固體火箭發(fā)動機貯存中裝藥裂紋故障及原因分析

王建朝 石瑋瑋 李彥麗/ 國營洛陽丹城無線電廠 航天科工集團第六研究院四十六研究所

0 引言

國內(nèi)外資料表明，固體發(fā)動機貯存中的故障模式主要包括界面脫粘、藥柱性能降低和藥柱裂紋。在多個型號發(fā)動機的貯存性能和延壽研究中發(fā)現(xiàn)，最常見的故障模式是界面脫粘、藥柱性能降低，有關(guān)貯存中藥柱出現(xiàn)裂紋的故障模式卻未見報道。有裂紋的發(fā)動機在點火發(fā)射時燃面增大，導(dǎo)致發(fā)動機壓力增加，致使內(nèi)彈道性能改變，若裂紋失穩(wěn)擴展，則導(dǎo)致發(fā)動機發(fā)生竄火或爆炸等災(zāi)難性事故，因此發(fā)動機藥柱裂紋是限制發(fā)動機使用的典型故障模式。

在某型導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機延壽研究工作中，發(fā)現(xiàn)用于延壽的試驗樣品中有1 發(fā)固體火箭發(fā)動機裝藥出現(xiàn)裂紋，而其他樣品結(jié)構(gòu)完好。為查明原因，消除裝備中存在的安全隱患，制定了專項研究計劃。

1 裂紋故障發(fā)動機的情況

在某型導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機延壽研究工作中，為了檢查延壽發(fā)動機藥柱結(jié)構(gòu)是否完好，利用450kV 工業(yè)CT 對發(fā)動機藥柱進行探傷，該裝置用450kV 小焦點X 射線管作為射線源，采用多陣列線陣、面陣探測器，能夠完成等效鋼厚度45mm 結(jié)構(gòu)件的CT 成像、DR 成像及X 射線照相法檢測。

在對不同貯存時間的8 發(fā)發(fā)動機進行探傷檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)1 發(fā)發(fā)動機藥柱有裂紋，其他7 發(fā)發(fā)動機藥柱無異常。圖1 給出了裂紋發(fā)動機的CT 掃描照片。

從DR 成像看不出裂紋的存在（左圖），而由CT（右圖）則可以看出，裝藥的5 個星孔中的4 個星孔的星槽都出現(xiàn)了裂紋，4 條發(fā)動機裝藥裂紋全部出現(xiàn)在星孔的星根部位，而且是曲率最大部位，即應(yīng)力最集中的部位。裂紋中最長的達600mm，裂紋最深達 8mm。

2 發(fā)動機裝藥裂紋分析

圖1 問題發(fā)動機CT照片

裝藥裂紋的出現(xiàn)對延壽工作的進行有較大的影響。為查明原因，對裝藥裂紋發(fā)動機進行解剖，對產(chǎn)生的裂紋進行觀察與測試；并挖取推進劑進行力學性能測試，以對裂紋的特性和裂紋產(chǎn)生的原因進行分析。

2.1 裝藥裂紋發(fā)動機的解剖

為分析發(fā)動機裝藥裂紋的狀況和推測裂紋產(chǎn)生的原因，對裝藥裂紋發(fā)動機進行了解剖。圖2 為解剖后發(fā)動機的裝藥端面和星槽中的裂紋。從解剖后的發(fā)動機可清晰看到藥柱表面的裂紋。表1給出了裂紋的位置和長度。

研究結(jié)果表明，藥柱裂紋有如下特點：

1）出現(xiàn)在發(fā)動機藥柱應(yīng)力集中部位。

2）裂紋的深度較淺。

4）裂紋處仍有粘合劑相連。

5）通過觀察或DR 探傷來發(fā)現(xiàn)隱性裂紋相對較為困難。

2.2 裝藥發(fā)動機中推進劑性能測試

為了分析裂紋產(chǎn)生原因，分別解剖了貯存4 年、10 年的發(fā)動機，以及和貯存11 年同批次未產(chǎn)生裂紋的裝藥發(fā)動機。利用從裝藥發(fā)動機中取下的裝藥芯瓣，沿發(fā)動機軸向切藥，加工推進劑力學性能測試用試樣。測試結(jié)果顯示推進劑的力學性能在不同部位的差異不大。表2 給出了不同年限發(fā)動機藥柱推進劑性能比較。

從表2 可以看出：

1）貯存4 年的裝藥發(fā)動機的推進劑常溫伸長率大于70%，高溫伸長率大于50%，低溫力學性能伸長率為35%，表明其有較好的初始力學性 能。

2）貯存10 年的裝藥發(fā)動機推進劑的高溫、常溫力學性能與貯存4 年的裝藥發(fā)動機中推進劑性能較為接近，表明其具有較好的貯存性能。

3）貯存11 年的無裂紋發(fā)動機的裝藥干燥前后性能差異較大。

圖2 解剖后發(fā)動機藥柱端面和星槽中的裂紋

表1 裝藥裂紋的位置和長度

表2 不同年限發(fā)動機藥柱推進劑性能比較

圖3 裝藥發(fā)動機中4年和11年推進劑拉伸曲線

4）出現(xiàn)裂紋的裝藥發(fā)動機中的推進劑性能遠遠低于無裂紋裝藥發(fā)動機中推進劑性能。

圖3 給出貯存4 年和貯存11 年裝藥發(fā)動機中推進劑的拉伸曲線。

由圖3 可知，貯存4 年發(fā)動機中推進劑拉伸曲線正常，而11 年發(fā)動機中推進劑存在著明顯的脫濕現(xiàn)象。由此說明，發(fā)動機藥柱在經(jīng)過了11年的貯存后，不僅存在著化學老化，還存在著由于濕度影響造成的物理老化，這兩種老化造成了推進劑常溫、高溫、低溫力學性能的大幅度降低，這種性能的下降有可能使發(fā)動機藥柱出現(xiàn)損傷。表3 給出了貯存4 年發(fā)動機中推進劑在75%RH 濕度環(huán)境中貯存后的試驗結(jié)果。從表3 的結(jié)果看出，濕度的存在將大大降低發(fā)動機中推進劑的力學性能。

對比出現(xiàn)裂紋的同批次發(fā)動機藥柱，尚未出現(xiàn)裂紋發(fā)動機中推進劑的性能下降（見表2），與初始推進劑相比，其強度和伸長率都明顯下降，而對推進劑進行干燥處理后，其強度和伸長率又都明顯回升，這是受濕氣影響丁羥推進劑的特征。這個試驗結(jié)果表明，研究的該批次發(fā)動機中的推進劑曾經(jīng)受到濕氣影響。本次發(fā)現(xiàn)的發(fā)動機裂紋的產(chǎn)生和濕氣的影響有關(guān)。

2.3 發(fā)動機裂紋情況普查

為消除發(fā)動機貯存中的安全隱患并分析裂紋產(chǎn)生的原因，對多個批次的數(shù)百發(fā)發(fā)動機進行普查，包括外觀檢測、DR 探傷和CT 探傷。普查結(jié)果表明，DR 探傷無異常而CT 探傷發(fā)現(xiàn)的除與裂紋發(fā)動機同批次發(fā)動機藥柱有問題外，其他批次發(fā)動機藥柱無異常，結(jié)構(gòu)完好。

在對20 發(fā)同批次的裂紋發(fā)動機進行普查時發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機完好率僅為30%。裂紋深度在3 ～13mm 之間，裂紋產(chǎn)生的位置與故障發(fā)動機藥柱裂紋位置相似，由此看來，該故障發(fā)動機藥柱裂紋的產(chǎn)生不是一個偶然事 件。

2.4 發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性分析

用ANSYS 有限元分析程序計算發(fā)動機藥柱結(jié)構(gòu)在溫度載荷、內(nèi)壓載荷、加速度載荷作用下的藥柱結(jié)構(gòu)完整性。根據(jù)計算結(jié)果可知，藥柱的最大等效應(yīng)變?yōu)?4.8%，表4 給出了貯存11 年裂紋發(fā)動機藥柱不同部分的性能，很明顯地看出藥柱的最大等效應(yīng)變已經(jīng)大于發(fā)動機藥柱的伸長率，這也就是藥柱推進劑出現(xiàn)裂紋的主要原因之一。

2.5 發(fā)動機低溫貯存、環(huán)境試驗和試車

為考核發(fā)動機的結(jié)構(gòu)完整性，將貯存了10 年的發(fā)動機在低溫（-55℃）下貯存3 天，然后進行探傷。探傷結(jié)果表明發(fā)動機結(jié)構(gòu)完好。低溫貯存后的發(fā)動機試車也取得了成功。

對其中1 發(fā)發(fā)動機加速老化后，進行沖擊、振動、溫度沖擊后試車也都獲得了成功。

2.6 發(fā)動機藥柱裂紋原因分析

通過對裂紋發(fā)動機的解剖、藥柱性能測試、發(fā)動機裂紋情況普查、結(jié)構(gòu)完整性分析和低溫貯存、試車等，表明：

表3 濕度對貯存4年的推進劑力學性能的影響

表4 貯存11年裂紋發(fā)動機藥柱性能

1）不同年份生產(chǎn)的數(shù)百發(fā)發(fā)動機探傷的結(jié)果中，裂紋只發(fā)生在貯存11年產(chǎn)發(fā)動機上。

2）貯存4 年、貯存10 年和貯存11年的發(fā)動機挖藥性能測試中，貯存11年的發(fā)動機推進劑的力學性能很差。

3）貯存10 年的1 發(fā)發(fā)動機經(jīng)過3天的低溫貯存后試車，以及加速老化后發(fā)動機經(jīng)過沖擊、振動、溫度沖擊后試車，都獲得了成功。

由此認為，貯存11 年裝藥發(fā)動機裂紋是批次問題造成的。

3 結(jié)論

1）裂紋在發(fā)動機探傷中DR 數(shù)字成像不易被檢測出，計算機斷層掃描（CT）技術(shù)可以檢測出裝藥的裂紋。

2）貯存11 年裝藥發(fā)動機推進劑性能下降非常大，說明裂紋與推進劑貯存中性能的變化有關(guān)；根據(jù)研究經(jīng)驗，這種降低規(guī)律很可能與濕氣的影響、產(chǎn)品的質(zhì)量、貯存時間等有關(guān)。

3）貯存11 年發(fā)動機裝藥裂紋是該批次發(fā)動機裝藥性能下降引起的，屬于批次性質(zhì)量問題。

4）長壽命產(chǎn)品不僅是設(shè)計出來的，還要靠生產(chǎn)制造過程的保證，只有嚴把生產(chǎn)制造過程中的質(zhì)量關(guān)，才能減少批次間的差異，避免由于批次差異造成發(fā)動機出現(xiàn)故障的幾率。