固体推进剂宽温-气体围压试验系统设计与试验

针对固体推进剂常压条件下力学性能满足要求,而发动机药柱结构完整性破坏频发的难题,研制了固体推进剂宽温-气体围压试验系统,对某HTPB推进剂进行了不同环境压力、温度和拉伸速率下的定速拉伸试验,获得了环境压力、温度和拉伸速率对推进剂应力-应变曲线的影响规律。研究表明,围压环境下推进剂应力-应变曲线没有明显的"脱湿"点,推进剂的抗拉强度明显提高;快速拉伸条件下,围压环境极大地降低了推进剂的延伸率,23℃常温8 MPa围压环境1000mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率相对常压条件降低45%;低温围压快速拉伸条件下推进剂的力学性能最为恶劣,-50℃低温8 MPa围压环境500 mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率降至11%。相关方法和结论可为固体发动机精细结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

固体推进剂粘弹性泊松比应变率-温度等效关系

固体推进剂粘弹性泊松比严重影响着药柱结构完整性的分析精度。针对点火增压过程药柱的受力特点,基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法,设计了可测试推进剂粘弹性泊松比的单向定速拉伸试验,研究了温度和拉伸速率对推进剂粘弹性泊松比的影响规律,利用粘弹性材料参数的应变率-温度等效原理,建立了参考温度下推进剂粘弹性泊松比的应变率主曲线。研究表明,推进剂的粘弹性泊松比随温度和拉伸速率的增大而增大,当拉伸速率达到500mm/min时,推进剂泊松比逐渐趋近于某一常值。考虑到发动机点火增压过程,药柱的加载速率一般在0.5 s-1以上,应变率较大,因此可以将推进剂的泊松比取为一常数,但必须考虑发动机的工作温度,选取合适的泊松比。相关方法和结论可为固体发动机结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

固体发动机药柱完整性失效的判据

固体发动机工作过程中,燃烧室药柱处于三向受压状态下,围压条件对推进剂力学性能有增强。该增强作用在细观结构上表现为延缓推进剂中微裂纹与真空孔穴(脱湿)的出现,并限制其在固体填料周围粘合剂中的扩展;在宏观力学性能上表现为在低温高应变率下推进剂的最大伸长率εm由常压下的较小值增大到接近断裂伸长率εb。通过围压环境对推进剂力学性能的影响分析,提出以推进剂断裂伸长率εb作为药柱在工作内压下的失效判据,并结合某翼柱型装药结构的有限元分析、完整性评估及地面试验,验证了该判据的合理性。     

HTPB推进剂“脱湿”性能表征及影响因素试验研究

为研究HTPB推进剂的"脱湿"性能,基于气体膨胀计原理研制了复合固体推进剂"脱湿"性能测试装置,并采用该装置开展了配方及应变率对推进剂"脱湿"性能影响的试验研究。采用起始"脱湿"点、特征"脱湿"点和特征"脱湿"速率来表征推进剂的"脱湿"性能,试验结果表明,推进剂的"脱湿"性能具有明显的率相关性,应变率越高,推进剂的起始"脱湿"点和特征"脱湿"点越小,特征"脱湿"速率越大,但是推进剂的内部"脱湿"速率存在一个上限;HTPB推进剂中AP含量对推进剂"脱湿"性能的影响占主导地位,AP含量越高,则推进剂的起始"脱湿"点和特征"脱湿"点越小,特征"脱湿"速率越大。所建立的试验方法和"脱湿"性能表征方法对药柱结构完整性、药柱力学性能预示及可靠性评估均具有重要实用意义。     

低温动态准双轴拉伸加载下HTPB推进剂的热老化性能

为分析热老化后三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在低温动态准双轴加载下的性能，开展了不同热加速老化时间、不同温度和应变率条件下推进剂的准双轴拉伸力学性能试验及扫描电镜(SEM)观察试验。试验结果表明：热加速老化前后，推进剂的拉伸曲线趋势、力学性能变化规律及细观损伤形式保持一致，改进型非线性模型能够更好地描述1~100 s -1 应变率范围内典型力学性能参数随热老化时间的非线性变化关系。随温度降低，老化后推进剂的断面形貌由“脱湿”变为AP颗粒断裂，热老化、低温以及高应变率载荷的叠加使得推进剂的细观损伤变得更加严重，但准双轴拉伸时损伤程度相比单轴拉伸时有所减弱。热老化32 d、74 d和98 d后-50 ℃、 14.29 s -1 加载条件下的最大伸长率分别为未老化时室温、0.40 s -1 条件下数值的28.79%、27.58%和25.63%，该参数定义可为分析长期贮存后战术导弹SRM药柱在低温点火条件下结构完整性失效的准则提供数据支持。     

NEPE推进剂力学性能的统计特性及贮存老化的影响

固体推进剂力学性能是决定固体推进剂药柱可靠性的关键性能。为准确评估贮存寿命和可靠性,需要掌握固体推进剂力学性能的分布规律以及贮存老化的影响。研究了NEPE推进剂老化过程中抗拉强度、初始模量、最大伸长率和断裂伸长率等力学性能参量的统计分布特性,以及加速老化过程中统计参数的变化规律。研究结果表明:同一老化状态和测试条件下,NEPE推进剂单向拉伸力学性能参量测试值呈正态分布;不同老化状态的力学性能变异系数与老化时间、温度无关,呈正态分布。将不同老化温度、老化时间的力学性能变异系数作为来自同一总体样本的随机变量,求出了NEPE推进剂抗拉强度、最大伸长率、初始模量和脱湿因子的变异系数的99%置信上限,作为固体推进剂药柱贮存可靠性评估的基础数据。     

机载发动机药柱在温度循环载荷下的力学响应分析

针对机载导弹固体火箭发动机在地面常温贮存和高空低温下挂飞的实际情况,利用ABAQUS有限元软件计算分析了HTPB推进剂药柱在飞机多次起降过程中形成的温度循环载荷下受到的热应变分布,研究了循环次数和挂飞时间对药柱温度场和应变场分布的影响规律,重点分析了药柱内几个特征点的温度和应变随循环次数、挂飞时长的变化,基于以上分析对药柱结构完整性进行了失效评估。结果表明,在挂飞阶段结束时刻,最低温度位于燃烧室外表面,最大应变始终位于药柱内孔;在一定循环次数内,药柱所受热应变随次数的增加有所增大,而挂飞时长的增加会使药柱受到的热应变明显增大,对装药结构影响更加显著。仿真结果对后期进行推进剂试验研究和发动机挂飞工况下的安全设计都具有实际参考意义。     

不同温度和拉伸速率下复合推进剂力学性能及破坏模式分析

进行不同温度和拉伸速率下推进剂单向拉伸力学性能试验,并利用扫描电镜对拉伸断口形貌进行了观察,分析了温度和拉伸速率对推进剂力学性能的影响以及不同细观破坏模式,特别是低温、高拉伸速率下推进剂的失效机理;基于时温等效原理,给出了推进剂力学性能主曲线和破坏包络线。研究表明:初始模量、抗拉强度主曲线呈指数递减趋势,在高温、低拉伸速率下其值减少;断裂伸长率主曲线呈多项式关系,在低温、高拉伸速率下明显降低;力学性能主曲线和破坏包络线可以用于不同试验条件下失效应力的预测;推进剂在低温、高拉伸速率条件下内部颗粒产生了明显的破碎,相同温度条件下,拉伸速率越高,颗粒破碎越严重。     

HTPB推进剂温度及率效应的累积损伤模型研究

为揭示机械载荷作用下HTPB推进剂的力学性能变化规律和破坏机理,利用单轴拉伸法研究了温度及应变率对HTPB推进剂力学性能的影响。运用单轴拉伸方法,研究了5组不同应变率(0. 000 333～0. 167 s-1)和不同环境温度(-50～35℃)下HTPB推进剂的恒速率单轴拉伸破坏试验。通过试验数据获取损伤模型参数,并最终建立了含应变率和温度因子的累积损伤模型。利用建立的累积损伤模型来预测HTPB推进剂在特定温度及应变率(0.000 333～0.167 s-1)条件下的失效情况,计算结果与试验结果吻合较好。此累积损伤模型可为固体推进剂装药结构完整性分析方法和HTPB推进剂损伤和破坏研究提供一定依据。     

固体发动机低温点火条件下药柱结构完整性分析

分别采用三维弹性和三维线粘弹性模型,对固体发动机药柱在低温和点火升压2种载荷下的结构完整性进行了计算分析。研究了推进剂弹性模量E、泊松比μ、药柱m数等参数对结构完整性的影响。结果表明,在发动机低温点火条件下,药柱内孔表面是最危险部位;固化降温和点火升压2种载荷引起的最大等效应变在此是相互叠加的;药柱m数对固化降温和点火升压载荷下的应变分布有重要影响。     

双基固体推进剂的特性研究

在不同温度和应变率下,对双基固体推进剂试件进行了单轴拉伸试验。提出了一种针对双基推进剂屈服值的判断方法,应用一元回归数理统计方法对双基推进剂力学性能数据进行了分析。结果表明,双基推进剂力学性能与温度和应变率具有明显的相关性,在233.15 K下近似为脆性材料,而在288.15 K和323.15 K下呈现明显的塑性流动。针对双基推进剂不同受载情况,提出了与推进剂屈服值相关的强度准则,以便为双基推进剂药柱设计及结构完整性分析奠定基础。     

吸湿聚醚推进剂拉伸断面填料粒子/基体微细观形貌和表征

开展了聚醚推进剂在常温、不同相对湿度下湿老化试验,研究了试验过程中推进剂试样的含湿率、力学性能和拉伸断面微细观形貌变化及之间关系。结果表明,推进剂吸湿后力学性能变化与含湿率存在单一相关性,可用特定数学模型描述,与相对湿度无关。采用数字图像分析方法,对聚醚推进剂试样拉伸断面"脱湿"AP粒子占整个拉伸断面比例("脱湿"率)进行了定量研究,建立了聚醚推进剂吸湿后力学性能与"脱湿"率的数学表达式,发现聚醚推进剂"脱湿"率与含湿率具有相关性。     

温度载荷下伞盘深度与脱粘深度对药柱应变的影响

为了有效降低含伞盘固体火箭发动机药柱在温度载荷下的应变水平,基于三维粘弹性有限元分析方法,利用有限元分析软件MSC.Nastran,对不同伞盘深度和人工脱粘层深度的发动机药柱进行了应力-应变分析。研究结果表明,伞盘深度和脱粘深度对伞盘最大Von Mises应变有较大影响,其中伞盘深度对最大Von Mises应变的影响规律随脱粘深度的不同发生明显改变。所得结论可为固体火箭发动机药柱设计提供有益参考。     

固体推进剂药浆流平性对发动机装药结构完整性的影响

为分析固体推进剂浇注质量对发动机装药结构完整性的影响,首先采用流平仪对推进剂药浆放置不同时间后的流平性进行了试验,然后通过单轴拉伸试验和微CT扫描试验对相应条件下推进剂的力学性能和孔隙率进行了研究,最后结合有限元计算方法对发动机装药的结构完整性进行了分析。结果表明,随着推进剂药浆放置时间的增加,推进剂流平性逐渐变差,药浆放置5 h后药面有条痕堆积现象,但推进剂的单轴拉伸力学性能差异并不大。通过微CT扫描试验发现,推进剂药浆放置时间由1 h增加到5 h,孔隙率由2.65‰增大至7.97‰,使得推进剂泊松比降低,导致发动机装药在低温点火压力载荷下的变形增大,安全欲度降低。     

温度交变载荷对药柱结构完整性的影响分析

为研究温度交变载荷对药柱结构完整性的影响,使用Abaqus软件对特定温度载荷下的某发动机药柱进行了有限元计算,获得了药柱温度场和应力场,得到了不同部位温度-时间曲线,并评价了危险部位的安全系数。开展了温度平衡试验,将有限元计算结果与试验结果进行了对比。结果表明,有限元计算结果与试验结果吻合较好,药柱靠近壳体部位温度变化快,靠近中孔部位温度变化慢,并且翼槽和人脱根部为应力应变危险部位。     

挂载飞行温度边界下固体发动机药柱结构响应分析

为了研究机载导弹发动机在挂载飞行温度边界条件下药柱的结构响应特性,针对六角星形装药发动机建立了有限元分析模型,采用线粘弹性本构模型描述固体推进剂的力学响应,计算分析了不同挂载飞行高度和飞行速度条件下发动机药柱的结构响应特性,并结合渐近损伤模型分析了发动机在多次挂载飞行条件下药柱的损伤特性。结果表明,药柱最大等效应变随飞行高度的增大而增大,而挂载飞行速度对药柱结构响应影响相对较小。随挂载飞行次数的增加,药柱产生累积损伤,且损伤值随单次挂载飞行时间和飞行次数的增加而逐渐增大。     

变截面星孔药柱在温度冲击载荷作用下的力学特性

基于热传导方程,时装有变截面星孔药柱的火箭发动机物理模型进行了合理简化,并根据推进剂材料的粘弹性本构关系,结合热流变简单材料的特性,对其受温度冲击栽荷的情况进行了数值计算,得到温度冲击载荷作用下药柱的实时温度场及应力.应变特性,分析了星尖处的应力随时间的变化及在药柱长度方向上的变化规律,得到药柱肉厚及温度冲击都会对应力...     

低温动态加载下老化HTPB推进剂细观损伤研究

采用扫描电镜(SEM)对低温动态单轴拉伸后的HTPB推进剂断面形貌进行了观察,分析了不同加载条件下推进剂的细观损伤形式。结合盒维数数值方法,进一步讨论了推进剂的细观损伤程度变化情况。结果表明,热老化后HTPB推进剂在低温动态加载时,其细观损伤更复杂、更严重;温度、应变率和热老化均能改变推进剂的细观损伤形式,存在细观损伤发生改变的临界加载条件;随温度持续降低、应变率持续升高及热老化时间增长,盒维数值最终保持在1.866附近,即推进剂的细观损伤程度不再发生改变。研究结果对分析低温点火时战术导弹固体火箭发动机药柱的结构完整性具有一定参考价值。     

大型固体发动机燃烧室立式贮存研究

为研究大型固体发动机对特殊立式贮存环境的适应性,开展了大型固体发动机立式贮存状态的受力分析以及立式贮存试验研究。基于大型固体发动机立式贮存环境条件的分析,综合考虑固化降温、充气内压等因素对发动机立式贮存的影响,开展了联合载荷作用下的计算分析。研究结果表明,发动机立式贮存状态相对初始状态前、后人工脱粘间隙都增大,前人工脱粘间隙增大较多,前人工脱粘开口部位轴向位移最大,中孔径向位移最大;发动机充气后药柱的变形量、前后凸环形药柱界面及药柱中孔处等效应力应变随内压提高有所提高,但前后凸环形药柱界面和药柱中孔处受力状态从三向或两向受拉变为三向受压状态,设计合适的充气内压有利于发动机的长期立式存放。燃烧室立式贮存试验实测了药柱立式贮存后的变形,实测结果与计算结果趋势一致。     

固体推进剂药柱的可靠性—力学模拟发动机的设计和试验

评价固体推进剂药柱的可靠性,主要是依据对其力学性能的评估。用全尺寸药柱进行试验,通常是很困难的,并且费用昂贵。本文介绍了一种能反映全尺寸发动机的特型小尺寸、低成本模拟发动机的研究和试验。这种发动机可模拟全尺寸发动机药柱(88%固体含量的CTPB推进剂)的条件进行力学性能试验。进行了大量的、承受多种载荷条件(温度循环和/或加压)的模拟发动机试验。给出了试验结果,并首次给出了与尚在发展中的理论计算有关的分析。