固體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑貯存壽命預(yù)估技術(shù)研究進(jìn)展

徐雪濤，丁玉奎，李天鵬，尚春明

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)， 石家莊 050003)

固體火箭的高價值性與危險性并存，使得其壽命預(yù)估有了特殊的含義。一方面，過短的壽命預(yù)估可能造成大量未達(dá)到報廢狀態(tài)的固體火箭被銷毀，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，雖然延長預(yù)計壽命可以避免不必要的損失，但如果固體火箭發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障并投入使用，則有可能導(dǎo)致火箭發(fā)射失敗，甚至造成重大事故，危及人員和財產(chǎn)安全。因此，預(yù)測固體火箭發(fā)動機(jī)的使用壽命，成為了當(dāng)前有關(guān)固體火箭研究領(lǐng)域重要的方向之一[1]。

固體火箭發(fā)動機(jī)一般由殼體、固體推進(jìn)劑、噴嘴組件和點火裝置組成[2]。研究表明，其中殼體的壽命一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于推進(jìn)劑的壽命,其他火箭零部件大多可以被替換，所以易受環(huán)境影響且難以替換的固體推進(jìn)劑成為了影響發(fā)動機(jī)壽命的主要因素[3-6]。

1 推進(jìn)劑藥柱失效分類

發(fā)動機(jī)長時間貯存后必定失效，從發(fā)動機(jī)生產(chǎn)出廠到其失效的時間間隔，一般稱其為使用壽命。發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑失效的原因有兩個[7]：

一是藥柱缺陷導(dǎo)致總體結(jié)構(gòu)損壞，從而影響火箭內(nèi)彈道特性。藥柱缺陷也可分為兩類，一類是在燃?xì)鈮毫蚱渌d荷作用下，孔穴產(chǎn)生的應(yīng)變超過推進(jìn)劑的最大伸長率，形成裂紋；另一類則是粘接面失效導(dǎo)致的殼體、襯層和藥柱間的脫粘[8]。

二是藥柱老化，理化性能發(fā)生改變，無法達(dá)到設(shè)計性能，甚至完全失靈。對于這種失效來說，盡管化學(xué)穩(wěn)定性對藥柱來說非常重要，但這種在固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計制造時，就必須要解決問題顯然不會對壽命造成影響[9]。化學(xué)性能的下降造成的內(nèi)彈道特性的變化和力學(xué)性能的變化則不一樣，他們更容易在化學(xué)穩(wěn)定性變化之前就影響火箭發(fā)動機(jī)的壽命[10]。

2 推進(jìn)劑藥柱壽命預(yù)估試驗方法分析

預(yù)估火箭推進(jìn)劑藥柱壽命對軍隊、工廠和科研設(shè)計院所都十分重要[11]。但由于固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱的儲存環(huán)境的不確定性，很難準(zhǔn)確地確定固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱的壽命。研究人員只能使預(yù)估壽命盡可能接近實際壽命，并由此發(fā)展出多種預(yù)估壽命試驗方法。

2.1 加速老化法

設(shè)計人員通常采用加速老化方法來預(yù)測推進(jìn)劑的使用壽命，這可以節(jié)約大量時間。外部溫度是影響藥柱分解老化的重要因素之一，一般情況下，溫度每升高10 ℃，推進(jìn)劑的老化速度增加2～4倍[12]。因此，根據(jù)溫度與推進(jìn)劑失效時間的關(guān)系，可以推斷出常溫貯存推進(jìn)劑的使用壽命。

我國從20世紀(jì)80年代就開始采用加速老化試驗，但這些實驗采用的高溫測試環(huán)境與自然貯存溫度無法相互轉(zhuǎn)換，所取得的預(yù)估壽命難以令人信服。所以加速老化法必須結(jié)合自然儲存條件下的試驗來進(jìn)行對比[13]，然而，由于自然試驗時間長，許多加速老化試驗的結(jié)果還沒有得到驗證[14]。另外加速老化的環(huán)境條件也不同于實際儲存環(huán)境，一些化學(xué)反應(yīng)在高溫下反應(yīng)強(qiáng)烈，在低溫下反應(yīng)很慢，因此用此方法預(yù)測的結(jié)果受到懷疑，目前只作為預(yù)測發(fā)動機(jī)壽命的輔助方法[15]。

2.2 老化監(jiān)測法

美軍曾對其民兵系列固體火箭發(fā)動機(jī)實施過全面老化和監(jiān)測計劃(A&S)[16]，分別對全尺寸發(fā)動機(jī)、縮比發(fā)動機(jī)和部件(含推進(jìn)劑方皮和藥塊),以及服役發(fā)動機(jī)進(jìn)行監(jiān)測。在貯存期間定期對推進(jìn)劑方皮或藥塊取樣測試(力學(xué)和彈道性能)，以便提前做出預(yù)報，同時定期對縮比和全尺寸發(fā)動進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性檢查和試車，并定期解剖全尺寸發(fā)動機(jī)，測試藥柱的力學(xué)和彈道性能，通過一系列試驗得到藥柱儲存特性，明確其失效分類，從而預(yù)估壽命并采取延壽措施。

這種監(jiān)測計劃有以下不足：(1)試驗采用的破壞模式不確信，(2)實際的破壞極限不明確，(3)無法確定推進(jìn)劑的性質(zhì)，(4)試驗假設(shè)變化速率恒定不變，且只能進(jìn)行2年的短時預(yù)報。

2.3 長期使用壽命分析法

由于長期監(jiān)測計劃提到的四個缺點，并且重新制造符合要求的發(fā)動機(jī)需要有4年的生產(chǎn)周期，顯然2年的預(yù)報期不符合要求。因此為了提前4年作出壽命預(yù)估，美軍在加速老化實驗的基礎(chǔ)上發(fā)展了長期使用壽命分析計劃[17-18]。

長期使用壽命分析計劃的基本假設(shè)是：(1)可以通過將一組描述發(fā)動機(jī)的幾何、材料特性以及內(nèi)部和外部環(huán)境的參數(shù)輸入計算機(jī)，從而對破壞模式的性質(zhì)進(jìn)行建模；(2)可用預(yù)測破壞條件的模型來進(jìn)行驗證，而后觀察在該破壞條件下發(fā)動機(jī)的損壞狀況。

多年來，該方法因其預(yù)估壽命可靠而得到了廣泛的應(yīng)用[19]。但它仍存在不足：對單一型號進(jìn)行的試驗的預(yù)測數(shù)據(jù)不具有普遍性。此外，最終的比較標(biāo)準(zhǔn)仍然是全尺寸發(fā)動機(jī)的自然儲存性能數(shù)據(jù)，因此需要長時間的數(shù)據(jù)采集，消耗大量人力物力。

2.4 模型法

從發(fā)動機(jī)貯存壽命來看，造成失效的損壞是長期緩慢逐步累積的，其性能下降的具體程度受其儲存環(huán)境影響，所以準(zhǔn)確預(yù)估發(fā)動機(jī)壽命就要正確把握環(huán)境因素帶來的影響，對其進(jìn)行量化定性[20-21]，這是利用模型法準(zhǔn)確預(yù)估發(fā)動機(jī)壽命的重要前提。

模型法最大的優(yōu)點是其試驗成本極小，且在建立模型后就可馬上得到試驗結(jié)果。但其預(yù)估的壽命準(zhǔn)確性很大程度上取決于模型是否精確完備，早期有過：外部溫度模型、損傷模型、馬爾科夫狀態(tài)模型等[22]。近年來，越來越多的關(guān)于推進(jìn)劑藥柱壽命預(yù)估的文獻(xiàn)采用了模型法、或模型法與試驗相結(jié)合的辦法，從中可以看出，使用的模型不斷完善，且計算精度能夠通過試驗驗證。

3 推進(jìn)劑藥柱狀態(tài)監(jiān)測手段

3.1 無損監(jiān)測

固體發(fā)動機(jī)由于其高經(jīng)濟(jì)價值和不可重復(fù)使用性，一般使用無損檢測來進(jìn)行測試。固體火箭發(fā)動機(jī)無損檢測能夠發(fā)現(xiàn)推進(jìn)劑藥柱中存在的氣孔、裂紋等微小缺陷或損傷，能夠用于推進(jìn)劑藥柱測試的無損檢測法一般有聲全息、高能射線探傷、工業(yè)CT檢測等。

1) 聲全息。聲全息在獲得這些材料中物體形狀和結(jié)構(gòu)的可見圖像方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，因為聲波可以通過不透明的材料。但美國在1976年曾使用該方法探測“民兵”導(dǎo)彈藥柱中的多層脫粘和老化裂紋，結(jié)果表明，該方法對發(fā)動機(jī)兩端的脫粘和藥柱裂紋探測效果不佳。

2) 高能射線探傷。實踐證明，對于大型固體火箭發(fā)動機(jī)，只有用電子直線加速器作為高能射線源才能解決其探傷問題[23]，這是因為電子直線加速器具有高能級的特點。目前，固體發(fā)動機(jī)無損檢測的能量范圍為4～15 MeV，最高可達(dá)60兆電子伏特。其對焦直徑約1～2 mm，操作方便，使用可靠，維護(hù)成本低，無噪音。1978年，美國洛克希德公司首次使用直線加速器對直徑1 600 mm的固體發(fā)動機(jī)進(jìn)行了無損檢測，可以探到藥柱內(nèi)寬度0.25～0.71 mm的裂紋，反差靈敏度小于1%[24]。

3) 工業(yè)CT檢測。無論使用哪種輻射源，物體的不同深度和部位(包括各種缺陷)都重疊在薄膜或熒光屏上，因此很難識別損傷，但工業(yè)CT系統(tǒng)能夠解決這些問題。該設(shè)備從多個角度收集射線衰減數(shù)據(jù)，該射線經(jīng)不同角度橫穿發(fā)動機(jī)發(fā)生衰減，所以收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機(jī)操作，可以得到截面內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰直觀的圖像。工業(yè)CT監(jiān)測具有許多優(yōu)點，例如其能夠得到比高能射線探傷分辨率更高的圖像，耗時更少，但它仍存在一定的局限性。系統(tǒng)復(fù)雜，硬件需要高精度的掃描儀，軟件需要圖像重建技術(shù)，試驗時間長、成本高，使用維護(hù)困難，不能用于發(fā)射場檢測等都是限制其對藥柱進(jìn)行檢查的原因。

3.2 傳感器監(jiān)測

聲全息、高能射線探傷、工業(yè)CT檢測都可以確定推進(jìn)劑藥柱是否存在缺陷，但它并不能給出關(guān)于特定推進(jìn)劑藥柱開裂傾向的信息。所以可以通過建立老化模型，匹配推進(jìn)劑中的失效應(yīng)力與藥柱中最大應(yīng)力的接近程度來預(yù)測推進(jìn)劑的材料特性。當(dāng)前，使用嵌入式傳感器監(jiān)測藥柱的應(yīng)力值，從而推出藥柱的貯存壽命，是研究人員正在嘗試的一種新方法。這種方法能夠?qū)腆w火箭發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行全壽命周期的連續(xù)監(jiān)測，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測和預(yù)測方法的許多缺陷。

目前，應(yīng)用于固體火箭發(fā)動機(jī)的內(nèi)嵌式傳感器主要有兩種，分別是應(yīng)力傳感器和應(yīng)變傳感器[25]。20世紀(jì)90年代，研究人員為了測量發(fā)動機(jī)在溫度載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，將微應(yīng)力傳感器粘接在發(fā)動機(jī)殼體和襯套之間的界面上，如今這種傳感器的精度和穩(wěn)定性在經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展后已經(jīng)有了很大的提高[26]。美國空軍研究實驗室和海軍航空武器中心(NAWC)在1998年提出了高性能火箭技術(shù)整體規(guī)劃。其目的之一是使用傳感器監(jiān)測推進(jìn)劑藥柱理化性能的變化規(guī)律，同時，為了監(jiān)測老化實驗中粘結(jié)應(yīng)力的變化情況還專門制作了放置數(shù)個應(yīng)力傳感器的模擬發(fā)動機(jī)。為了提高推進(jìn)劑傳感器的兼容性和穩(wěn)定性，擴(kuò)大環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測范圍，美國軍方于2001與Micron Instruments公司共同開發(fā)用于固體火箭發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)的嵌入式傳感器。在公司提交的第一階段報告表明，在75%滿負(fù)荷條件下，傳感器在55周內(nèi)無蠕變，零漂移僅為3.8磅/英寸，可從傳感器提供的數(shù)據(jù)中得到推進(jìn)劑的累積損傷值，并且可以識別缺陷的位置。第二個階段則是開發(fā)一個嵌入式傳感器來監(jiān)測發(fā)動機(jī)在運(yùn)輸過程中的負(fù)載。

采用嵌入式傳感器進(jìn)行發(fā)動機(jī)健康狀況監(jiān)檢測具有系統(tǒng)簡單、成本低、測試方便和實時性等優(yōu)點，是近年來固體火箭發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向之一[27]。嵌入式傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)檢測不同載荷歷程下發(fā)動機(jī)粘接界面的應(yīng)力和應(yīng)變情況，為發(fā)動機(jī)健康評估提供重要依據(jù)。但放置傳感器以后，可能影響界面粘接強(qiáng)度[28]，因此，需要研究在放置嵌入式傳感器后界面粘結(jié)強(qiáng)度的改變情況。張春龍等[29]就對此進(jìn)行了研究，得出的結(jié)果是：界面粘接強(qiáng)度受應(yīng)力傳感器影響極小，在不影響固體火箭發(fā)動機(jī)正常使用的前提下，嵌入式傳感器在發(fā)動機(jī)中至少可以穩(wěn)定工作3個月以上。

4 結(jié)論

今后該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢是：

1) 對每臺發(fā)動機(jī)建立單獨(dú)的數(shù)據(jù)收集文件，記錄出廠時的檢測數(shù)據(jù)、儲存和運(yùn)輸過程中所承受的各種載荷、定期檢測的狀態(tài)等，從而準(zhǔn)確地預(yù)測其壽命。

2) 光纖應(yīng)變傳感器的發(fā)展消除了對傳統(tǒng)傳感器將電導(dǎo)線引入發(fā)動機(jī)中安全性擔(dān)憂，未來新型監(jiān)測傳感器將具有更高的精度和安全性。

3) 隨著新技術(shù)和新算法的采用，分析模型不斷完善，計算精度日益提高，且所得的試驗結(jié)果可通過測試進(jìn)行論證，利用模型法進(jìn)行壽命預(yù)估具有較大發(fā)展空間。

4) 預(yù)估發(fā)動機(jī)的使用壽命需要綜合考慮推進(jìn)劑與發(fā)動機(jī)的相互作用[30]，不能僅僅通過藥柱力學(xué)性能的變化來預(yù)測發(fā)動機(jī)的使用壽命。未來，發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估會將發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)一起考慮，形成更加完備的壽命預(yù)估體系。