)節(jié)表面和內(nèi)部微觀、細(xì)觀及宏觀結(jié)構(gòu)測試與分析，確定老化失效表征參數(shù)，建立老化參數(shù)隨時間變化表征模型。如果通過自然貯存試驗(yàn)可獲得性能表征模型的所有參數(shù)，則不需要老化驅(qū)動模型即可開展壽命預(yù)估。實(shí)際上，由于成本和時效性，很難由自然貯存試驗(yàn)完全獲得性能表征模型。因此，需要建立老化驅(qū)動模型，開展老化加速試驗(yàn)。老化驅(qū)動模型表征性能變化速率隨貯存環(huán)境應(yīng)力(老化驅(qū)動應(yīng)力)的變化規(guī)律，是開展加速試驗(yàn)的基礎(chǔ)。其建模流程如圖2所示。

圖1 性能表征模型建模

在獲得性能表征模型的基礎(chǔ)上，分析性能參數(shù)隨時間變化率與老化驅(qū)動應(yīng)力規(guī)律，建立性能變化速率與老化驅(qū)動應(yīng)力的老化驅(qū)動模型。

“三個一致”，即在進(jìn)行材料級、部組件級、整機(jī)級加速試驗(yàn)與自然貯存試驗(yàn)中，應(yīng)盡量保證“狀態(tài)一致、模型一致、參數(shù)一致”。“狀態(tài)一致”，指開展相關(guān)試驗(yàn)時，參試產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)、除加速應(yīng)力外的其他應(yīng)力(邊界條件)、應(yīng)保持一致?！澳Ｐ鸵恢隆敝搁_展相關(guān)試驗(yàn)時，獲得的試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律在要求的置信區(qū)間內(nèi)符合性能表征模型和老化驅(qū)動模型?！皡?shù)一致”指開展相關(guān)試驗(yàn)時，試驗(yàn)結(jié)果擬合得到的模型參數(shù)滿足規(guī)定的置信度要求?！叭齻€一致”的相關(guān)度直接決定通過加速試驗(yàn)開展壽命預(yù)估的置信度。在實(shí)際應(yīng)用中，由于材料級、部組件級、整機(jī)級試驗(yàn)中試件所處的邊界條件不同，因此試件所處的狀態(tài)很難完全一致，在材料級、部組件、整機(jī)級的加速老化試驗(yàn)中，要抓住主要老化驅(qū)動應(yīng)力，盡量減少次要驅(qū)動應(yīng)力的干擾。

圖2 老化驅(qū)動模型建模

圖3 “三個一致”關(guān)系

2.2 發(fā)動機(jī)失效模式

固體火箭發(fā)動機(jī)失效模式主要有功能失效、安全失效和結(jié)構(gòu)失效。功能失效主要是推進(jìn)劑燃燒性能下降導(dǎo)致內(nèi)彈道性能無法滿足使用要求。安全失效是由于發(fā)動機(jī)安全性能下降導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法滿足安全貯存要求。結(jié)構(gòu)失效是由于發(fā)動機(jī)部組件力學(xué)性能下降導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法承受使用要求的載荷。從目前認(rèn)知來看，丁羥、NEPE類推進(jìn)劑燃燒性能隨著貯存時間增長變化較小，基本滿足內(nèi)彈道性能需求。丁羥推進(jìn)劑安全性隨時間變化不大，NEPE推進(jìn)劑中的安定劑隨貯存時間增長有下降趨勢。對于丁羥推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)，主要的失效模式為結(jié)構(gòu)失效；對于NEPE推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)，主要失效模式是安全失效和結(jié)構(gòu)失效。

發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)失效主要包括噴管、燃燒室的老化和各粘接界面的脫粘。由于噴管的可更換性，可認(rèn)為固體火箭發(fā)動機(jī)壽命主要由燃燒室壽命決定，燃燒室的結(jié)構(gòu)失效主要包括藥柱、襯層、絕熱層的老化和各粘接界面的脫粘[18]。

2.3 發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估方法

目前，評估發(fā)動機(jī)的壽命時通常把藥柱的壽命作為發(fā)動機(jī)的壽命，在計(jì)算藥柱的壽命時有兩種方法：其一是研究推進(jìn)劑力學(xué)性能如延伸率、抗拉強(qiáng)度等在貯存過程中的變化規(guī)律，當(dāng)推進(jìn)劑力學(xué)性能下降到臨界值時，認(rèn)為藥柱失效；其二是把藥柱累積損傷系數(shù)作為失效判據(jù)，當(dāng)累積損傷系數(shù)大于1時認(rèn)為藥柱失效[19]。用兩種算法得到的藥柱壽命通常會不一樣，研究表明，用累積損傷法的計(jì)算結(jié)果通常會使壽命偏短，而性能法的計(jì)算結(jié)果通常會使壽命偏長，由于這個原因，國外采用累積損傷法來計(jì)算藥柱的壽命[20-21]，在對壽命進(jìn)行研究時，需要積累大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)處理時將參數(shù)分為材料參數(shù)和環(huán)境修正參數(shù)兩類，在獲得材料的性能數(shù)據(jù)后，還需要根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際歷程，用環(huán)境修正系數(shù)對壽命模型進(jìn)行進(jìn)一步的修正，因此使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較吻合。

2.3.1 藥柱

發(fā)動機(jī)藥柱推進(jìn)劑為高分子粘彈性材料，其力學(xué)性能既是時間的函數(shù)，又是溫度的函數(shù)。藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析時，多以應(yīng)力、應(yīng)變或應(yīng)變能、或累計(jì)損傷為表征參數(shù)[16,22]。

利用藥柱結(jié)構(gòu)完整性開展壽命評估時，首先建立藥柱有限元模型，計(jì)算藥柱(包括界面)在各種載荷下的應(yīng)力應(yīng)變分析；同時通過自然貯存試驗(yàn)或高溫加速試驗(yàn)等效計(jì)算，獲得推進(jìn)劑破壞應(yīng)力、延伸率、累積損傷等隨貯存時間變化規(guī)律；最后，按照應(yīng)力、應(yīng)變或應(yīng)變能最大值、累積損傷應(yīng)小于貯存后推進(jìn)劑最大應(yīng)力、應(yīng)變值、最大累積損傷為失效判據(jù)，預(yù)估發(fā)動機(jī)壽命。絕熱層、襯層與藥柱材料性質(zhì)大致相同，分析時常也作為粘彈體材料處理，用類似方法預(yù)估貯存壽命。

考慮到粘彈性材料力學(xué)性能的離散性，發(fā)動機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性研究由確定性方法研究藥柱的使用邊界，逐步擴(kuò)展到針對參數(shù)、特征量的不確定性進(jìn)行研究，以獲得發(fā)動機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性的可靠性指標(biāo)，并根據(jù)可靠性下降的趨勢來預(yù)估發(fā)動機(jī)的可靠性壽命[22]。

2.3.2 推進(jìn)劑

(1)推進(jìn)劑失效判據(jù)方面

目前，丁羥推進(jìn)劑大多以延伸率作為性能表征參數(shù)，失效判據(jù)沿用研發(fā)階段推進(jìn)劑延伸率要求作為推進(jìn)劑失效判據(jù)，未能明確延伸率指標(biāo)要求是否是發(fā)動機(jī)功能的臨界指標(biāo)。NEPE推進(jìn)劑多以安定劑含量和力學(xué)性能作為表征參數(shù)[23]，力學(xué)性能失效判據(jù)同樣沿用研發(fā)階段指標(biāo)要求，安定劑含量用降低50%的標(biāo)準(zhǔn)作為失效判據(jù)也存在較大的教條性。

(2)推進(jìn)劑壽命評估方面

目前，主要應(yīng)用高溫加速試驗(yàn)作為評估方法。對于丁羥推進(jìn)劑，多采用QJ2328A—2005《復(fù)合推進(jìn)劑高溫加速老化試驗(yàn)方法》開展高溫加速老化試驗(yàn)，獲得不同溫度下延伸率隨時間的變化曲線，然后外推至自然貯存溫度，獲得自然溫度下延伸率隨時間變化模型，再以最低延伸率要求為失效判據(jù)，預(yù)估丁羥推進(jìn)劑壽命。對于NEPE類推進(jìn)劑，常常同時采用力學(xué)性能和安定劑含量作為壽命預(yù)估的表征參數(shù)。硝酸酯的緩慢分解影響推進(jìn)劑的安全儲存，安定劑可抑制硝酸酯的自催化分解，因此采用高溫加速老化方法獲得不同溫度下安定劑變化曲線，然后外推至自然溫度，再按照安定劑最低含量作為失效判據(jù)預(yù)估其壽命。

為深入開展固體推進(jìn)劑老化機(jī)理研究，將老化過程中推進(jìn)劑的微觀、細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀力學(xué)性能建立關(guān)系，研究者們從凝膠分?jǐn)?shù)、交聯(lián)密度、“脫濕”程度等方面研究其對推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響，取得了一定的研究成果[23-25]。然而當(dāng)前研究中，不同溫度下性能表征參數(shù)老化曲線一致即認(rèn)為老化機(jī)理的一致性，未能從機(jī)理上建立微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀力學(xué)的理論依據(jù)，且研究結(jié)果普適性較差，并未在工程上得到大范圍的認(rèn)可和推廣應(yīng)用。此外，研究者也開展了一些推進(jìn)劑力-熱耦合加速試驗(yàn)研究，但是試驗(yàn)條件與自然貯存條件的一致性存在一定差異，試驗(yàn)結(jié)果的普適性有待進(jìn)一步研究。

2.3.3 粘接界面

界面粘接結(jié)構(gòu)的失效十分復(fù)雜，它是由多種老化機(jī)理相互耦合導(dǎo)致的[26-31]。在界面粘接失效的研究中，老化表征參數(shù)基本上還是選取強(qiáng)度、剛度等參數(shù)，并從這些參數(shù)的變化中尋找潛在的共性規(guī)律。但是對于推進(jìn)劑/襯層界面而言，這些參數(shù)并不能完全的反映其結(jié)構(gòu)的老化過程，容易使得最后對老化的評估以及壽命的預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)偏差，目前還沒有能夠準(zhǔn)確表征推進(jìn)劑/襯層粘接結(jié)構(gòu)性能變化的模型和方法。

2.4 預(yù)估壽命的工作重點(diǎn)

(1)發(fā)展固體發(fā)動機(jī)健康監(jiān)檢測技術(shù)，開發(fā)發(fā)動機(jī)環(huán)境、外部、內(nèi)部全面監(jiān)檢測系統(tǒng)，獲取發(fā)動機(jī)壽命評估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[32-34]。

在材料級試驗(yàn)時，試驗(yàn)室條件與發(fā)動機(jī)實(shí)際環(huán)境載荷存在諸多差異，如方坯試件與藥柱實(shí)際應(yīng)力分布存在差異、單向拉伸和藥柱實(shí)際多向受力狀態(tài)存在差異、試件自然老化與發(fā)動機(jī)藥柱在相對封閉環(huán)境老化存在差異，這些差異在加上材料本身的非均質(zhì)、載荷的不確定性，使得發(fā)動機(jī)壽命評估預(yù)估模型存在較大的不確定性。下一步研究中，應(yīng)通過環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)獲得發(fā)動機(jī)貯存、運(yùn)輸和使用中的溫濕度、加速和化學(xué)物數(shù)據(jù)，通過內(nèi)窺鏡、超聲、工業(yè)CT等外部傳感器系統(tǒng)檢測獲得發(fā)動機(jī)表觀、內(nèi)部、界面數(shù)據(jù)，同時開發(fā)新型內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、氣氛等傳感器系統(tǒng)嵌入發(fā)動機(jī)內(nèi)部，實(shí)施監(jiān)測發(fā)動機(jī)狀態(tài)，獲得發(fā)動機(jī)內(nèi)部(殼體、藥柱、界面等部位)力學(xué)、化學(xué)以及缺陷隨貯存條件變化數(shù)據(jù)。

(2)通過失效模式統(tǒng)計(jì)分析、結(jié)合監(jiān)檢測數(shù)據(jù)明確失效判據(jù)；開展失效機(jī)理研究，通過微觀理化分析、老化機(jī)理辨識、細(xì)觀分析、結(jié)合宏觀監(jiān)檢測參數(shù)，獲得發(fā)動機(jī)老化性能表征參數(shù)及老化驅(qū)動參數(shù)，建立發(fā)動機(jī)老化性能表征模型[17,25,32,35]。

進(jìn)行服役固體發(fā)動機(jī)主要失效模式統(tǒng)計(jì)分析，確定固體發(fā)動機(jī)貯存薄弱環(huán)節(jié)，利用發(fā)動機(jī)監(jiān)檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析失效邊界值，明確發(fā)動機(jī)失效判據(jù)。確定主要失效模式對應(yīng)的老化機(jī)理，辨識推進(jìn)劑或粘接面上發(fā)生的主要的老化機(jī)理，建立化學(xué)遷移/反應(yīng)模型。建立作為老化函數(shù)的化學(xué)狀態(tài)參數(shù)與非線性粘彈力學(xué)性能的細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征參數(shù)(包括高分子結(jié)構(gòu)、顆粒聚集結(jié)構(gòu)和填料-基體相合作用結(jié)構(gòu))關(guān)系式，將化學(xué)狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)參數(shù)，獲得表征發(fā)動機(jī)老化性能的關(guān)鍵參數(shù)以及老化驅(qū)動參數(shù)。利用發(fā)動機(jī)監(jiān)檢測獲得的固體發(fā)動機(jī)藥柱界面及表面的強(qiáng)度、延伸率、累積損傷等性能隨貯存條件(溫度、濕度、時間)變化數(shù)據(jù)，建立發(fā)動機(jī)老化性能表征模型。

(3)開展模擬發(fā)動機(jī)部組件、縮比發(fā)動機(jī)以及發(fā)動機(jī)整機(jī)監(jiān)檢測和加速老化試驗(yàn)，結(jié)合服役發(fā)動機(jī)自然貯存監(jiān)檢測數(shù)據(jù)，建立老化驅(qū)動模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證貯存壽命預(yù)估模型[35-37]。

開展推進(jìn)劑方坯、發(fā)動機(jī)部組件、縮比發(fā)動機(jī)、全尺寸發(fā)動機(jī)在貯存條件下的自然貯存試驗(yàn)；在自然貯存的基礎(chǔ)上，在不同自然貯存階段對推進(jìn)劑方坯、發(fā)動機(jī)部組件、縮比發(fā)動機(jī)、全尺寸發(fā)動機(jī)適時開展加速老化試驗(yàn)；橫向?qū)用嫔戏治龇脚鳌⒉拷M件、縮比發(fā)動機(jī)、全尺寸發(fā)動機(jī)老化性能表征參數(shù)以及表征參數(shù)隨時間變化差異，修正老化性能表征模型；時間層面上分析自然貯存試驗(yàn)與加速老化試驗(yàn)老化驅(qū)動模型及參數(shù)變化差異，建立老化驅(qū)動可靠度壽命預(yù)估模型；最后，利用現(xiàn)有多發(fā)自然貯存產(chǎn)品開展地面點(diǎn)火或飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證固體火箭發(fā)動機(jī)貯存壽命預(yù)估模型的準(zhǔn)確性。

3 發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估存在的問題

固體火箭發(fā)動機(jī)壽命評估工作經(jīng)過了多年攻關(guān)，基礎(chǔ)研究工作也取得了大量成果，有效指導(dǎo)了部隊(duì)固體火箭發(fā)動機(jī)延壽整修工作，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但同時也要看到，在基礎(chǔ)理論研究、老化機(jī)理和規(guī)律認(rèn)識、整機(jī)加速試驗(yàn)方法研究等方面還存在認(rèn)識不清、方法普適性不強(qiáng)、推廣應(yīng)用困難等問題。從安全使用角度，尚有如下問題急需研究解決。

(1)壽命評估對象信息不全面，無法體現(xiàn)全系統(tǒng)模型信息和全壽命履歷信息。

在固體火箭發(fā)動機(jī)貯存延壽過程中，雖然也強(qiáng)調(diào)了發(fā)動機(jī)全壽命周期載荷譜信息的采集，但無法實(shí)現(xiàn)載荷信息與貯存延壽之間的緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)/仿真環(huán)節(jié)與裝備的交付、貯存、使用環(huán)節(jié)相對脫離；尚未建成統(tǒng)一架構(gòu)、通信通暢、數(shù)據(jù)完備的武器系統(tǒng)信息體系，研制方、生產(chǎn)廠家、使用部隊(duì)之間無法共享產(chǎn)品履歷信息，發(fā)動機(jī)貯存延壽工作針對一個批次或一個型號發(fā)動機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)對單個導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)結(jié)合履歷信息的壽命評定，個體壽命評估服從于一個批次，有可能出現(xiàn)個體壽命低于批次壽命的情況，帶來發(fā)動機(jī)安全使用的隱患。

(2)壽命評估方法普適性差，整機(jī)加速老化試驗(yàn)方法和模型尚不統(tǒng)一。

發(fā)動機(jī)加速老化試驗(yàn)方法已成為共識，但加速老化試驗(yàn)溫度、加速因子和老化速率不統(tǒng)一，研究成果通用性差，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)?；诨A(chǔ)技術(shù)研究，每個型號都單獨(dú)開展整機(jī)加速老化試驗(yàn)，同直徑系列、同類型推進(jìn)劑型號發(fā)動機(jī)都分別進(jìn)行整機(jī)加速老化試驗(yàn)，甚至每一型發(fā)動機(jī)延壽的研究都需要從推進(jìn)劑、界面方坯的加速老化試驗(yàn)開始進(jìn)行。因此，亟需構(gòu)建固體火箭發(fā)動機(jī)貯存延壽綜合仿真評估系統(tǒng)，以各類非金屬材料方坯老化試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立底層材料性能老化數(shù)據(jù)庫，綜合集成各類壽命評估方法和模型，以及結(jié)構(gòu)、流場、燃燒等多學(xué)科仿真手段，結(jié)合單臺發(fā)動機(jī)在部隊(duì)使用期間的載荷履歷，實(shí)現(xiàn)對單臺發(fā)動機(jī)貯存老化性能的綜合評估。

(3)長期貯存后發(fā)動機(jī)性能評估依然延用新研產(chǎn)品指標(biāo)體系。

目前判斷貯存發(fā)動機(jī)是否合格或失效的判據(jù)仍是出廠時的性能指標(biāo)要求，而不是考慮長期貯存后的性能指標(biāo)。為保持發(fā)動機(jī)全壽命周期的可靠性，性能指標(biāo)一般都留有較大余量。隨著貯存時間的增長，發(fā)動機(jī)的性能會有所變化，可靠性會下降，甚至可能超出設(shè)計(jì)指標(biāo)，但是仍然可能滿足使用要求。因此，有必要開展貯存后性能指標(biāo)的研究工作，給出長期貯存后滿足部隊(duì)使用和可靠性要求的指標(biāo)體系，開展傷情缺陷及參數(shù)劣化條件下固體火箭發(fā)動機(jī)性能評估方法研究，為長期貯存發(fā)動機(jī)性能仿真評估提供技術(shù)支撐。

(4)貯存延壽研究數(shù)據(jù)利用分散、異構(gòu)，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃利用。

目前，發(fā)動機(jī)型號貯存延壽和基礎(chǔ)技術(shù)研究形成了大量數(shù)據(jù)和知識，這些寶貴的數(shù)據(jù)分散在各型號研制方，彼此間不能互聯(lián)互通，開展了大量重復(fù)性工作，造成人力物力資源浪費(fèi)。因此，有必要開展貯存延壽數(shù)據(jù)深度挖掘研究，將分散、離散、異構(gòu)的發(fā)動機(jī)整機(jī)、復(fù)合材料殼體、推進(jìn)劑、粘接界面、密封圈等貯存延壽數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，建立集成化數(shù)據(jù)模型，開展固體火箭發(fā)動機(jī)貯存壽命關(guān)鍵影響因素分析、潛在關(guān)聯(lián)分析、時序模式分析以及失效模式預(yù)測，提出面向?qū)ο蟮幕旌现R庫，構(gòu)建基于知識工程的發(fā)動機(jī)壽命評估系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

固體火箭發(fā)動機(jī)壽命是決定導(dǎo)彈壽命的主要因素，但其壽命預(yù)估是一個世界性難題，科學(xué)評估發(fā)動機(jī)壽命是保證固體導(dǎo)彈最大程度發(fā)揮效能和安全使用的前提。我國在固體發(fā)動機(jī)壽命評估工作取得了初步成果，但尚不能滿足固體發(fā)動機(jī)壽命評估時效性和精確性的迫切需求。隨著大量固體火箭發(fā)動機(jī)即將到壽，未來工作中，應(yīng)加大投入，統(tǒng)籌布局。一方面充分利用現(xiàn)有貯存延壽數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，拓展利用新技術(shù)對固體發(fā)動機(jī)開展健康監(jiān)檢測工作，建立發(fā)動機(jī)壽命評估數(shù)據(jù)庫；一方面深入開展發(fā)動機(jī)老化機(jī)理研究，對比建立材料級、部組件級、整機(jī)級加速試驗(yàn)以及自然貯存試驗(yàn)差異化模型，明確失效判據(jù)，完善壽命預(yù)估模型。