固體推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析的研究進(jìn)展

魏曉林，周建輝，李宏巖，舒慧明

(1.西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065；2.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司， 太原 030008)

固體推進(jìn)劑裝藥作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件和承力件，在制造、貯存和工作過(guò)程中，需要承受溫度、振動(dòng)、加速過(guò)載和點(diǎn)火增壓等載荷的作用。這些載荷使裝藥內(nèi)部產(chǎn)生微觀變化，若超過(guò)其力學(xué)性能的承載范圍，將會(huì)引起藥柱變形或者推進(jìn)劑-包覆層-絕熱層-殼體界面脫粘等現(xiàn)象，導(dǎo)致藥柱燃燒面積迅猛增大，燃燒室壓強(qiáng)超過(guò)設(shè)定值，輕則改變發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)定的工作特征，重則引起發(fā)動(dòng)機(jī)解體等嚴(yán)重事故。由此可見，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性一定程度上受到裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響。

裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，其研究?jī)?nèi)容涉及多個(gè)方面。文章針對(duì)固體推進(jìn)劑裝藥，基于粘彈性力學(xué)理論，探討了推進(jìn)劑的失效判據(jù)，并重點(diǎn)分析了藥形結(jié)構(gòu)、材料性能、載荷形式和老化貯存4個(gè)因素對(duì)推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性的影響，以期為后續(xù)藥柱及發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與壽命評(píng)估提供一些借鑒意義。

1 裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析的用途簡(jiǎn)述

裝藥設(shè)計(jì)是動(dòng)力推進(jìn)裝置研究的關(guān)鍵內(nèi)容，包含藥型設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)作為裝藥設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)，承擔(dān)著非常重要的角色。它將結(jié)構(gòu)分析與失效分析相結(jié)合，首先通過(guò)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究等手段，得到裝藥在各種載荷下的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，在該基礎(chǔ)上選用合適的失效判據(jù)來(lái)分析結(jié)構(gòu)性能，最終判斷裝藥結(jié)構(gòu)是否完整。該項(xiàng)任務(wù)與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道指標(biāo)相結(jié)合，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 推進(jìn)劑的粘彈性力學(xué)行為

固體推進(jìn)劑是一種高分子聚合物材料，表現(xiàn)出很強(qiáng)的粘彈性，在分析結(jié)構(gòu)完整性之前，首先需要研究粘彈性力學(xué)行為。粘彈性材料的宏觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式受溫度直接影響，圖1給出了推進(jìn)劑藥柱變形狀態(tài)與溫度變化的關(guān)系，大致可以分為3個(gè)階段，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。第一條虛線對(duì)應(yīng)的溫度稱為玻璃化溫度，第二條虛線對(duì)應(yīng)的溫度稱為粘流溫度。大量研究表明，當(dāng)固體推進(jìn)劑工作溫度處于玻璃化溫度以上時(shí)，其力學(xué)行為處于粘性材料和彈性材料之間，力學(xué)響應(yīng)對(duì)溫度有很強(qiáng)的依賴性，同時(shí)體現(xiàn)著彈性和粘性2種性質(zhì)。

圖1 藥柱變形與溫度的關(guān)系

對(duì)于分析結(jié)構(gòu)完整性而言，大型軟件仿真計(jì)算發(fā)揮了重要的作用，在這過(guò)程中首先面臨的問題是如何選擇合適的本構(gòu)模型以及方程參數(shù)，使仿真結(jié)果接近推進(jìn)劑實(shí)際力學(xué)行為，提高計(jì)算精度，為此科研學(xué)者做了大量研究工作。在粘彈性本構(gòu)模型領(lǐng)域，可歸納分為線性和非線性2種。線粘彈性是指在一定范圍內(nèi)的應(yīng)力極限下，應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性關(guān)系變化。當(dāng)固體推進(jìn)劑形變量不大時(shí)，可認(rèn)為其為線粘彈性材料，線粘彈性本構(gòu)模型可用于分析固體推進(jìn)劑在載荷下的力學(xué)響應(yīng)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)仿真結(jié)果精確度的日益提高，逐漸發(fā)展了非線性粘彈性理論，主要用于分析推進(jìn)劑在大變形載荷下的力學(xué)行為。王禮立等對(duì)推進(jìn)劑材料進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，兼顧材料在高低應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)，提出了適用于寬泛應(yīng)變速率下的朱-王-唐非線性本構(gòu)模型，該模型因?yàn)槠浞匠毯?jiǎn)單、參數(shù)易得，并且應(yīng)用范圍廣泛，而得到了研究學(xué)者的青睞。李毅在ZWT模型基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化并修正了方程參數(shù)，提出了一種基于拉伸試驗(yàn)并考慮損傷因素的非線性粘彈性本構(gòu)模型創(chuàng)建方法，對(duì)模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)與計(jì)算結(jié)果基本一致。

針對(duì)推進(jìn)劑紛繁復(fù)雜的力學(xué)特性，國(guó)內(nèi)外建立了不同種類的本構(gòu)模型，很大程度上提高了裝藥結(jié)構(gòu)的計(jì)算精度。然而在具體工況下，針對(duì)特定使用條件，如何從眾多模型中正確選擇合適的本構(gòu)關(guān)系是計(jì)算的難點(diǎn)。另外，考慮到多種多樣的環(huán)境載荷，推進(jìn)劑多組分、大顆粒的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，基體損傷、界面脫濕等破壞機(jī)理，如何將這些因素綜合應(yīng)用到結(jié)構(gòu)完整性分析是今后發(fā)展的重要方向。

3 推進(jìn)劑的失效判據(jù)

對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整性分析，必須首先對(duì)藥柱破壞判據(jù)進(jìn)行研究。嚴(yán)格地說(shuō)，推進(jìn)劑破壞判據(jù)是一個(gè)很復(fù)雜的問題，涉及多向應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)、加載歷史、應(yīng)變速率、溫度與濕度、老化等多種因素，目前尚未建立統(tǒng)一的破壞判據(jù)。

鑒于推進(jìn)劑的損傷機(jī)理和破壞形式多種多樣，目前關(guān)于推進(jìn)劑的失效判據(jù)并無(wú)固定可靠的依據(jù)可循。一般情況下，根據(jù)所受載荷類型依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇相應(yīng)的破壞判據(jù)?，F(xiàn)在采用的破壞理論仍然是借鑒金屬材料展開的，如最大應(yīng)力應(yīng)變理論、最大八面體剪應(yīng)變理論等，但這些理論經(jīng)驗(yàn)成分都比較明顯，而且無(wú)法進(jìn)行有效驗(yàn)證，另外考慮到推進(jìn)劑經(jīng)歷各種載荷的聯(lián)合作用，容易造成損傷累計(jì)，所以該項(xiàng)工作難度很大。因此，重視理論指導(dǎo)和試驗(yàn)研究，從物理機(jī)制出發(fā)，細(xì)致地探究損傷機(jī)理，得出符合實(shí)際缺陷的失效判據(jù)是眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)。

4 固體推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析

由于推進(jìn)劑裝藥生產(chǎn)的成本較高，并且周期很長(zhǎng)，加之不能重復(fù)使用，而影響裝藥結(jié)構(gòu)完整性的因素又很復(fù)雜，所以采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法研究該課題不具備現(xiàn)實(shí)性。隨著科技日益發(fā)達(dá)，目前多借助于數(shù)值仿真進(jìn)行模擬計(jì)算，再利用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以提高分析效率。

4.1 藥形結(jié)構(gòu)對(duì)固體推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)作戰(zhàn)要求的不同，目前裝藥藥形結(jié)構(gòu)趨于新穎化和多樣化，應(yīng)力集中現(xiàn)象較易發(fā)生，進(jìn)行各種載荷下結(jié)構(gòu)完整性分析難度加大。研究學(xué)者通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到不同藥形幾何參數(shù)對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，確定最優(yōu)裝藥結(jié)構(gòu)，為藥型選擇提供依據(jù)。田鵬等指出對(duì)于高數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，可以在藥柱局部采用環(huán)向開槽結(jié)構(gòu)，以降低應(yīng)力集中，并通過(guò)結(jié)構(gòu)完整性計(jì)算，得到增加槽體的深度比增加寬度更能有效地緩解應(yīng)力集中的結(jié)論；王晨飛等通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)論證相結(jié)合的方法，采用Python語(yǔ)言對(duì)某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱進(jìn)行建模分析，研究了低溫沖擊載荷下長(zhǎng)徑比、數(shù)等幾何參數(shù)對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響，指出當(dāng)藥柱的長(zhǎng)徑比大于4時(shí)，數(shù)是影響藥柱最大應(yīng)變值的關(guān)鍵參數(shù)，長(zhǎng)徑比的作用逐漸減弱；龔建良等提出在單室雙推力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，為了滿足推力特征需求，常需要通過(guò)調(diào)整燃面實(shí)現(xiàn)推力比，所以一般情況下裝藥內(nèi)燃面較復(fù)雜，致使結(jié)構(gòu)完整性問題突出，有必要利用二次開發(fā)程序確定藥柱內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，研究藥柱內(nèi)燃面對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律；對(duì)于大型澆鑄裝藥，為提高工作可靠性，一般設(shè)有應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)，國(guó)外學(xué)者Chen針對(duì)有應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的裝藥，基于有限元分析軟件，通過(guò)四面體網(wǎng)格劃分，給出了裝藥的最佳結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算方法，并驗(yàn)證了裝藥的結(jié)構(gòu)完整性；李磊借助MSC Marc仿真軟件，針對(duì)傘盤型裝藥，改變傘盤位置及外形尺寸，驗(yàn)證了寬度、深度等參數(shù)對(duì)改善局部應(yīng)力的有效性，確定了裝藥最終尺寸。

針對(duì)藥形結(jié)構(gòu)趨于多樣化的現(xiàn)象，目前結(jié)構(gòu)完整性研究已經(jīng)從單一的藥柱設(shè)計(jì)成型后的評(píng)估判斷，發(fā)展到了前期參與到藥型的優(yōu)化篩選過(guò)程，但目前的藥型優(yōu)化過(guò)程處于摸索階段，經(jīng)驗(yàn)成分較為明顯，只能考慮部分參數(shù)，不能包含所有藥型變量，復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的建立存在困難，并且理論依據(jù)尚不健全，因此開展不確定結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析、開發(fā)藥形結(jié)構(gòu)集成軟件是今后發(fā)展的一個(gè)主要方向。

4.2 材料性能對(duì)固體推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響

推進(jìn)劑材料自身性能是影響裝藥結(jié)構(gòu)完整性的直接因素，配方、原材料批次、藥型、生產(chǎn)工藝、包覆方式等都會(huì)造成材料性能的波動(dòng)，并且不同的參數(shù)值，如初始模量、密度、泊松比、熱膨脹系數(shù)等對(duì)結(jié)構(gòu)完整性有不同的影響結(jié)果，研究學(xué)者對(duì)此開展了大量論證工作。蒙上陽(yáng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析軟件和Von Misses應(yīng)變失效準(zhǔn)則，探究了在溫度和內(nèi)壓載荷下推進(jìn)劑模量、泊松比和熱線膨脹系數(shù)對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響，指出推進(jìn)劑泊松比常用區(qū)間為0.490 0～0.499 5，在這范圍內(nèi)隨數(shù)值增大，裝藥結(jié)構(gòu)完整性越優(yōu)越，出現(xiàn)失效事件的概率越低；孫俊麗針對(duì)某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究了在低溫點(diǎn)火下泊松比對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響，建議進(jìn)行大口徑、大長(zhǎng)徑比發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)測(cè)試及經(jīng)驗(yàn)對(duì)泊松比在不同溫度下分別取不同的值，整體上泊松比隨著溫度升高的趨勢(shì)，取值應(yīng)逐漸微小增加；唐國(guó)金通過(guò)解刨1985年生產(chǎn)的某型自由裝填裝藥，實(shí)測(cè)了推進(jìn)劑松弛模量和襯層彈性模量等參數(shù)，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行了應(yīng)力分析，得到藥柱在常溫環(huán)境下使用時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性完好，換至高溫地區(qū)貯存使用時(shí)，安全系數(shù)降低，結(jié)構(gòu)完整性變差的結(jié)論；藺文峰研究了絕熱層材料參數(shù)對(duì)推進(jìn)劑Von Mises應(yīng)變的影響，如表1所示，隨著泊松比和彈性模量不斷增大，推進(jìn)劑的Von Mises應(yīng)變呈降低趨勢(shì)，這說(shuō)明增大泊松比和彈性模量可以提高裝藥結(jié)構(gòu)完整性。

表1 絕熱層材料參數(shù)對(duì)推進(jìn)劑Von Mises應(yīng)變的影響

材料性能對(duì)結(jié)構(gòu)完整性分析的關(guān)鍵性已經(jīng)引起研究學(xué)者的高度關(guān)注，進(jìn)行了較透徹的分析并總結(jié)出一些結(jié)論。然而，由于材料參數(shù)隨溫度和時(shí)間而改變，對(duì)外界環(huán)境具有很強(qiáng)的依賴性，穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較差，并且理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證具有一定偏差，研究難度不言而喻。在今后的分析過(guò)程中建議建立完善的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)化試驗(yàn)流程，并開發(fā)新式材料模型導(dǎo)入到計(jì)算軟件中，才能使分析方法具有工程實(shí)際應(yīng)用意義。

4.3 載荷形式對(duì)固體推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)完整性的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于惡劣的工作環(huán)境，載荷形式多元化，關(guān)于該方面的研究較多，表2列舉了近些年相關(guān)文獻(xiàn)分析的載荷種類，主要涉及溫度沖擊、加速度過(guò)載和點(diǎn)火壓力3個(gè)方面，對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)完整性提出了考驗(yàn)。

表2 載荷形式分析歸納

1) 溫度沖擊

對(duì)于貼壁澆注式發(fā)動(dòng)機(jī)而言，藥柱通過(guò)襯層-絕熱層粘接作用與殼體固定，相對(duì)于藥柱，殼體為剛性材料，在溫度變化過(guò)程中可以忽略體積的改變，而藥柱體積會(huì)隨溫度發(fā)生變化，并由于殼體的約束作用導(dǎo)致應(yīng)力不能完全釋放，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力，發(fā)生脫粘現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)完整性。周紅梅基于粘彈性本構(gòu)方程，建立了數(shù)學(xué)模型，對(duì)貼壁澆鑄式裝藥固化降溫過(guò)程中的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明前、后封頭降溫速率明顯高于其他部位的降溫速率，各部位的溫度分布和應(yīng)力分布變化趨勢(shì)基本相同；丁永強(qiáng)運(yùn)用八面體剪應(yīng)變準(zhǔn)則和線粘彈性模型，分析得出+60℃～-45℃溫差范圍內(nèi)，在固化降溫和低溫試驗(yàn)時(shí)，模量的變化對(duì)藥柱的結(jié)構(gòu)完整性影響不大，藥柱的最大應(yīng)變隨藥柱泊松比的增大而增大；同樣，鄧康清博士以丁羥復(fù)合推進(jìn)劑裝藥為研究對(duì)象，線性粘彈性本構(gòu)方程和最大應(yīng)變能等理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用三維建模及Ansys Workbench軟件對(duì)自由裝填式藥柱在低溫點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，藥柱在60 ℃固化完成后，以1 ℃/h的速率降至20 ℃，然后以5 ℃/h的速率降至-40 ℃，在-40 ℃下恒溫保持24 h，進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在固化降溫和點(diǎn)火整個(gè)過(guò)程中，推進(jìn)劑、殼體的總位移、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變均隨時(shí)間推移而升高，在-40 ℃點(diǎn)火后達(dá)到峰值，說(shuō)明低溫點(diǎn)火時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況最惡劣，該研究對(duì)自由裝填式裝藥結(jié)構(gòu)完整性的判定提供了參考。

雖然研究學(xué)者針對(duì)溫度載荷下裝藥結(jié)構(gòu)完整性問題展開了大量試驗(yàn)研究，但大部分情況或是直接對(duì)裝藥施加定溫邊界條件，不考慮對(duì)流換熱的影響，或是將工況進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)溫度場(chǎng)的影響，或是將推進(jìn)劑看作均勻各向同性材料，使得仿真結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用有一定的偏差，不能正確指導(dǎo)工程應(yīng)用，所以建立真實(shí)可信的載荷環(huán)境，是提高分析精確度和可靠度的必要條件。

2) 加速度過(guò)載

現(xiàn)代武器對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提出的要求日益嚴(yán)苛，在高過(guò)載的情況下仍需具備良好的機(jī)動(dòng)能力。加速度過(guò)載可能導(dǎo)致推進(jìn)劑燃速增加，使推力特征偏離理論設(shè)計(jì)，從而影響內(nèi)彈道性能，對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)完整性提出了考驗(yàn)。李越森設(shè)計(jì)了專用裝置臺(tái)，模擬試驗(yàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)和橫向分別承受15、25以及45加速度過(guò)載狀態(tài)下絕熱層燒蝕率的變化情況，指出由于推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生AlO顆粒，隨著加速度的升高，AlO粒子沉積在炭化層表面愈發(fā)明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)絕熱層的燒蝕狀況惡化，燒蝕率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，金屬殼體局部過(guò)熱，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性問題突出；那旭東以某次發(fā)動(dòng)機(jī)失效事件為案例，結(jié)合其需長(zhǎng)時(shí)間承受小過(guò)載的工況，考慮科氏加速度的影響，分析了不同橫向、軸向和法向過(guò)載對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響，建議在后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需高度重視在顆粒沉積量大的區(qū)域進(jìn)行充分的熱防護(hù)，以保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作；曹軍針對(duì)單室雙推發(fā)動(dòng)機(jī)，采用不同燃速和藥型的HTPB推進(jìn)劑，研究了過(guò)載條件下推進(jìn)劑燃速的變化情況，提出長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載導(dǎo)致裝藥偏燒，對(duì)裝藥設(shè)計(jì)提出思考。

起飛加速、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、高速作戰(zhàn)是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)必備的工作性能，過(guò)載情形時(shí)常出現(xiàn)，并且種類復(fù)雜，包含軸向、切向和徑向等，惡化了推進(jìn)劑裝藥的工作環(huán)境。目前在裝藥結(jié)構(gòu)完整性方面，對(duì)加速度過(guò)載的研究主要側(cè)重于推進(jìn)劑配方和裝藥燃速，如何完善這項(xiàng)工作是發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的一大課題。

3)點(diǎn)火升壓過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火過(guò)程中，推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體，燃?xì)鈨?nèi)壓瞬間增大，受點(diǎn)火壓強(qiáng)的動(dòng)態(tài)沖擊，藥柱表面易產(chǎn)生微觀缺陷或細(xì)觀變形。通常情況下，裝藥在燃燒初始階段易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，因?yàn)樵谠撾A段藥柱的數(shù)最大，力學(xué)性能較差，易發(fā)生應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)完整性最為嚴(yán)峻。

由于試驗(yàn)手段的有限性，關(guān)于點(diǎn)火升壓的研究大部分是借助仿真軟件進(jìn)行。在分析點(diǎn)火過(guò)程中裝藥的結(jié)構(gòu)變化時(shí)，通常進(jìn)行一系列簡(jiǎn)化，將點(diǎn)火壓力峰作為壓力載荷施加給研究對(duì)象?？紤]到推進(jìn)劑力學(xué)性能對(duì)時(shí)間和溫度具有很強(qiáng)的依賴性，點(diǎn)火升壓過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)溫度急劇上升，進(jìn)而對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱力耦合反應(yīng)，因此下一步的研究重點(diǎn)是多載荷下裝藥結(jié)構(gòu)承受問題。

鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境的復(fù)雜性和嚴(yán)苛性，關(guān)于推進(jìn)劑裝藥承載問題的研究，不能只考慮一種載荷因素，應(yīng)由簡(jiǎn)單載荷向復(fù)雜載荷發(fā)展，由單一作用向耦合反應(yīng)發(fā)展，由理論分析向試驗(yàn)研究發(fā)展，接近發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況，形成適用于多載荷下的推進(jìn)劑破壞判據(jù)，得到更真實(shí)有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.4 老化貯存對(duì)固體推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析的影響

根據(jù)部隊(duì)作戰(zhàn)要求，有些裝藥的服役周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年甚至幾十年，在漫長(zhǎng)的貯存過(guò)程中，裝藥老化對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響不容小覷。在配方設(shè)計(jì)方面，有些原材料穩(wěn)定性欠佳，長(zhǎng)期貯存可能導(dǎo)致裝藥性能下降，比如硝化甘油具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性和遷移性，即使在室溫下也可以分解，并且誘使其他組分發(fā)生變化，可能導(dǎo)致裝藥界面脫粘或產(chǎn)生裂紋，結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞。在工藝制造方面，生產(chǎn)時(shí)的環(huán)境，比如溫度、濕度、人工加料的速度、壓伸機(jī)的轉(zhuǎn)速等因素都會(huì)影響裝藥的成型質(zhì)量，如何保證足夠的密實(shí)度是保證裝藥長(zhǎng)期貯存的關(guān)鍵因素。所以優(yōu)化配方設(shè)計(jì)和保證成型工藝，使裝藥具有良好的力學(xué)性能，是確保老化過(guò)程中裝藥結(jié)構(gòu)完整的前提，在研制過(guò)程中必須高度重視。

5 結(jié)論

鑒于結(jié)構(gòu)完整性分析的重要用途，基于粘彈性力學(xué)理論，總結(jié)歸納了藥形結(jié)構(gòu)、材料性能、載荷形式和老化貯存4個(gè)因素對(duì)推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)完整性的影響。指出裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析已成為制約固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平的瓶頸問題之一，需要兼顧材料缺陷的損傷疊加性，環(huán)境載荷的嚴(yán)峻性、易變性，老化貯存后物理化學(xué)性能的變化等因素，如采用解析計(jì)算、數(shù)值模擬和試驗(yàn)等手段，通過(guò)多次迭代分析，可優(yōu)選最佳方案。

通過(guò)裝藥設(shè)計(jì)，優(yōu)選材料和藥型，可以改善結(jié)構(gòu)完整性，但這不只是個(gè)設(shè)計(jì)問題，雖然裝藥設(shè)計(jì)可以避免應(yīng)力集中，發(fā)現(xiàn)藥柱薄弱位置，但推進(jìn)劑的配方設(shè)計(jì)以及裝藥生產(chǎn)工藝不容忽略，這是保證裝藥結(jié)構(gòu)完整的前提。進(jìn)行裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析需要熟悉工藝制造的基本環(huán)節(jié)與力學(xué)性能測(cè)試方法，及時(shí)掌握推進(jìn)劑及相關(guān)材料的性能波動(dòng)和影響因素，對(duì)燃燒室失效事件機(jī)理及原因正確分析，對(duì)存在的缺陷因素進(jìn)行驗(yàn)證等。