環境載荷下固體火箭發動機結構完整性研究

魯 棒，安振濤，李天鵬

(陸軍工程大學石家莊校區， 石家莊 050003)

火箭作為遠程高精度打擊武器，其重要性為世界各國所重視。通常，火箭按動力類別分為液體火箭和固體火箭。固體火箭具有結構簡單、造價低廉、藥柱特性比液體火箭發動機燃料更穩定，儲存更安全，更易小型化等優點。然而，分析歷年固體火箭發射失敗數據得出，固體火箭發動機結構完整性的缺陷是首要原因。作為固體火箭發動機系統的主要部件，大長徑比的固體推進劑在各種環境載荷下會產生應力應變集中，可能造成藥柱損傷而使火箭發動機失效。因此，著重研究各環境載荷對固體火箭發動機的結構完整性尤其重要。

1 環境載荷條件分析

固體火箭發動機全壽命周期內承載的環境載荷復雜多變，這些分布寬泛的環境載荷作用都會使發動機裝藥受到不同程度的損傷累積，進而影響發動機的結構完整性。從固體火箭全壽命周期分析，溫度載荷和振動載荷是承載的主要載荷，對固體火箭發動機結構完整性的影響也最為顯著。溫度載荷主要為固化降溫，貯存運輸期間的溫度沖擊和交變循環溫度，使用發射時的高溫高壓和溫度同其他因素的聯合作用。振動載荷按運載工具的不同主要分為公路運輸、隨艦航行和掛載飛行中的振動。

通過試驗手段重現載荷作用難度較大，并且實時測定內部裝藥的力學響應異常困難，因而結合各部件力學性能參數，基于數值仿真分析固體火箭發動機各部件在不同環境載荷作用下的應力應變場，對評估結構完整性有重要意義。

2 溫度載荷條件下固體火箭發動機結構完整性研究

溫度載荷主要通過熱傳導和空氣對流兩種方式作用于固體火箭發動機。由于藥柱熱膨脹系數比殼體高出近一個數量級，加之澆鑄式固體發動機殼體對各部件相對運動的約束作用，環境溫度擾動或交變溫度載荷的長時間作用都不同程度地增大發動機藥柱應力集中出現的概率，產生的應力應變還可能引起界面粘結強度退化。

1) 推進劑

推進劑藥柱在低溫載荷下基體硬化現象嚴重，將表征出更多的脆性，含能顆粒與基體粘結性能下降，對其他附加載荷作用也更為敏感。常新龍等[1]采用帶穿透性裂紋的推進劑試件開展了不同溫度載荷下的裂紋擴展試驗，結果表明低溫下的裂紋擴展速率高于常溫，且速度越低，裂紋的預擴展時間越短。相應的，固體火箭發動機在低溫條件下的發射安全系數也低于常溫和高溫工況，而通過合理選擇增塑劑可降低推進劑玻璃化轉變溫度，以達到提升其低溫發射安全性的目的。王小英等[2]在推進劑試驗中發現，在低溫拉伸條件下，NEPE推進劑主要表現為基體撕裂，而在低溫恢復常溫拉伸條件下，主要以顆粒與基體的“脫濕”破壞為主。在低溫和低溫恢復常溫條件下的推進劑力學性能變化不大，表明NEPE推進劑低溫下具有較強的抵抗損傷能力。張偉等[3]測試了某型推進劑的玻璃化轉變溫度，并以-40 ℃為參考溫度，推進劑在低頻區域(f<10-3Hz)處于高彈態，在10-3～107Hz處于玻璃化轉變階段，在高頻區域(f>107Hz)逐漸進入玻璃態。

2) 固化降溫

在固化降溫成型時，推進劑藥柱遇冷體積收縮造成原生缺陷處局部應力過大，降低工作可靠性。潘奠華等[4]對固化降溫過程中藥柱的三維瞬態溫度場進行模擬研究，分析了模量、泊松比及藥柱內外徑比值變化對推進劑藥柱應變響應的影響規律，對發動機裝藥材料選擇具有一定指導意義。李賀[5]則采用Nastran軟件研究評估了固化降溫過程中形成的非均勻溫度場對某型固體發動機結構完整性的影響，可為發動機裝藥的改進設計提供支撐。曹井新[6]應用AFOSM1評估了發動機的結構完整性，在固化降溫和發射載荷共同作用下可能造成粘結面脫粘。宗路航等[7]以不同材料為殼體，施加壓力，探究固化降溫過程中的藥柱應力應變，并給出加壓固化的推薦壓強，對指導固化加壓、消除藥柱殘余應力具有一定工程意義，但該研究并未考慮復合材料殼體各向異性、殼體封頭變形及藥柱脫模等因素。劉仔等[8]在此基礎上，建立工程上更適用的加壓固化壓力的計算關系式，并針對某發動機開展帶芯模的加壓固化成型全過程仿真分析，確定了藥柱脫模的可行性。

3) 溫度沖擊和溫度循環

徐進升[9]計算分析了溫度沖擊載荷作用下固體火箭發動機殼體、應力釋放罩等部件的力學響應特征，為進一步研究整體結構完整性奠定基礎。在研究低溫沖擊時岳小亮[10]發現，低溫沖擊作用下的藥柱應力應變最大，而且在沖擊開始階段達到的最大應力值要比溫度平衡之后的應力偏大，最大應變出現在內孔壁面中間部分，最大應力出現在藥柱兩端與絕熱層粘結處。

針對循環溫度作用下發動機響應及壽命預估，Humble等[11]計算得到了固體火箭發動機的可能失效模型，并以此預估其服役壽命，但研究并未考慮長時間溫度載荷作用引起的藥柱理化性能退化，因而可能過高地估計了固體發動機服役壽命。Heller等[12]全面考慮了藥柱在交變溫度載荷下產生的疲勞老化等效應，采用應力—強度干涉理論分析簡易固體發動機模型在溫度載荷下的服役壽命影響規律。王玉峰等[13]計算了循環溫度條件下裝藥的溫度與應力場，結果表明交變應力導致了裝藥損傷累積，高溫向低溫過渡期的損傷增長較快，為準確評估循環溫度載荷作用對固體火箭發動機結構完整性的影響提供了參考。基于平面應變假設，周紅梅等[14]計算了圓孔型藥柱在長期貯存過程中的粘彈性動力學響應，計算結果可為若干時間后發動機危險部位損傷值的判定提供依據。丁彪等[15]基于人工模擬交變溫度載荷，研究了某導彈發動機復合推進劑的應力應變場分布，發現溫度加載頻率的增加會引起應力響應增大，且應力較大部位發生在粘結界面，為發動機壽命預估方法提供參考。蘇冰[16]在探究海洋循環溫度對固體火箭發動機結構完整性的試驗中得出，年均溫度較低時，藥柱應力容易出現應力應變集中，未有效熱保護貯存狀態下的藥柱，長期的交變溫度產生的交變應力載荷，會使藥柱微觀結構受到不同程度的疲勞損傷，勢必影響其結構完整性。

4) 溫度同其他因素聯合作用

宋仕雄等[17]針對推進劑在低溫狀態點火瞬間的相關力學特性進行了分析，結果表明，點火瞬間的推進劑模量變化不大，對藥柱的結構響應影響較小，而推進劑在低溫狀態下泊松比較小，點火升壓下推進劑泊松比迅速增大而對藥柱的結構響應有很大影響，低溫狀態點火瞬間的藥柱應變呈不斷增高而應變率則逐漸降低。

在進行結構分析時，根據自由裝填式火箭發動機大長徑比的特點，蒙上陽等[18]在研究溫度變化的影響中發現，位移場的影響極大，特別是大長徑比發動機環境溫度變化大，高溫和低溫的伸縮量較常溫時相差數毫米，伸縮空間不足或支撐方式不當會導致過大的熱應力。

為更準確描述固體火箭發動機推進劑的力學特性，評估其結構完整性，不少研究人員通過模擬固體火箭發動機在實際環境的受載情況，獲取更加詳實的數據。王佳奇等[19]研究了溫度和壓力兩種載荷對藥柱結構完整性的影響，通過對低溫載荷單獨作用和低溫點火升壓聯合作用的對比，利用不耦合特性，計算得到了相應的應變值，得出點火升壓載荷作用下的藥柱等效應變仍滿足結構完整性要求的結論。為了獲取更加準確的受載狀況，鄧斌等[20]考慮殼體與空氣自然對流換熱的影響，對固體發動機結構進行了熱力耦合有限元分析，得出對流換熱系數變化會影響固化降溫、低溫試驗及低溫貯存過程中的結構響應，但隨對流換熱系數的不斷增大，這種影響逐漸減弱。韋世峰[21]考慮溫度和內壓聯合作用，利用仿真軟件ANSYS，通過實驗結果和仿真結果的對比，驗證了仿真的準確性。蒙上陽等[22]采用三維有限元方法，在發動機藥柱的危險截面上沿危險方向預設裂紋，在裂紋尖端構建奇異三維裂紋元，探究點火發射時環境溫度對固體火箭發動機藥柱內表面裂紋穩定性的影響。

鄧康清等[23]通過熱-機耦合，分析一種自由裝填式藥柱從固化降溫到低溫點火整個過程中的溫度場、總位移、應力應變的變化，得到了固化降溫和點火升壓過程中藥柱殼體有無粘接兩種情況下發動機藥柱的結構完整性，求出該型發動機藥柱殼體粘接高度不宜超過一定值。

H.C.Yildirim[24]分別對新品和服役六年的火箭發動機在點火壓力、溫度循環和儲存環境溫度載荷作用下的應力應變行為進行了有限元仿真，總結了老化程度對仿真結果的影響。

3 振動載荷條件下固體火箭發動機結構完整性研究

1) 公路運輸

公路運輸過程中產生的隨機振動載荷一般不會直接造成固體火箭發動機結構性破壞，但在遠距離或多次運輸工況下，也會導致發動機裝藥的累積損傷。Yuji[25]將構建的包含可壓縮殼體與不可壓縮推進劑兩種材料的發動機有限元模型用于分析火箭發射進行時振動所產生的影響，但該模型僅是將發動機簡化為梁單元，不能體現發動機內部構件在振動作用下的響應分布。徐偉國[26]構建了某型火箭運輸裝填車的動力學模型，并分析計算了火箭重要部位在典型路面激勵下的振動響應，數值計算結果分布同試驗測試結果基本一致。徐新琦[27]研究了不同等級路面、不同運輸速度對藥柱隨機振動響應分布的影響規律，為進一步確定藥柱運輸壽命提供了參考。劉華[28]則針對推進劑各材料參數對振型的影響規律進行研究，利用ANSYS對藥柱振動特性進行仿真分析，并基于隨機時變動力可靠度理論討論了公路運輸載荷對藥柱可靠度的影響。李恩奇等[29]采用頻變對的復模量模型，計算了某型固體火箭發動機的固有頻率及振型，得到了運輸過程中的隨機振動響應，為進一步研究發動機在動力學載荷下的結構完整性奠定了基礎。張波等[30]采用搭建的實時監測系統平臺，測試得到了某型固體發動機在公路運輸過程中界面的應力—溫度響應變化曲線，對固體發動機公路運輸的可靠性研究及界面性能改進均有重要意義。

實際公路運輸過程中，固體火箭發動機承載的是多軸隨機振動載荷。有研究提出該載荷作用時，結構的Von Mises應力響應過程近似服從雙參數威布爾分布。基于此，孫金云[31]計算了長時間公路運輸條件下，某型固體發動機藥柱的累積損傷，并給出了頻域的疲勞可靠度計算方法。朱衛兵[32]則基于Steinberg的“3o”法，定量計算了由隨機載荷導致的累積損傷，并預估了戰斗部裝藥的運輸失效時間。以上結論均為固體火箭發動機結構完整性研究提供了一定的思路啟發和技術支撐。

2) 隨艦航行

艦載振動、掛飛振動與公路運輸振動類似，不會直接導致固體發動機的結構失效，但交變的應力應變響應對固體發動機結構完整性的影響同樣不可忽略。相關研究表明，艦載固體火箭發動機承載的主要是低頻隨機振動載荷，藥柱星尖處多有應力集中現象，隨著加載周期增長，推進劑藥柱的脫濕過程將大幅加快。原渭蘭等[33]在研究艦艇振動作用下的固體火箭發動機受力時發現，殼體受力最大，襯層和藥柱所受最大應力相近，且比殼體的最大應力小很多。固體火箭發動機不會出現強度破壞，振動激勵幅值的變化對固體火箭發動機響應影響明顯，高頻振動對固體火箭發動機響應影響不明顯。

3) 掛載飛行

程吉明等[34]研究了機載導彈發動機在掛載飛行溫度邊界條件下藥柱的結構響應特性，結果表明，藥柱最大等效應變隨飛行高度的增大而增大，而掛載飛行速度對藥柱結構響應影響相對較小。隨掛載飛行次數的增加，藥柱產生累積損傷，且損傷值隨單次掛載飛行時間和飛行次數的增加而逐漸增大。

4 結論

目前，環境載荷作用下固體火箭發動機結構完整性的相關研究取得了長足發展，未來研究領域的重點應體現在以下3個方面。

1) 仿真實驗領域本構模型的構建。構建發動機內部各主要部件的更加準確的本構模型。普遍做法是由單純線性本構模型轉為非線性本構模型的描述，構建包括殼體、絕熱層、包覆層等更加詳實的模型。

2) 仿真實驗領域環境載荷的施加。施加最大限度接近實際環境的溫度、振動、內壓等載荷，提高仿真可信度。溫度載荷考慮大尺度、寬范圍，引入熱傳播的空氣對流和熱傳導、考慮非均勻溫度場的影響等。振動載荷考慮獲取實際環境的振動譜，利用實際測量的振動譜作為激勵是最精確的途徑，但是存在耗時耗力的缺點，普遍做法是構建各運載工具的動力學模型，通過振動試驗臺等獲取試驗功率譜。

3) 技術探測領域各手段的使用。結合最新的監測手段，采用聲全息、高能射線探傷、工業CT檢測等技術，深入直觀地描述推進劑藥柱中存在的氣孔、裂紋等微小缺陷或損傷，為固體火箭發動機結構完整性的研究拓展技術手段。