劉 暢,王哲君,強(qiáng)洪夫,徐衛(wèi)昌,韓奎俠
(1. 火箭軍士官學(xué)校,青州 262500;2. 火箭軍工程大學(xué),西安 710025)
目前軍事科技發(fā)展日新月異,導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中武器裝備重要組成部分,對其戰(zhàn)術(shù)性能要求也不斷提高,尤其是針對強(qiáng)環(huán)境下導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的安全工作的可靠性變得十分重要。自1980年開始,國內(nèi)外開展戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的研發(fā)過程時(shí),不斷發(fā)生固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(Solid rocket motor, SRM)在低溫?zé)嵩囓嚂r(shí)發(fā)生爆炸事故[1-4],而低溫條件下點(diǎn)火瞬態(tài)推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性的失穩(wěn)是導(dǎo)致戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM事故的重要起因[5-6]。目前,國內(nèi)外所發(fā)射的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈所采用燃料大多都是經(jīng)不同時(shí)間的貯存老化后的推進(jìn)劑[7-8]。綜上,研究貯存老化后戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM固體推進(jìn)劑在低溫條件點(diǎn)火瞬態(tài)結(jié)構(gòu)完整性是導(dǎo)彈武器發(fā)展進(jìn)步中亟待完成的任務(wù)。
國內(nèi)外研究指出,點(diǎn)火瞬態(tài)條件下,固體推進(jìn)劑藥柱安全系數(shù)較低的部位往往是內(nèi)孔表面[9-10]。D’Andrea等[11]研究表明,點(diǎn)火瞬態(tài)推進(jìn)劑內(nèi)孔表面成近似雙向拉伸加載。因此,為更好研究固體推進(jìn)劑的結(jié)構(gòu)完整性,就需要對雙向拉伸條件下推進(jìn)劑的力學(xué)性能和細(xì)觀損傷開展實(shí)驗(yàn)。張麗華等[12]通過利用自主設(shè)計(jì)的試驗(yàn)夾具,成功在準(zhǔn)靜態(tài)單軸試驗(yàn)機(jī)上開展了固體推進(jìn)劑的雙軸拉伸試驗(yàn),驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的可行性并發(fā)現(xiàn)了推進(jìn)劑的力學(xué)各向異性。強(qiáng)洪夫等[13]通過減小十字形推進(jìn)劑中部的厚度,將固體推進(jìn)劑加載在低速雙軸拉伸開展試驗(yàn)。賈永剛等[14]在原推進(jìn)劑十字件的拉伸臂段開槽開展低速雙向拉伸試驗(yàn),通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)推進(jìn)劑在雙軸拉伸影響下力學(xué)性能發(fā)生改變。Jalocha[15]通過將雙向連接區(qū)域半徑增大的推進(jìn)劑加載在低速雙向拉伸機(jī)開展實(shí)驗(yàn),得出在一定應(yīng)變時(shí)雙向拉伸加載下對推進(jìn)劑非線性黏彈性的影響。但這些已開展的研究主要集中于不同溫度條件下應(yīng)變率小于1 s-1的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸加載時(shí),固體推進(jìn)劑力學(xué)性能隨溫度和應(yīng)變率的變化情況。目前幾乎未開展在低溫環(huán)境下高速拉伸對固體推進(jìn)劑的研究,特別是當(dāng)溫度與拉伸速度共同作用時(shí)單一因素對固體推進(jìn)劑影響的分析。目前,文獻(xiàn)[16-17]通過對常溫和低溫準(zhǔn)靜態(tài)加載下固體推進(jìn)劑拉/壓強(qiáng)度比進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),推進(jìn)劑在不同溫度條件下更容易因?yàn)槔旒虞d而失效。但文獻(xiàn)[18-21]提出固體推進(jìn)劑的性能對分析真實(shí)低溫點(diǎn)火條件下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM藥柱的結(jié)構(gòu)完整性具有更重要的作用。綜上,開展低溫條件下固體推進(jìn)劑的高速拉伸試驗(yàn)可以為分析低溫環(huán)境時(shí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間結(jié)構(gòu)完整性提供數(shù)據(jù)支持。
王志存[22]通過分析計(jì)算發(fā)現(xiàn),利用板條試驗(yàn)件可近似實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑應(yīng)力比為1∶2的雙軸拉伸。結(jié)合板條試驗(yàn)件以及新型單軸高性能試驗(yàn)機(jī),文獻(xiàn)[23-24]首次開展了未老化HTPB推進(jìn)劑的動(dòng)態(tài)(1~102s-1)準(zhǔn)雙軸拉伸試驗(yàn),但針對該加載狀態(tài)下推進(jìn)劑的老化性能還未進(jìn)行研究。因此,在上述研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展熱加速老化后HTPB推進(jìn)劑的準(zhǔn)雙軸拉伸試驗(yàn),分析熱加速老化時(shí)間、溫度以及應(yīng)變率對推進(jìn)劑宏觀力學(xué)性能的影響規(guī)律。同時(shí),針對拉伸斷面開展掃描電鏡(Scanning electron microscope, SEM)觀察試驗(yàn),分析不同條件下推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷等細(xì)觀性能變化,進(jìn)而深入討論宏觀力學(xué)性能的變化。
以典型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM用固體顆粒(AP/Al)填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)88%的三組元端羥基聚丁二烯(Hydroxyl-terminated polybutadience, HTPB)推進(jìn)劑為研究對象,根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]的試驗(yàn)方法制作板條試驗(yàn)件。為縮短試驗(yàn)周期,采用高溫?zé)峒铀倮匣椒ㄑ芯块L期貯存后HTPB推進(jìn)劑的老化性能。參考GJB770B-2005《火藥試驗(yàn)方法》,將板條試驗(yàn)件放入防爆油浴烘箱,進(jìn)行油浴70 ℃熱加速老化0 d、32 d、74 d和98 d處理。熱加速老化后,開展25 ℃、-30 ℃和-50 ℃以及0.0152 m/s、0.038 m/s、0.152 m/s和0.543 m/s(應(yīng)變率分別為0.40 s-1、1.00 s-1、4.00 s-1和14.29 s-1)條件下的拉伸試驗(yàn)。-30 ℃和-50 ℃條件下拉伸試驗(yàn)前,對推進(jìn)劑進(jìn)行低溫冷凍24 h。試驗(yàn)件與試驗(yàn)機(jī)的連接如圖1所示,拉伸過程與單軸拉伸時(shí)相類似[25]。
圖1 試驗(yàn)件與試驗(yàn)機(jī)裝配圖Fig.1 HTPB propellant sample with the testing machine INSTRON VHS 160/100-20 in place
板條試驗(yàn)件拉伸時(shí),沿外載荷方向(或豎直方向)對推進(jìn)劑部分直接施加拉伸應(yīng)力。同時(shí),由于上下支撐板限制了推進(jìn)劑部分沿水平方向收縮,則在水平方向?qū)ν七M(jìn)劑施加第二拉伸應(yīng)力,最終實(shí)現(xiàn)雙軸拉伸。板條試驗(yàn)件拉伸過程中,其中心區(qū)域的受力狀態(tài)與點(diǎn)火建壓等載荷下固體推進(jìn)劑藥柱中部內(nèi)孔表面相似。因此,基于板條試驗(yàn)件獲得的低溫動(dòng)態(tài)準(zhǔn)雙軸加載下固體推進(jìn)劑的老化性能,更能直接真實(shí)反映長期貯存后SRM藥柱在低溫點(diǎn)火條件下的受力狀態(tài)和失效行為,并有助于對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性分析。其次,板條試驗(yàn)件形狀相較十字形試驗(yàn)件更簡單,且無需對推進(jìn)劑進(jìn)行專門雕刻、開槽等危險(xiǎn)加工處理,相較文獻(xiàn)[13-15]的試驗(yàn)方法降低了試驗(yàn)件失效風(fēng)險(xiǎn),有益于獲得更好的試驗(yàn)結(jié)果。第三,圖1所示的夾具和裝配方式,相較張麗華等[12]的試驗(yàn)方法更簡單,便于夾具的加工以及開展大量試驗(yàn)件的拉伸試驗(yàn)。
沿試驗(yàn)機(jī)拉伸方向(豎直方向)的熱老化后HTPB推進(jìn)劑的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示,所有圖中縱坐標(biāo)均為歸一化處理后無量綱數(shù)據(jù),Cσ,CEbt與Cσbmt為歸一化因子。
由圖2可知:1)老化后推進(jìn)劑的拉伸曲線均呈現(xiàn)彈性段、損傷段和破壞段三段特性,推進(jìn)劑力學(xué)性能仍受溫度和應(yīng)變率影響明顯。2)隨溫度持續(xù)降低和應(yīng)變率不斷升高,應(yīng)力在較低應(yīng)變處達(dá)到峰值,然后迅速下降。3)相比未老化時(shí)的情況[23],老化后HTPB推進(jìn)劑在低溫動(dòng)態(tài)準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)并未出現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象(如圖2(c)~圖2(d)所示),這進(jìn)一步說明不同熱老化時(shí)間下固體推進(jìn)劑的雙軸力學(xué)性能有明顯區(qū)別。上述有關(guān)現(xiàn)象將在后文討論。
圖2 不同溫度、應(yīng)變率條件準(zhǔn)雙軸拉伸加載下熱老化HTPB推進(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Quasi-biaxial tensile stress-strain curves of thermal aged HTPB propellant at various temperatures and strain rates
以熱加速老化32 d后HTPB推進(jìn)劑的典型力學(xué)性能參數(shù)變化進(jìn)行分析,如圖3所示。由圖3可知,熱加速老化后,推進(jìn)劑的準(zhǔn)雙軸拉伸典型力學(xué)性能參數(shù)隨溫度和應(yīng)變率的變化關(guān)系與未老化時(shí)保持一致。即熱加速老化后,初始彈性模量Ebt和最大抗拉強(qiáng)度σbmt仍隨溫度降低和應(yīng)變率升高而不斷增大,且在0.4~14.29 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi),這兩個(gè)參數(shù)與應(yīng)變率之間存在明顯的線性對數(shù)關(guān)系。但最大伸長率εbmt隨溫度降低以及應(yīng)變率升高而不斷減小,-50 ℃、14.29 s-1加載條件下的數(shù)值為室溫0.40 s-1條件下數(shù)值的28.79%。
圖3 不同溫度下老化后HTPB推進(jìn)劑的力學(xué)性能參數(shù)與應(yīng)變率之間的關(guān)系Fig.3 Relationships of mechanical parameters for aged HTPB propellant and strain rate at various temperatures
圖4和圖5為準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)HTPB推進(jìn)劑的力學(xué)性能參數(shù)隨熱加速老化時(shí)間變化的典型關(guān)系圖。由圖4和圖5可知,最大抗拉強(qiáng)度σbmt隨老化時(shí)間增長呈非線性增大關(guān)系,且增大速率不斷減小。但最大伸長率εbmt隨老化時(shí)間增長而不斷降低,且減小速率不斷減小。
目前,根據(jù)測試數(shù)據(jù)變化規(guī)律,國內(nèi)外研究學(xué)者主要采用線性模型、指數(shù)模型以及對數(shù)模型描述老化后固體推進(jìn)劑的力學(xué)性能參數(shù)隨老化時(shí)間的變化[26-27]。
由圖4和圖5可知,目前提出的的線性模型以及對數(shù)模型[26-27]不能描述準(zhǔn)雙軸拉伸加載下熱老化時(shí)間0~98 d內(nèi)HTPB推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度σbmt和最大伸長率εbmt隨老化時(shí)間的非線性變化,而指數(shù)模型擬合效果(或相關(guān)系數(shù))低于采用式(1)所示的改進(jìn)模型。如表1所示,提供Levenberg-Marquardt算法得出式(1)中的參數(shù)。根據(jù)式(2)計(jì)算相關(guān)系數(shù)。
圖4 -30 ℃條件下最大抗拉強(qiáng)度與熱老化時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationships between the maximum tensile stress and thermal aging time at -30 ℃
圖5 -30 ℃條件下最大伸長率與熱老化時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationships between the maximum elongation and thermal aging time at -30 ℃
P=P0+K·exp(-tα/β)
(1)
式中:K和β均為與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù);tα為熱加速老化時(shí)間(d)。該模型更適合描述1~100 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)加載時(shí)的情況。
(2)
表1 -30 ℃條件下典型力學(xué)性能參數(shù)與熱老化時(shí)間的關(guān)系式Table 1 Relationships between the typical mechanical parameters and thermal aging time at -30 ℃
圖6為典型加載條件下熱老化后HTPB推進(jìn)劑的拉伸斷面電鏡掃描圖片。由圖6可知,相同熱老化時(shí)間,常溫低應(yīng)變率條件下,推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷以AP顆粒發(fā)生“脫濕”為主,隨應(yīng)變率升高,“脫濕”現(xiàn)象逐漸減弱。低溫較低應(yīng)變率條件下,推進(jìn)劑內(nèi)部出現(xiàn)AP顆粒斷裂,隨應(yīng)變率升高,AP顆粒斷裂的數(shù)量急劇增大,細(xì)觀損傷變得更加嚴(yán)重;相同溫度和應(yīng)變率條件下,隨熱老化時(shí)間增長,推進(jìn)劑以“脫濕”和AP顆粒斷裂為表現(xiàn)形式的細(xì)觀損傷程度也變得更加嚴(yán)重,但基體撕裂較未老化時(shí)有所減弱[24]。這表明溫度和應(yīng)變率依舊能夠影響準(zhǔn)雙軸拉伸加載下熱加速老化后HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷(或細(xì)觀性能),同時(shí),熱加速老化也能明顯影響低溫動(dòng)態(tài)準(zhǔn)雙軸拉伸加載下HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷(或細(xì)觀性能),進(jìn)而推進(jìn)劑的宏觀力學(xué)性能受到上述諸多因素的共同影響。
其次,相較低溫動(dòng)態(tài)單軸拉伸時(shí)老化后HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷情況(如圖6(f)和圖6(i)所示),準(zhǔn)雙軸拉伸條件下老化后推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷形式?jīng)]有發(fā)生改變,但損傷程度有所減弱,尤其是室溫或較低應(yīng)變率條件下的損傷情況。主要原因有以下兩點(diǎn):1)板條實(shí)驗(yàn)件拉伸時(shí),沿試驗(yàn)機(jī)加載方向的應(yīng)力大于沿水平方向的應(yīng)力,且近似為2倍關(guān)系[22]。因此,推進(jìn)劑內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)微裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展的方向與單軸拉伸時(shí)一致,導(dǎo)致兩種應(yīng)力狀態(tài)下推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷形式保持一致,進(jìn)而使得準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)沿試驗(yàn)機(jī)加載方向的推進(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性與單軸拉伸時(shí)保持一致。2)拉伸加載條件下固體推進(jìn)劑細(xì)觀結(jié)構(gòu)的界面破壞或固體填充顆粒的斷裂,都屬于張開型裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。板條推進(jìn)劑在高速拉伸作用下,固體推進(jìn)劑基體的撕裂趨勢與拉伸機(jī)加載方向相垂直,而水平方向的力學(xué)影響并不改變基體裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展,但可以改變基體裂紋的橫向擴(kuò)展速率或阻礙加載方向上裂紋的發(fā)展情況。因此,準(zhǔn)雙軸拉伸時(shí)HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷程度又弱于單軸拉伸時(shí)情況。低溫或高應(yīng)變率條件下,推進(jìn)劑內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的損傷程度較高,應(yīng)力狀態(tài)以及熱加速老化時(shí)間的影響變?nèi)?。因此,SEM圖像區(qū)別不明顯。正是由于動(dòng)態(tài)單軸加載下和準(zhǔn)雙軸加載下老化后HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷不同,進(jìn)而影響推進(jìn)劑的宏觀力學(xué)性能。因此,進(jìn)一步表明僅采用一維動(dòng)態(tài)單軸拉伸試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)分析低溫點(diǎn)火條件下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM藥柱的結(jié)構(gòu)完整性會(huì)帶來較大的偏差,需要開展低溫動(dòng)態(tài)雙軸加載下HTPB推進(jìn)劑的老化性能研究。
圖6 不同因素條件下老化后HTPB推進(jìn)劑的拉伸斷面SEM圖(×200)Fig.6 SEM images of tensile fracture surface for aged HTPB propellant under different conditions (×200)
張興高[26]指出,熱加速老化后HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑的拉伸初始彈性模量Ebt和最大抗拉強(qiáng)度σbmt總體上升高,而最大伸長率εbmt降低。由于低溫動(dòng)態(tài)加載下最大伸長率仍滿足隨熱老化時(shí)間增長而不斷下降的規(guī)律,且最大伸長率隨溫度、應(yīng)變率和熱加速老化時(shí)間的變化能反映推進(jìn)劑內(nèi)部細(xì)觀損傷機(jī)理和損傷程度的變化。因此,可將最大伸長率定義為分析低溫動(dòng)態(tài)單軸加載下HTPB推進(jìn)劑失效的判據(jù)。因此,可將最大伸長率εbmt定義為分析長期貯存后戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM藥柱結(jié)構(gòu)完整性的失效準(zhǔn)則。
低溫動(dòng)態(tài)準(zhǔn)雙軸拉伸加載時(shí),HTPB推進(jìn)劑的最大伸長率隨熱老化時(shí)間增長而不斷降低,老化98 d后-50 ℃、14.29 s-1加載條件下的數(shù)值為未老化時(shí)室溫、0.40 s-1條件下數(shù)值的25.63%。該參數(shù)的變化通常是對不同加載條件下固體推進(jìn)劑物理性能變化和細(xì)觀損傷變化的反映[28-29],本文研究中其發(fā)生改變的主要原因如下:1)室溫條件下,隨應(yīng)變率升高,裂紋來不及發(fā)生擴(kuò)展,“脫濕”損傷程度較弱(見圖6(b)和圖6(g)),因而最大伸長率仍較高。2)低溫條件下,粘合劑基體剛性變強(qiáng),柔性減弱。因此,推進(jìn)劑彈性模量和最大拉伸強(qiáng)度增大,但伸長率降低。同時(shí),低溫使得粘合劑與固體填充顆粒之間的界面粘接強(qiáng)度增強(qiáng),則低溫條件下HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷以AP顆粒斷裂為主(見圖6(c)和圖6(h))。隨應(yīng)變率升高,顆粒斷裂數(shù)量增大,損傷程度變得更嚴(yán)重,則伸長率不斷降低。在高應(yīng)變率加載時(shí),推進(jìn)劑內(nèi)部AP顆粒幾乎全部斷裂,損傷程度異常嚴(yán)重(見圖6(d)和圖6(j))。因此,相應(yīng)加載下最大伸長率的數(shù)值非常小,且應(yīng)力達(dá)到峰值后迅速下降,曲線特性與其它加載條件下不同。3)熱加速老化時(shí),HTPB推進(jìn)劑基體粘合劑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化交聯(lián)占主導(dǎo)地位,則隨老化時(shí)間的增長,推進(jìn)劑具有更低的伸長率。此外,熱加速老化后,HTPB推進(jìn)劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度升高。因此,推進(jìn)劑高分子鏈和鏈段運(yùn)動(dòng)在更小應(yīng)變率時(shí)被限制,即熱加速老化后AP顆粒在更低應(yīng)變率時(shí)易發(fā)生斷裂,損傷程度增大,進(jìn)而導(dǎo)致熱加速老化后HTPB推進(jìn)劑的拉伸曲線上不再出現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象,推進(jìn)劑的力學(xué)性能發(fā)生改變。
1) 低溫動(dòng)態(tài)準(zhǔn)雙軸拉伸加載下,熱加速老化前后,HTPB推進(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性基本上保持一致。推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度隨熱加速老化時(shí)間增長呈增長速率不斷減小的非線性增長趨勢,但最大伸長率隨熱加速老化時(shí)間的增長呈減小速率不斷降低的非線性減小趨勢。熱加速老化98 d內(nèi),改進(jìn)型非線性模型能夠更好地描述上述典型力學(xué)性能參數(shù)隨熱老化時(shí)間的變化關(guān)系。
2) 隨溫度降低,細(xì)觀損傷形式由“脫濕”逐漸變?yōu)锳P顆粒斷裂。室溫下,隨應(yīng)變率升高,推進(jìn)劑的細(xì)觀程度損傷減弱;低溫下,隨應(yīng)變率升高,推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷程度增強(qiáng)。準(zhǔn)雙軸拉伸加載下,熱加速老化后HTPB推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷程度相比單軸拉伸時(shí)有所減弱。此外,熱加速老化時(shí),HTPB推進(jìn)劑基體粘合劑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化交聯(lián)占主導(dǎo)地位。因此,隨熱加速老化時(shí)間的增長,推進(jìn)劑最大伸長率降低。且由于熱加速老化后HTPB推進(jìn)劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度升高,AP顆粒更易發(fā)生斷裂,損傷程度增大,最終導(dǎo)致熱老化后推進(jìn)劑的低溫動(dòng)態(tài)準(zhǔn)雙軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上不再出現(xiàn)“雙峰現(xiàn)象”。但是通過觀察SEM圖片由于存在主觀因素還無法進(jìn)行量化分析,未來需要進(jìn)一步采用更加有效的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行觀察研究。
3) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可將雙軸拉伸加載下不同熱老化時(shí)間時(shí)的最大伸長率定義為分析長期貯存后戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈SRM藥柱在低溫點(diǎn)火條件下結(jié)構(gòu)完整性的失效準(zhǔn)則,老化32 d、74 d和98 d后-50 ℃、14.29 s-1加載條件下的最大伸長率分別為未老化時(shí)室溫、0.40 s-1條件下數(shù)值的28.79%、27.58%和25.63%。