一种大型固体火箭发动机界面脱粘缺陷的无损检测方法

针对列装部队服役产品现场开展固体火箭发动机燃烧室界面粘接质量无损检测的需求,研制了一种针对大型固体火箭发动机燃烧室推进剂/衬层/绝热层界面脱粘缺陷的无损检测系统。该系统基于机电阻抗频率响应函数方法,由多通道高速数据采集设备、压电主被动传感晶片、激励装置和软件评估系统组成,利用激励装置敲击固体发动机壳体待测结构表面,通过Lab VIEW数据采集程序测得响应信号,根据机电阻抗频响波形特征及波峰数量判断界面脱粘缺陷。当燃烧室绝热层/衬层/推进剂界面结构完好时,频响函数曲线仅有一个明显平滑的主波峰,当燃烧室绝热层/衬层/推进剂界面出现脱粘缺陷时,频响函数曲线的波峰数量增加,呈现明显的锯齿波形状。该方法便捷高效,非常适用于大型固体火箭发动机总装后整体产品燃烧室界面粘接质量的快速野外排查,也可进行长期的燃烧室界面状态健康监测。     

用扫频超声法检测H—Ⅱ火箭固体发动机的衬层／推进剂界面脱粘

本文所介绍的扫频超声检测法,既可检测固体发动机壳体/衬层界面,又可检测衬层/推进剂界面的脱粘。这种检测法,已成功地用于生产现场、发射阵地 H-Ⅰ火箭的远地点发动机和第三级发动机的检测.试验结果证明此法还可用于 H-Ⅱ火箭固体发动机的检测.     

四院召开界面学术研讨会

航空航天部四院于1992年9月2日在西安召开固体发动机界面学术研讨会,会议由院科技委组织,为时二天。与会同志就界面理论、工艺研究、质量控制以及界面测量技术进行了交流和讨论,共发表学术论文14篇。复合材料固体火箭发动机有多种界面,包括增强纤维/基体界面(相),推进剂/衬层/绝热层/壳体各粘接界面,人工脱粘层粘结面,密封材料与部件接触面等等。界面质量不仅是材料和机械制造的一般问题,更是困扰宇航和导弹发动机研制生产厂家的重要问题。八十年代以来,在造成发射及试验失败的诸多原因之中,界面失效占了相当大的比例。因此抓住界面研究和工艺改进,正是抓住了固体发动机向高质量、高可靠性发展的一个关键。     

柔性无卤含磷体系EPDM绝热层在固体火箭发动机中的应用

介绍了所研制的柔性无卤含磷体系EPDM绝热层在某固体火箭发动机中的应用,包括绝热层的主要性能指标,绝热层与推进剂的化学相容性,绝热层界面粘接性能;绝热层模压制件工艺实验结果及绝热层在地面静止试验发动机上的试验情况,实验结果表明,该绝热层密度低、烧蚀性能和成型工艺性良好,并且环保、特征信号低完全满足某固体火箭发动机的绝热问题。     

固体火箭发动机绝热层炭化厚度的估算方法

固体火箭发动机燃烧温度很高,故在发动机壳体和推进剂药柱之间应用绝热层隔离。大多数固体火箭发动机的绝热材料采用能隔热、防烧蚀、并充有填料的橡胶。填料的作用在于使炭化层粘附在衬垫上,以使未炭化、未烧蚀的剩余绝热材料不受高温气体的冲击。表1是固体火箭发动机绝热层最常用的橡胶(粘合剂)和填料。     

固体火箭发动机燃烧室界面脱粘的声振检测

为实现战术固体火箭发动机绝热层／推进剂界面分离型脱粘的检测，针对超声谐振法进行了理论分析与检测试验，通过对试验结果的分析，确证了采用该方法能够实现绝热层／推进剂界面分离型脱粘的检测，并对这一方法中影响检测结果的因素进行了讨论，提出了完善检测方法的建议。     

固体推进剂松弛模量拉压性能及温度敏感性分析

固体推进剂的拉伸/压缩力学性能存在较大差异,这与推进剂的细观结构及其在拉压载荷作用下的受载作用机制有关,发动机药柱精细结构完整性分析必须考虑推进剂力学性能的拉压不同性。分别定义了推进剂松弛模量的拉压不对称因子和温度敏感性系数,通过HTPB和PBT两种固体推进剂的拉伸/压缩应力松弛试验,研究了温度对松弛模量拉压不对称因子的影响规律,探讨了两种推进剂的拉伸/压缩松弛模量的温度敏感性差异,最后通过细观有限元数值仿真对推进剂拉伸/压缩应力松弛过程中的受载机制进行了初步分析。研究表明,高温对HTPB推进剂的拉伸模量和PBT推进剂的压缩模量影响较大,而低温对HTPB推进剂的压缩模量和PBT推进剂的拉伸模量影响较大;推进剂在较高温度下的温度敏感性低于其在较低温度下的温度敏感性;应力松弛的过程中,造成推进剂拉压不对称性的主要原因是推进剂内部固体颗粒之间的挤压接触作用。     

固体火箭发动机壳体/绝热层界面缺陷的声-超声检测

为了对固体火箭发动机钢壳体/绝热层界面缺陷进行有效检测,基于HSD4超声波发射/接收卡,构建了声-超声实验系统.对具有圆底孔和脱粘缺陷的钢壳体/绝热层试件进行了检测,检测信号分别采用了权振铃应力波因子方法和驻波共振模型进行分析.实验实现了对缺陷的有效检出,并可对圆底孔缺陷大小作定性评估和脱粘缺陷的定位.实验结果表明,声-超声实验系统对界面缺陷的检测是有效的.     

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。     

中国空间用固体火箭发动机的发展

中国从１９５８年开始复合固体推进剂火箭发动机的探索和研制工作。根据航天技术发展的需求，促使复合固体推进剂火箭发动机从小到大逐步发展起来。在三十多年的研制过程中。解决了壳体材料和成型工艺、推进剂配方和装药工艺、喷管和推力向量控制技术，安全点火和高空点火技术、各种环境试验技术、无损检测和质量保证技术、地面试验和测试技术等。已形成了固体火箭发动机研究、设计、试验、生产配套的基本条件，同时为中国卫星发射提     

固体发动机推进剂/绝热层界面I型脱粘力学行为试验与仿真研究

为了准确描述和预测固体发动机界面的粘接性能,为固体发动机结构完整性分析提供有效参考,通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序(UEL)对基于势函数的PPR内聚力单元进行了二次开发,设计了固体发动机推进剂/绝热层界面Ⅰ型脱粘试验方案,并基于试验的反演分析获得PPR内聚力模型对应的特征参数,对不同加载速率下粘接界面的断裂与损伤特性进行了相关研究。研究表明,PPR内聚力模型能够较好地描述界面脱粘过程,且粘接界面的力学行为具有显著的率相关性,随着加载速率的增大,粘接界面的内聚能和内聚强度均增大,法向初始刚度和损伤起始位移均减小。此外,I型界面脱粘试验过程中加载力随位移的变化可分为强化阶段和损伤演化阶段,粘接界面的速率相关性主要体现在损伤演化阶段。     

惯性顶级固体进推剂的研制与鉴定

本文介绍了惯性顶级(IUS)固体火箭发动机用的丁羟推进剂及推进剂/包复层/绝热层界而系统的研制情况及生产历程;介绍了根据发动机设计要求选择推进剂配方的情况和推进剂的主要性能;还介绍了研制期间对配方和工艺的某些小的修改及修改原因。本文亦讨论了推进剂/包复层/绝热层的界面系统,包括包复层化学的主要特性和控制迁移现象以提高粘结系统的完整性的方法。     

固体火箭发动机橡胶绝热层粘接分析

介绍固体火箭发动机金属壳体、绝热层、胶粘剂表面特征,并对其各界面粘接问题进行分析。阐明绝热层配方设计与界面粘接关系。确定胶粘剂研制、选用原则,分析界面脱粘类型及原因。控制工艺要点、降低界面缺陷,提高粘接性能,以满足发动机装药结构完整性和使用可靠性的要求。     

低燃速高固体含量HTPB推进剂

对大型发动机用的低燃速高固体含量HTPB推进剂进行了研制。采用超支化SU-2助剂降低推进剂药浆粘度为提高配方固体含量的方式,优化SU-2助剂含量,研制出固体质量分数89%的推进剂配方。依据抑制AP分解的质子转移机理,分别用高氯酸烷基胺衍生物A1N、草酸铵T29降燃速剂,获取低燃速HTPB推进剂,针对试验得到的推进剂性能数据,分析了单项降燃速剂的推进剂燃烧性能存在不足,提出了选用价廉的高氯酸烷基胺衍生物A1N/草酸铵T29/细AP复配方法,既降低燃速又能降低压强指数。经装药试验验证,获得6.86 MPa燃速5.185 mm/s,3～11 MPa压强指数0.328,密度≥1.80 g/cm3,20℃最大拉伸强度σm≥1.0 MPa,-40℃最大伸长率εm≥61.0%;5 h使用期粘度为2625 Pa·s;综合性能优良的高固体含量低燃速HTPB推进剂。以提高推进剂固体含量增加密度,增大HTPB推进剂比冲的设计方法,可供低燃速HTPB推进剂的发动机借鉴。     

用于推进剂—包复层粘结破坏的改进的最大主应力破坏准则

通过采用改进的最大主应力破坏准则,改进了固体火箭发动机推进剂—包复层—绝热层粘接系统的结构表征方法。连同模拟药柱—壳体加载状态试件的研究,这种工程分析方法得到了发展。航空喷气战略推进公司目前使用这种方法来计算发动机粘结面的最大法向应力分量和最大切向应力分量。然后把计算值分别与粘结试件的抗拉和抗剪试验测定的断裂应力值进行比较。为了同时测得拉伸应力分量和剪切应力分量,按一定角度拉伸试件,所得粘结试验数据表明,这种方法可以通过使用适当的应力集中因子加以改进。这些应力集中因子由粘结试件的有限元分析来确定。用类似的方法可以证明,这种改进的最大主应力破坏准则可精确地模拟各种拉伸角和压力下的试件粘结破坏。文中给出了评价这些及其他破坏准则的试验程序和分析方法。     

大力神—4事故调查集中在固体助推器推进剂方面

美空军大力神火箭计划官员正在研究固体助推器分段推进剂中的裂纹,它可能是引起上月大力神-4爆炸的原因.推进剂中的裂纹可形成燃烧通道。而使钢壳体烧穿.穿孔可能发生在1号发动机的第三段(从下往上数)上,在发动机段接头下面508mm 处.该区域推进剂与壳体之间的绝热层较薄.穿孔沿芯级方     

AP级配及含量对HTPB固体推进剂界面约束作用影响机理研究

复合固体推进剂是一种含能非均质颗粒填充材料,其基体聚合物分子通过物理缠结及氢键作用吸附于填料表面,产生基体-填料界面相互作用,这种相互作用使基体聚合物交联网络分子的运动受到限制。以高氯酸铵(AP)级配及含量不同的端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂为研究对象,通过动态力学试验、溶胀试验、单向拉伸试验、循环拉伸试验,探究了AP级配及含量变化引起的HTPB固体推进剂界面约束作用差异,并探究其对推进剂结构及性能的多维度影响。结果表明：随着细粒度AP含量及AP总含量的提高,约束区域占比增加,基体交联网络分子受限作用增强,HTPB固体推进剂界面相互作用提高,单向拉伸状态下的推进剂强度、模量提高,伸长率下降;循环载荷作用下,约束作用则提高了能量耗散过程,加剧HTPB固体推进剂疲劳损伤进程。     

“织女星”运载火箭将于2005年初次登场

欧空局(SEA)应用阿里安火箭技术正在研制“织女星”低地轨道卫星运载火箭，它是一种三级式全固体运载火箭，能把1 500kg的载荷送入800km轨道，将于2005年进行首次发射。该计划主承包商是菲亚特(Fiat Avio)公司和法国航宇公司，参与该计划的还有比利时、意大利、荷兰、瑞士等国家。 “织女星”火箭由三个固体级和一个液体上面级组成。第一级采用阿里安-5运载火箭的P80先进固体助推器，该发动机性能高、成本低，采用纤维缠绕壳体和柔性喷管。第二级采用菲亚特公司的Zefiro发动机，发动机壳体采用碳-环氧纤维缠绕而成，喷管采用碳-碳喉衬。该发动机已试验点火3次，最近的一次试验于2000年12月15日完成。第三级采用一台改进的Zefiro发动机，装填7t固体推进剂。上面级是一种使用可储存推进剂的姿态控制和微调发动机。 “织女星，，火箭将从改造过的阿里安1-3发射台、ELA1发射台发射。每年发射3～4次，最多达6次。该火箭发射1 000kg载荷的价格约2000万美元，比美国火箭的发射价格低15％。 (姚彦君提供)     

新一代的固体火箭发动机壳体材料

近几十年来,国外在固体火箭发动机复合材料壳体的研制方面,有了很大的进展。六十年代初期,美国用玻璃纤维作北极星A2、北极星 A3、海神 C3等导弹的发动机壳体材料,与金属材料相比,强度是钢的两倍以上,重量可减轻60%左右。七十年代中期研制成功了凯夫拉49纤维,用于三叉戟Ⅰ、MX 等导弹上,较之玻璃纤维,重量轻35%,且复合材料的环向模量增加70%,特性系数由2.1×10~6厘米增至3.3×10~6厘米。近几年来又研制了高强度石墨纤维,这是新一代的固体火箭发动机壳体材料,如果用它来代替 MX 导弹所用的凯夫拉材料,还可减少结构重量20～30%。据称,石黑纤维壳体的尺寸稳定性优良,可以减少推进     

SRM壳体/绝热层脱粘的XFEM

将扩展有限元法(XFEM)用于研究固体火箭发动机(SRM)壳体/绝热层的脱粘。将层隙型和紧贴型脱粘等效为双材料界面裂纹,建立了XFEM的双材料界面裂纹分析模型,并给出了其中核心算法——应变矩阵的求解,通过相互作用积分求出应力强度因子和能量释放率。算例结果表明,XFEM的计算结果与理论值的差异较小,可用于有效求解脱粘问题。