HTPB推進劑溫度沖擊環(huán)境下?lián)p傷特性的聲發(fā)射試驗

劉承武,陽建紅,鄧 凱,陳 飛,張 暉

(第二炮兵工程學院,西安 710025)

溫度[1]和濕度[2-3]是影響推進劑力學性能十分重要的兩大因素。固體發(fā)動機在貯存過程中,由于采用了諸如密封充氮等保護措施,光、輻射、濕度的影響可以避免。而在壽命期內(nèi),尤其是在待機、運輸和發(fā)射階段,要經(jīng)受更為劇烈的環(huán)境溫度變化帶來的熱載荷作用。當環(huán)境溫度高時,高溫層上產(chǎn)生熱膨脹,這種熱膨脹受到相鄰層的限制,于是形成壓應力;當環(huán)境溫度低時,形成收縮拉應力。隨著溫度的交替變化,藥柱各層之間作用著交變載荷,導致累積了疲勞損傷,從而縮短藥柱的壽命。因此,研究固體推進劑溫度沖擊環(huán)境條件下的損傷特性十分必要。

目前主要采用的是宏觀唯象方法來進行這方面的研究。Svob等[4]進行了CTPB推進劑模擬發(fā)動機的溫度沖擊試驗,得出溫度沖擊引起應變疲勞和高溫老化的綜合影響,性能下降十分迅速。Ide等[5]進行了AP/HTPB推進劑的加速老化、熱循環(huán)和熱沖擊三種不同試驗,研究了不同熱損傷條件下推進劑的斷裂行為,結(jié)果表明,推進劑力學性能的劣化程度與熱載荷的形式相關(guān)。

HTPB推進劑經(jīng)過溫度沖擊作用后,在外載荷下,材料內(nèi)部產(chǎn)生細觀損傷(如基體開裂、脫濕等),并逐漸發(fā)展為宏觀斷裂,整個過程中有強烈的能量釋放出來,并會產(chǎn)生聲發(fā)射信號[6-7]。筆者對經(jīng)過溫度沖擊后的HTPB推進劑試件進行單軸拉伸AE試驗,研究了溫度沖擊對HTPB推進劑損傷的影響。

1 試驗

2.1 溫度沖擊試驗

試驗參考QJ 2328A—2005《復合固體推進劑高溫加速老化實驗方法》和GJB 150.5—1986《軍用設備環(huán)境實驗方法 溫度沖擊實驗》標準進行。試驗使用SDJ705型高低溫濕熱交變實驗箱和LR016熱老化實驗箱。按照以下步驟,分別進行了5,10,15,20,25及35個周期的溫度沖擊試驗,每個周期3根試件。試驗步驟如下：

(1)預處理 將試件貯存于20～25℃干燥環(huán)境下,直至達到溫度穩(wěn)定。

(2)試驗 將試件放入實驗箱,試件之間,以及試件與實驗箱壁、箱底及箱頂之間應當有適當間隔,以使空氣能自由循環(huán),保證環(huán)境因素準確、均勻地作用在試件上。將高溫實驗箱溫度升到55℃,保持1 h;高溫階段結(jié)束,在5 min內(nèi)將試件轉(zhuǎn)換到已調(diào)節(jié)到-51℃的低溫實驗箱內(nèi),保持1 h,低溫階段結(jié)束,一個循環(huán)周期結(jié)束;然后在5 min內(nèi)將試件轉(zhuǎn)換到已調(diào)節(jié)到55℃的高溫實驗箱內(nèi),保持1 h。重復以上步驟,以完成循環(huán)周期。

(3)恢復和檢測 溫度沖擊完成規(guī)定的周期后從實驗箱內(nèi)取出試件,室溫放置至試件達到溫度穩(wěn)定。環(huán)境溫度為20±2℃,相對濕度＜70%RH。

1.2 AE試驗

根據(jù)航天部QJ 924—1985《復合固體推進劑單向拉伸實驗方法》標準,將經(jīng)過溫度沖擊試驗后的推進劑試件連接在深圳新三思CMT2103型電子拉力機上進行單軸拉伸聲發(fā)射試驗,拉伸速度為100 mm/min。試驗所用的AE系統(tǒng)為美國PAC公司產(chǎn)的SAMOSTM32型32通道聲發(fā)射儀,總增益100 dB,門檻電壓30 dB,帶通為1～200 k Hz。進行聲發(fā)射試驗時,用兩個聲發(fā)射傳感器對稱地裝在試件兩側(cè)以保證拉伸時受力均勻,并用橡皮帶將兩個探頭固定好,探頭和試件之間用凡士林作耦合劑,圖1為AE試驗裝置圖。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 宏觀力學性能變化分析

將經(jīng)常用以判定推進劑力學性能優(yōu)劣及判定力學性能變化的最大抗拉強度σm和最大延伸率εm進行歸一化處理。圖2是歸一化的σm和εm與溫度沖擊周期T的關(guān)系曲線。可見,溫度沖擊環(huán)境下σm,εm隨沖擊周期的增加而呈下降趨勢,且前期下降迅速,大約15個周期后強度下降開始變緩,表明溫度沖擊使推進劑力學性能劣化,引起其內(nèi)部損傷。

2.2 細觀損傷特性分析

圖3所示為AE特征參數(shù),其中最重要的定量參數(shù)是AE事件幅度、能量和持續(xù)時間。其中,AE能量分布綜合考慮了持續(xù)時間和幅度的影響,最適于反映材料的內(nèi)部損傷狀態(tài)。AE能量反映了對應時刻損傷的強度,AE累積能量反映了材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷的累積程度。因此通過分析不同溫度沖擊周期下推進劑AE能量和AE累積能量的變化,可以揭示溫度沖擊環(huán)境對推進劑的損傷規(guī)律。

圖3 聲發(fā)射參數(shù)性質(zhì)

圖4(a)～(g)分別表示溫度沖擊0,5,10,15,20,25和35個周期后單軸拉伸應力、AE能量、AE累積能量隨應變變化關(guān)系曲線。圖4(h)為不同溫度沖擊周期后AE累積能量隨應變變化關(guān)系曲線。在單軸拉伸聲發(fā)射試驗過程中發(fā)現(xiàn),推進劑試件斷口位置一般出現(xiàn)在試件中段附近,易出現(xiàn)與AE傳感器位置重合情況。在出現(xiàn)斷口與AE傳感器位置重合時,宏觀裂紋的出現(xiàn)會引起傳感器的失穩(wěn)甚至脫落,此時的AE信號干擾較大,并非全部來自材料內(nèi)部,因此各圖中宏觀裂紋出現(xiàn)時的AE信號值沒有全部示出。雖然在宏觀斷裂破壞時,對應著極大的AE能量,但是通過對比研究各溫度沖擊周期下宏觀斷裂前的AE能量和累積能量值,已足以反映溫度沖擊給推進劑造成的損傷。

分析圖4可以了解推進劑內(nèi)部損傷演變及破壞各階段的特征情況?？梢钥闯?AE能量表現(xiàn)出明顯的階段性。A點前的AE能量為0或很少,表明原有的初始損傷(微裂紋、微空洞等)沒有擴展,也沒有新的損傷產(chǎn)生。A點后AE能量急速增加,表明A點為損傷起始點,AB段為損傷的成核和擴展階段。B點釋放出的AE能量極大,比前面各點釋放出來的能量大一個甚至是幾個數(shù)量級,可以判定C點為宏觀裂紋形成時刻。因此,可以認為,溫度沖擊后的HTPB推進劑同樣存在著損傷成核、擴展和匯合斷裂三個失效階段。

對比圖4可以看出,溫度沖擊會引起HTPB推進劑力學性能的變化。沖擊時間越長,相應階段釋放出來的AE能量越低;C點出現(xiàn)的時間隨周期數(shù)的增多基本是向前提的,在15周期后基本穩(wěn)定。

從圖5可看出AE累積能量隨溫度沖擊時間的增加而不斷下降。該結(jié)果說明,溫度沖擊會引起HTPB推進劑內(nèi)部出現(xiàn)一定損傷,且損傷程度與溫度沖擊時間呈正相關(guān)性,所以經(jīng)過溫度沖擊后的HTPB推進劑的單軸拉伸AE信號強度明顯減弱。

為了更清楚地對比,將圖5中應變?yōu)?%～4%的范圍進行局部放大,從局部圖和整體圖可以看出,隨著溫度沖擊時間的增長,損傷門檻值A(chǔ)點出現(xiàn)的時間提前,由此可以推斷出溫度沖擊后的HTPB推進劑外載作用下更容易發(fā)生初始損傷。

2.3 溫度沖擊損傷機理分析

HTPB推進劑是一種高填充比顆粒復合材料,主要由粘合劑基體、固體填料和界面相組成[8]。由于各組分相熱膨脹系數(shù)的不同,開始階段,推進劑在升溫過程中溫度荷載作用下基體、界面易產(chǎn)生微裂紋;而降溫過程中,熱膨脹系數(shù)的不同不僅引起原有的微裂紋擴展,同時也會產(chǎn)生新的微裂紋。隨著溫度沖擊周期的不斷增加,微裂紋逐漸增多,原有微裂紋擴展量也增大,損傷程度也進一步加重,呈現(xiàn)損傷程度與溫度沖擊時間呈正相關(guān)性。

在有初始裂紋、空洞及脫濕的地方容易產(chǎn)生應力集中,當再次受到溫度沖擊時,這些地方會首先發(fā)生破壞,因此出現(xiàn)損傷門檻值提前出現(xiàn)的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)溫度沖擊環(huán)境下,HTPB推進劑的力學性能下降,出現(xiàn)一定程度的初始損傷,其單軸拉伸過程中存在損傷成核、擴展和匯合斷裂三個失效階段。

(2)溫度沖擊環(huán)境下,HTPB推進劑前期損傷較快,后期趨緩,但基本呈現(xiàn)損傷程度與溫度沖擊時間呈正相關(guān)趨勢。

(3)溫度沖擊環(huán)境下,HTPB推進劑更容易損傷或破壞,損傷門檻值降低。

(4)提高推進劑耐應力(應變)及環(huán)境聯(lián)合作用的能力,對提高固體發(fā)動機的可靠性和延長推進劑壽命有重要作用。

[1]Kivity M,Hartman G,Achlama A M.Aging of HTPB Propellant[C].41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference&Exhibit,Tucson,Arizona,2005：72.

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[3]何耀東,劉建全.環(huán)境濕度對HTPB推進劑力學性能的影響[J].固體火箭技術(shù),1996,19(3)：47-52.

[4]Svob G J,Bills K W.A predictive surveillance technique for air-launched motors[C].AIAA/SAE/ASME 18th Joint Propulsion Conference,AIAA 82-1097.

[5]Ide K M,Ho S Y,Williams D R G.Fracture behavior of accelerated aged solid rocket propellants[J].Journal of Materials Science,1999,34(17)：4209-4218.

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