HTPB推進劑拉伸試驗研究進展

代李菟，王 廣，王學仁，王哲君

(火箭軍工程大學， 西安 710025)

隨著當前人類對太空領域的不斷探索，以及國際形勢不穩定、不確定因素的不斷出現，各國對高性能、高可靠、高安全的航空航天火箭和戰術導彈的研發需求不斷提高，作為引起固體火箭發動機失效的主要原因之一[1]，固體推進劑藥柱結構完整性關乎到整個固體發動機的正常工作。而固體推進劑藥柱結構完整性的破壞形式，通常是由于其內孔產生的應變過大，超過了推進劑的最大伸長率，致使裂紋形成[2]，同時在實際的研究中發現，相對于抗拉能力而言，固體推進劑抗壓能力較強[3]，因此對于固體推進劑結構完整性的研究，通常采取拉伸試驗的方法。

作為當前使用時間最長、應用型號最廣的固體推進劑[4]，端羥基聚丁二烯(Hydroxyl-Terminated Polybutadience，HTPB)是一種以粘合劑為基礎的顆粒增強粘彈性材料，其材料屬性較為復雜，極易因溫度、應變率和老化程度等因素的影響，導致其力學性能產生較大變化[5]，需要進行大量的試驗進行研究。本文從復合固體推進劑拉伸試驗出發，結合單軸以及多軸拉壓力學性能試驗進行闡述和分析，并就十字形雙軸拉伸試驗夾具的設計方面，進行了介紹和對比，為今后開展復合固體推進劑拉伸試驗及試驗夾具的設計提供一些參考。

1 單軸拉伸力學試驗研究

在早期的拉伸試驗中，拉伸試驗儀的動力驅動裝置利用的是杠桿原理，隨后開始出現機械式以及液壓式拉伸試驗機，但其拉伸速率比較緩慢。隨著電子與控制技術的發展，電子式拉伸試驗機誕生，滿足拉力的同時拉伸速率也不斷提高。

1.1 準靜態單軸拉伸力學試驗研究

當前有關固體推進劑單軸拉伸力學試驗的研究，國內外已經建立了較為完善的試驗標準，例如國外1957年等JANNAF標準[6]，以及國內1985年[7]、1993年[8]和2005年[9]等相關標準，對試件尺寸、試驗方法以及相應的試驗機等方面，都有詳細的介紹。基于此，文獻[10]研究了應變率和加載方式對HTPB推進劑力學性能的影響，發現推進劑抗拉強度、伸長率等與應變率的對數成線性增加關系；文獻[11]所示的夾具如圖1所示。通過該夾具快慢組合拉伸試驗進行了相應的力學性能試驗，認為復合固體推進劑的應力-應變曲線，會隨著拉伸的應變速率的提高，其“雙峰”現象會越來越明顯；文獻[12]通過相關準靜態單軸拉伸試驗發現，拉伸速率的增加、試驗溫度的降低會使得推進劑抗拉強度增大。

圖1 試驗夾具

關于拉壓對比試驗，文獻[13]參照拉伸標準試件，進行了不同應變下的推進劑拉/壓對比測試，發現推進劑壓縮模量隨試驗速度的變化規律與拉伸模量的變化規律相同；文獻[14]通過對HTPB推進劑進行不同溫度和不同應變率條件下的拉壓力學性能試驗，發現其應力-應變曲線均表現出3階段變化規律，但其破壞機理有一定差別。

盡管當前對于復合固體推進劑準靜態單軸拉伸試驗取得了較為豐碩的成果，但是在實際工作過程中，固體推進劑受到的是動態力學的作用，其對推進劑的力學性能影響較大，采用動態力學試驗能更為準確的對武器的效能進行研究[15]。

1.2 動態單軸拉伸力學試驗研究

近年來由于電液伺服試驗機不斷發展，一些高性能材料試驗機可以進行一些動態力學性能試驗研究，但由于試驗裝置的局限性，一般需要結合具體條件和要求，設計相應的試驗夾具：采用新型單軸高應變率液壓伺服試驗機和自主設計的試驗夾具，文獻[16]開展了不同溫度不同應變率條件下復合固體推進劑的動態單軸拉伸力學性能試驗(圖2)；文獻[17]采用萬能試驗機進行了單軸拉伸試驗，發現推進劑抗拉強度隨應變率的增加而增大。對于此類試驗，要求較高的試驗機應變速率，同時試驗機與試件的連接夾具需要進行特殊的設計。

圖2 試驗夾具

此外對于固體推進劑動態力學試驗的另一個主要方法，是基于分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)裝置。當前國內外研究者主要是利用SHPB裝置進行動態壓縮試驗，但文獻[18]采用非一維單軸壓縮試件，利用SHPB裝置，得到推進劑試驗件從中心區域開始，沿著直徑的方向，向兩加載端擴展裂紋的試驗現象，實現拉應力對試驗件產生破壞的效果(圖3)。

圖3 應變片粘貼方式及推進劑典型破壞形貌

該試驗通過預先將應變片粘貼在試件表面的方式，利用應變測試儀直接完成對試件動態拉伸應變歷程的測試。最后依據彈塑性力學理論推導出試件中心位置的拉應力，并得出相應的“三段式”動態拉伸載荷-時間圖。

盡管當前用于固體推進劑動態拉伸的萬能試驗機和SHPB裝置的發展相對比較成熟，但是前者需要設計特殊的試驗夾具才能順利開展動態單軸拉伸試驗，而后者則主要是需要滿足桿一維應力和設計均勻性假定，對實驗的要求較高。

1.3 當前研究中的不足及展望

由于試驗裝置的限制，當前動態單軸拉伸試驗相比準靜態單軸拉伸試驗更難進行。一方面，采用高性能材料試驗機的方法進行動態拉伸時，其夾具的設計是一項難點，極易出現匹配不好或者夾具的構型對試件應力應變的改變，使得試驗結果誤差較大的情況。另一方面，利用SHPB裝置開展動態拉伸試驗時，由于實驗條件需滿足整個桿是一維彈性應力波傳播，以及應力應變加載均勻分布在試件中這2個基本條件，使得對試件構型的設計、試驗裝置的調整和試驗方法的創新要求較高，而且試驗的結果需要通過一定的理論計算，試驗方法較為復雜。最后，結合固體推進劑的實際工作條件，其受到單一的一維載荷作用的情形較少，多數情況下受到的是多維疊加載荷的作用，因此今后開展相關力學性能試驗采取雙軸或多軸的力學試驗與實際更為貼合。

2 多軸拉伸力學試驗研究

當前國內外研究者對于推進劑多軸拉伸力學試驗的研究，主要是基于準雙軸拉伸、雙軸拉伸以及三軸拉壓力學試驗進行研究。

2.1 準雙軸拉伸力學試驗研究

由于在硫化降溫等多種載荷的作用下，固體推進劑藥柱內孔表面近似于1∶2的雙軸拉伸狀態，而通過對寬板試件進行有限元分析計算[19]，發現固體推進劑寬板試件也可實現應力比為1∶2的雙軸拉伸狀態，故采用寬板試驗件，開展固體推進劑準雙軸拉伸力學性能試驗，在理論上是可行的(圖4為一種固體推進劑寬板試件)。

圖4 固體推進劑雙軸板條試件結構示意圖

隨后研究者[20-23]設計了相應的寬板固體推進劑試件，完成了試驗研究并驗證了該方法的可行性，但是采取該試驗方法得到的拉伸結果，始終是1∶2的拉伸比，具有一定的局限性。

2.2 雙軸拉伸力學試驗研究

平板十字形試驗件能直觀的展示推進劑雙軸拉伸應力狀態，當前對于推進劑雙軸拉伸力學性能的研究，主要是采用十字形雙向拉伸試驗。文獻[24]通過單軸試驗機及自主設計試驗夾具(圖5)，成功實現了推進劑的雙軸拉伸試驗，認為固體推進劑在雙軸與單軸拉伸下的力學行為是不同的，并且固體推進劑存在一定的各向異性特性。

圖5 文獻[24]的試驗夾具示意圖

文獻[25]通過復合固體推進劑中心區域減薄的方式，在專用的雙軸拉伸試驗機上實現了雙軸拉伸力學性能試驗，并驗證了中心區域減薄的試驗方法的可行性；文獻[26]通過預置裂紋的方式減小試驗件四肢倒角應力集中，進行了雙向拉伸實驗研究，并驗證了該方法的可行性；文獻[27]采用二階減薄和分離加載臂的技術，對試驗件進行優化和設計，并開展了相關雙軸拉伸試驗，發現在進行1∶1雙向拉伸時，試件雙向拉伸的斷裂延伸率比單向要低；隨后文獻[28]取消開槽設計，通過擴大十字形試件的四枝交接處倒角的方式，實現了雙軸拉伸試驗研究，并分析了在預應變的情況下，固體推進劑雙軸拉伸時的非線性粘彈性。

目前對復合固體推進劑雙軸拉伸試驗，研究者主要是基于平板十字形試驗件，進行相應的雙向拉伸試驗研究，總體而言，主要存在的困難在于試件的四枝先于中心測量區域斷裂，或者中心測量區域應力應變分布不均勻等。當前研究者主要就試驗件的構型進行設計和優化，取得一定成效，但是關于高應變率雙向拉伸試驗，由于相關試驗標準的匱乏以及試驗機的限制，國內有關研究尚不成熟。

2.3 圍壓力學試驗研究

除上述力學性能試驗研究以外，針對固體推進劑三軸拉壓力學試驗，國內外研究者主要開展了基于圓形薄片的“撲克籌碼片”試驗[29]、基于厚圓盤的徑向壓縮試驗[30]、基于圓管狀實驗件的試驗[31](圖6)以及圍壓試驗[32]。由于后兩種實驗能夠更好地模擬點火增壓環境下固體推進劑的力學性能和有效分析SRM藥柱的結構完整性，故其在工程研究中得到了較為廣泛的應用。

圖6 管狀試驗件及測試設備圖(局部)

文獻[33]通過在準靜態試驗機上安裝圍壓裝置，研究了壓強的變化對三軸應力狀態下固體推進劑力學性能的影響；文獻[34]通過建立一個氣體圍壓的環境進單軸拉伸試驗(圖7)，發現推進劑氣體圍壓系統能提高推進劑的拉伸強度，并對推進劑的損傷起到抑制作用。

盡管試驗設備、試驗方法、試件形狀以及力和應變數據采集等均與常規的單軸試驗不同，相關的三軸拉壓試驗標準等都有待完善，但國內有關固體推進劑三軸拉壓力學試驗也取得了部分研究成果，并且較好的應用到工程實際，對藥柱結構完整性分析起到一定的幫助。

圖7 圍壓拉伸系統示意圖

2.4 當前研究中的不足

由于國內關于推進劑多軸拉伸力學試驗的研究沒有一個統一標準，對于此類試驗的研究方法處于一個不斷探索的階段，主要存在以下兩方面的不足：

1) 試驗方法的匱乏導致相關試驗不具備系統性，不同的試驗方法之間可比較性較差，而單軸拉伸試驗的方法對雙軸拉伸試驗的可參考性不夠，同時對于混凝土等其他材料的雙軸拉伸試驗，其材料屬性與復合固體推進劑差距較大，參考此類材料的試驗方法在實際的試驗中難以開展。

2) 試驗設備的限制使得當前基于雙軸拉伸試驗機開展的拉伸試驗都是準靜態力學試驗，而直接采用準靜態的力學試驗獲取的實驗結果和相關力學性能參數，來對推進劑的實際工作狀況進行性能評估，其可靠性相對不足。

3 雙軸拉伸試驗夾具研究

文獻[25]通過自主設計的試驗夾具完成了推進劑的雙軸拉伸試驗，并認為適當的試驗夾具可實現對固體推進劑雙軸拉伸試驗。將單軸拉伸試驗機作為動力驅動裝置，通過與特有的試驗夾具相結合，實現將一維驅動的力轉換成二維驅動雙向加載的方法，是當前十字形雙向拉伸試驗的主要方法。根據夾具將一維力轉換成二維力的方式的不同，可將夾具分為鉸鏈式、滑塊式、杠桿式以及滑輪式。下面分別對這4類試驗夾具進行介紹，并對其優缺點進行分析和對比。

1) 鉸鏈(銷釘)式夾具

文獻[35]設計了一種雙向拉伸試驗夾具(圖8)，并進行了十字形試件雙向疲勞試驗。該夾具下拉板固定，上拉板與試驗機的加載裝置連接，試件四枝分別與夾具的2個中軸和中夾板固定連接，在施加載荷時，上拉板向上運動，夾具的中軸和斜軸同步運動，斜軸連接著的中夾板分別進行左右運動，實現對十字形試件雙向拉伸。這種試驗夾具它結構簡單，使用方便，性能優良，但是在試驗件拉伸的過程中，斜軸的傾斜角度一直在改變，試件處于變速拉伸狀態，難以實現定速拉伸，對于實際的拉伸試驗而言，試件所受的載荷強度也難以得出。

圖8 一種鉸鏈式夾具示意圖

2) 滑塊式夾具

文獻[36]設計了一種原理簡單，成本較低的雙軸拉伸夾具(如圖9)。該試驗夾具下夾板固定，上夾板與單軸拉伸試驗機的加載端固定相連，試件四枝與夾鉗分別固定連接，其中左右2個插銷能在夾板內沿著夾板臂的方向自由滑動。在拉伸的過程中，夾具左右兩夾鉗始終保持水平，并隨著夾板的運動同步進行軸向的運動，實現對十字形試驗件的橫向拉伸。由上下夾板構成的四邊形在運動的過程中始終處于平行四邊形，故該裝置能實現定速拉伸，但是倘若進行變比例拉伸，則必須重新對夾具的尺寸進行設計和改造，而且在較大的拉伸載荷及速率的情況下，滑動的插銷容易卡主，無法進行高速拉伸試驗。

圖9 一種滑塊式夾具示意圖

3) 杠桿式夾具

文獻[37]通過將2個杠桿傾斜，使得2個杠桿的一端連接同一個液壓機的兩端，同時將其中一個杠桿的支點固定，另一個杠桿的支點可橫向移動，通過橫向移動該支點的方式，實現杠桿對試件拉力的改變，達到任意比例的雙向拉伸加載(圖10)。此類夾具結構簡單，操作性強，但是對于復合固體推進劑而言，在進行拉伸試驗的過程中，由于推進劑具有一定的延展率，故試件會產生較大的形變，當杠桿偏離初始位置的角度較大時，會使得試件處于變速拉伸的狀態，難以實現定速拉伸。

4) 滑輪式夾具

文獻[38]利用滑輪原理，通過將載荷施加到繩索的一端，利用滑輪改變繩索的繞向的方式來改變力的方向，最終實現豎直和水平兩個方向的都能受到繩索的拉力(圖11)。該夾具能夠較好的實現定速拉伸，而且可以通過增加滑輪的方式實現變比例拉伸，但由于夾具是利用繩索的方式傳遞載荷，在做試驗前需確定繩索處于緊繃的狀態，同時也要滿足夾具的上下部分處于完全平行的狀態，否則會因受力不均勻使得夾具變形。

圖10 一種杠桿式夾具示意圖

圖11 一種滑輪式夾具示意圖

4 結論

1) 以現有的推進劑準靜態力學性能試驗理論、方法設計和數值計算等方面進行綜合分析，尋找能用于動態拉伸試驗的突破點，并在開展動態拉伸試驗的過程中不斷完善。

2) 雙軸拉伸試驗能更好的模擬推進劑的實際工況，具有更高的研究價值。參考其他材料的雙向拉伸力學試驗，對其試驗方法和設計思路進行對比分析，通過改進和再設計的方式，可完成復合固體推進劑雙軸拉伸試驗系統的制定。

3) 對于雙向拉伸試驗夾具的設計，要充分考慮動態雙向拉伸時拉伸速率的增加會使得推進劑抗拉強度增大，對夾具強度和形狀尺寸的設計要有一定的預留度。