基于形狀記憶聚合物固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥芯模試驗(yàn)研究①

王蓬勃，杜林喆，沈業(yè)煒，池 鐵，羅思璇，陳 俊，王 磊，張 魯，孫 健，張風(fēng)華，劉立武，劉彥菊，冷勁松

（1．上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201109；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱 150080；3．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天工程與力學(xué)系，哈爾濱 150001）

0 引言

隨著導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)多樣性發(fā)展，對發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能提出更高要求，裝藥結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，裝填比更高。 藥型設(shè)計(jì)受到裝藥芯模工藝的約束，常常難以設(shè)計(jì)出滿足要求又可方便脫模的藥型。 目前普遍采用的整體式和組合式機(jī)械結(jié)構(gòu)芯模工藝，整體式芯模結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能夠滿足常規(guī)藥形設(shè)計(jì)，如管槽、翼柱和星型等。 組合式機(jī)械結(jié)構(gòu)芯模在復(fù)雜藥型的裝藥上有較多應(yīng)用。 這類芯模適應(yīng)性好，可重復(fù)使用，制作的藥柱光澤性好，整形量小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，需要為不同的藥型設(shè)計(jì)不同的芯模結(jié)構(gòu)，成本高。 此外，隨著3D 打印技術(shù)的興起，發(fā)動(dòng)機(jī)的3D 打印技術(shù)也獲得了較多研究，但目前該技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)材料要求較高，且藥柱層間強(qiáng)度較低，有待繼續(xù)發(fā)展。

復(fù)雜藥形和高裝填比藥形采用傳統(tǒng)芯模已經(jīng)不能滿足總體要求，對于變截面的藥形，例如兩端小中間大，常規(guī)的整體式芯模很難做到，組合式芯模脫模也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周期長等缺點(diǎn)。 隨著設(shè)計(jì)、仿真和材料基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于形狀記憶聚合物（Shape Mem?ory Polymer，簡稱SMP）新材料基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)技術(shù)，已經(jīng)在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)用品、機(jī)械制造等領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。 形狀記憶聚合物是一種具有形狀記憶效應(yīng)的高分子材料，能夠在某種刺激下回復(fù)自己的初始形狀。 此外，還具有大變形，低密度等特點(diǎn)，適合制作特種模具。 美國的研究學(xué)者EVERHART M C等嘗試應(yīng)用形狀記憶聚合物模具成型方案制造了復(fù)雜形狀的S 形進(jìn)氣道復(fù)合材料構(gòu)件，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用形狀記憶聚合物模具制備了瓶型智能模具，并進(jìn)行形狀回復(fù)實(shí)驗(yàn)和纖維纏繞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的順利脫模。 形狀記憶聚合物在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥芯模應(yīng)用尚未見報(bào)道或者報(bào)道較少，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士團(tuán)隊(duì)提出采用形狀記憶芯模進(jìn)行固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，可解決復(fù)雜異型裝藥工藝難題，具有安全性高、密度低、生產(chǎn)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

本文基于形狀記憶聚合物芯模，開展發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)探索性前沿基礎(chǔ)技術(shù)研究，開展異型裝藥設(shè)計(jì)和脫模工藝，對于長徑比較大的發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)，通過中間開槽減少應(yīng)力集中，提高裝填比，利用形狀記憶聚合物實(shí)現(xiàn)異型裝藥結(jié)構(gòu)，拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥形式，為藥形設(shè)計(jì)提供了一種新的制備工藝。

1 模具制備

1．1 工作原理

形狀記憶聚合物是指具有某一原始形狀的制品，經(jīng)過形變并固定后，在特定的外界刺激（如熱、電、光、磁或溶液等）下能自動(dòng)回復(fù)到初始形狀和尺寸的一類聚合物材料，具有形狀記憶特性以及變剛度特性。利用形狀記憶聚合物的變剛度特性和形狀記憶效應(yīng)，選擇變形和溫度較為適合的SMP 材料，通過合理的材料改性，提高材料韌性、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和伸長率。圖1 描述了形狀記憶效應(yīng)的一個(gè)形狀記憶周期。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是形狀記憶聚合物比較重要的物理參數(shù)，當(dāng)溫度小于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料處于玻璃態(tài)，此時(shí)形狀記憶聚合物與其他高聚物表現(xiàn)無異，當(dāng)溫度大于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料處于橡膠態(tài)，此時(shí)材料剛度大幅下降，且有往初始形狀變形的趨勢。

圖1 SMP 工作原理示意圖［13］Fig．1 SMP working principle configuration［13］

選擇玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比推進(jìn)劑固化溫度稍高的形狀記憶材料，首先制作成比較容易的細(xì)管（初始形狀），然后加工使其變形為需要成型的藥柱形狀進(jìn)行固化，固化完成后對成型藥柱加熱，使其溫度達(dá)到芯模玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，芯模收縮，自動(dòng)脫模。 脫模后的芯模經(jīng)再次加工變形后，可繼續(xù)使用。

1．2 模具設(shè)計(jì)

形狀固定率和回復(fù)率是研究SMP 熱力學(xué)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，可通過SMPs 熱力循環(huán)實(shí)驗(yàn)獲得。 可根據(jù)SMP 試件在不同溫度和載荷作用階段的長度變化，來確定SMP 的形狀固定率和回復(fù)率。

式中為SMP 低溫時(shí)卸載后形狀固定率；為SMP升溫回復(fù)后形狀回復(fù)率；為SMP 高溫變形前的試件長度；為SMP 高溫變形后的試件長度；為SMP 低溫卸載后的試件長度；為SMP 升溫回復(fù)后的試件長度。

形狀記憶的芯模材料選擇應(yīng)根據(jù)目標(biāo)推進(jìn)劑的固化溫度、芯模的最大/最小半徑比，以及芯模的精度要求、脫模方式綜合考慮，以上芯模指標(biāo)分別對應(yīng)形狀記憶材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、最大變形量、形狀固定率以及回復(fù)率。 在本文中，目標(biāo)推進(jìn)劑的固化溫約為50 ℃，長度約為120 mm。 據(jù)此，采用（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）為60 ℃的苯乙烯基形狀記憶聚合物，該材料由哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士團(tuán)隊(duì)研制，形狀固定率和回復(fù)率都大于95%，熱力學(xué)性能如圖2 所示。 芯模的厚度設(shè)置為2 mm。 設(shè)計(jì)制造了固定率變形量50%和100%的兩種SMP 芯模（見圖3 和圖4）。

圖2 芯模材料DMA 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig．2 DMA test data of SMP mandrel

圖3 芯模1 示意圖（變形量50%）Fig．3 Mandrel 1 configuration（Deformation ration 50%）

圖4 芯模2 示意圖（變形量100%）Fig．4 Mandrel 2 configuration（Deformation ration 100%）

1．3 模具制備

SMP 模具制備包括SMP 直管制作和吹塑成型，SMP 直管的制備流程包括輔助模具加工與組裝、澆注及固化、SMP 管固化后脫模，見圖5。 直管制備之后與陰模組合，進(jìn)行升溫加壓，由陰模尺寸保證SMP 芯模的尺寸精度，然后降溫減壓，最后制造處符合要求的芯模尺寸。 最終制造出變形量50%和100%兩種芯模。

圖5 SMP 直管制備過程Fig．5 SMP straight pipe preparation process

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 假藥試驗(yàn)結(jié)果與分析

考慮試驗(yàn)安全性和脫模工藝可行性，進(jìn)行了SMP芯模假藥試驗(yàn)。 使用變形量為50%的芯模，兩端采用卡環(huán)保證芯模豎直方向，防止芯模偏心，芯模如圖6 所示。 試驗(yàn)流程見圖7。

圖6 芯模（變形量50%）Fig．6 Mandrel with 50%deformation

圖7 試驗(yàn)流程Fig．7 The experimental flow

為便于觀察裝藥內(nèi)型面，推進(jìn)劑澆注長度占118 mm殼體長度一半，假藥澆注后，先放置于40 ℃水浴烘箱固化4 d，固化完成后再放置于70 ℃水浴烘箱保溫5 h進(jìn)行脫模，保溫5 h 后，芯模利用自身形狀記憶效應(yīng)，主動(dòng)與推進(jìn)劑分離，芯?；謴?fù)到初始形狀（圖8），保溫箱降到室溫，輕輕取出芯模和燃燒室（圖9）。

圖8 試驗(yàn)后芯模Fig．8 The mandrel after test

圖9 脫模后燃燒室Fig．9 The chamber after model release

從假藥試驗(yàn)可知，采用變形量50% SMP 芯模可以成功脫模，中間突出部分（直徑79．5 mm）可以恢復(fù)初始直徑53 mm，燃燒室裝藥內(nèi)孔表面無氣孔，目視情況良好，試驗(yàn)可行。

2．2 真藥試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用某丁羥推進(jìn)劑成熟配方，進(jìn)行1 發(fā)118 mm 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和1 發(fā)簡易的153 mm 燃燒室裝藥，118 mm 燃燒室采用固定率50%的芯模，153 mm 燃燒室采用固定率100%的芯模。 為了便于觀察脫模后藥柱內(nèi)形面質(zhì)量情況和測量內(nèi)孔直徑，153 mm 燃燒室殼體采用PP 管，PP 管保留了3/5 橫截面。 燃燒室先放置50 ℃水浴烘箱固化5 d，再放置70 ℃水浴烘箱保溫5 h。保溫70 ℃，大于芯模的玻璃轉(zhuǎn)化溫度60 ℃，芯模開始回復(fù)變形，5 h 后芯模中間突出部位恢復(fù)到位，冷卻至室溫，取出芯模后，對燃燒室進(jìn)行整形，118 mm 燃燒室見圖10～圖11，153 mm 燃燒室見圖12～圖14。

圖10 保溫5 h 后的模具Fig．10 Model after 5 hours of heat preservation

圖11 脫模后的?118 mm 燃燒室Fig．11?118 mm chamber after demoulding

圖12 澆注后的?153 mm 燃燒室Fig．12?153 mm chamber after pouring

從圖10～圖14 可知，高溫70 ℃保溫5 h 后，變形量50%芯模和變形量100%芯模都恢復(fù)到原狀態(tài)。 為得到芯模的回復(fù)率和燃燒室脫模后內(nèi)型面尺寸，對脫模后153 mm 燃燒室內(nèi)孔尺寸進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。

圖13 中間時(shí)刻芯模恢復(fù)情況Fig．13 Mandrel recovery in the middle

圖14 脫模后燃燒室內(nèi)部表面情況Fig．14 The internal surface of the chamberafter demolding

由表1 可知，脫模后內(nèi)型面尺寸與設(shè)計(jì)名義值最大相差3．5%，這是由于在推進(jìn)劑澆注過程中，推進(jìn)劑澆注溫度約在55～60 ℃，接近SMP 芯模的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，造成芯模的彈性模量下降。 另外，在推進(jìn)劑擠壓綜合作用下，SMP 芯模發(fā)生了一定的回復(fù)，造成內(nèi)型面尺寸小于設(shè)計(jì)名義值，在指標(biāo)范圍內(nèi)，可以接受。 后續(xù)可以改性材料配方，提高SMP 芯模的玻璃轉(zhuǎn)化溫度、強(qiáng)度，或者在設(shè)計(jì)中留出余量，以提高內(nèi)型面尺寸精度。

表1?153 mm 燃燒室內(nèi)型面驗(yàn)收記錄Table 1 Acceptance record form of?153 mm chamber surface

通過加熱到芯模的玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上，實(shí)現(xiàn)芯模與藥柱主動(dòng)分離，實(shí)現(xiàn)了異性結(jié)構(gòu)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的快速成型和脫模，能夠有效避免摩擦等造成的安全事故，提高了脫模過程中安全性和可靠性。

2．3?118 mm 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果與分析

對整形后118 mm 燃燒室進(jìn)行裝配，裝配后進(jìn)行常溫20 ℃保溫，保溫12 h 后進(jìn)行點(diǎn)火，試車照片見圖15，測得壓強(qiáng)時(shí)間曲線與預(yù)示曲線見圖16。 從圖16 可知，除了點(diǎn)火壓強(qiáng)峰高以外，預(yù)示曲線和試驗(yàn)曲線重復(fù)性較好，達(dá)到了試驗(yàn)效果。

圖15?118 mm 發(fā)動(dòng)機(jī)試車Fig．15?118 mm motor test

圖16 試驗(yàn)曲線與預(yù)示曲線比較Fig．16 Comparison of test curve and prediction curve

基于SMP 芯模的裝藥設(shè)計(jì)，118 mm 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)的成功，證明SMP 芯?？捎糜诎l(fā)動(dòng)機(jī)裝藥設(shè)計(jì)，對于長徑比較大的裝藥形式，中間開槽可以提高裝藥結(jié)構(gòu)完整性，增大數(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)裝填比。

3 結(jié)論

采用形狀記憶聚合物固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥芯模主動(dòng)變形進(jìn)行藥柱脫模的智能制造方法，使模具與藥柱主動(dòng)分離，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀或異型結(jié)構(gòu)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的快速成型和脫模，能有效避免摩擦等造成的安全事故，提高脫模過程的安全性和可靠性。 同時(shí)，采用形狀記憶聚合物的芯模，還降低了芯模的重量，簡化了脫模過程，縮短了復(fù)雜工藝藥柱的生產(chǎn)周期，但也存在容易發(fā)生變形的缺點(diǎn)。

基于SMP 裝藥芯模研究，在118 mm 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥工藝中進(jìn)行了初步驗(yàn)證和應(yīng)用，并通過了點(diǎn)火試車考核，首次實(shí)現(xiàn)SMP 模具在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱成型和脫模過程的應(yīng)用。 后續(xù)有待于驗(yàn)證大長徑比固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的研制提供了一種新的制備工藝。