固体发动机低温点火适应性模拟试验技术

考虑影响固体发动机低温点火适应性的推进剂低温力学性能、药柱固化降温应变以及药柱在发动机点火升压条件下应变等3个关键因素,设计了可用于全尺寸发动机低温点火适应性研究的ф202 mm模拟试验发动机。通过选取合适的药柱设计参数和发动机初始压强,可对全尺寸发动机在低温点火下药柱应变状态进行模拟。模拟发动机已成功应用于A、B和C等全尺寸发动机低温-40℃或-50℃点火适应性研究中,获得了各发动机低温点火试车时的结构安全余量,可在类似发动机低温点火适应性研究中推广应用。     

低温状态点火瞬间固体发动机药柱结构响应分析

采用线粘弹性模型,针对固体发动机低温状态点火瞬间的推进剂相关力学特性对固体发动机药柱进行了低温状态点火瞬间的结构响应分析。点火瞬间的推进剂模量变化不大,对药柱的结构响应影响较小;而推进剂在不同状态下其泊松比并非一定值:低温状态下推进剂泊松比的值较小,点火升压下推进剂泊松比迅速增大至接近0.5,推进剂泊松比的微小变化对药柱的结构响应有很大影响。分别计算分析了低温状态点火瞬间推进剂泊松比为定值时与推进剂泊松比为非定值时的药柱结构响应仿真结果。分析结果表明,低温状态点火瞬间的药柱应变呈不断增高而应变率则逐渐降低;计算得圆管型模拟发动机的安全系数为1.48,这比推进剂泊松比为定值时计算得到的安全系数的值减小了13.5%。     

自由装填式固体火箭发动机药柱低温点火结构完整性分析

利用三维有限元方法,通过热-机耦合,分析一种自由装填式固体火箭发动机药柱从药柱固化降温到低温点火整个过程中发动机的温度场、总位移、等效应力和等效应变的变化情况,得到了固化降温和点火升压过程中药柱/壳体有无粘接两种情况下发动机的受力情况的不同,并根据最大应变能理论,分析了两种情况发动机药柱的结构完整性;得出了在温度和压强双重载荷下,模量、泊松比、药柱/壳体粘接高度等参数对发动机药柱结构完整性的影响规律,表明该型发动机药柱/壳体粘接高度不宜超过40 mm。     

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。     

固体火箭发动机静电的产生与防范

论述了固体火箭发动机产生静电的机理，分析了发动机在系统中的电磁环境，同静电起电有关的位置环境，提出了发动机发生静电激发点火的模式。以复合材料壳体并装有丁羟推进剂药柱的固体发动机为例，对其静电发火可能性及防范措施作了分析。按照有关的静电感度标准和试验方法，对发云南壳体，药柱，片状或粉状推进剂和火工品，进行了静电特性的试验。     

固体火箭发动机药柱结构完整性研究进展

从推进剂及粘接界面力学性能、推进剂及粘接界面失效、发动机药柱及推进剂数值仿真方法、发动机药柱结构试验技术四方面，对药柱结构完整性发展现状进行了全方位多角度的评述，分析了目前固体发动机药柱结构完整性研究所面临的挑战，指出未来应重点发展推进剂和粘接界面力学特性及失效的多尺度表征和测试方法、先进数值仿真方法和发动机药柱结构试验技术，以及开发药柱结构完整性评估一体化平台。     

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。     

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。     

固体火箭发动机药柱主动段飞行时应力应变分析

为了探讨固体火箭发动机药柱主动段飞行时的形变、应力和应变变化规律,以星形药型发动机为例,采用三维粘弹性有限元法,根据推进剂药柱的燃烧规律,通过计算发动机药柱在整个工作过程中不同烧蚀情况下各构成部分的结构响应,得到了主动段飞行时发动机药柱在不同环境温度、燃气内压与轴向过载联合作用下位移、应力和应变场随时间的变化规律。结果表明,低温点火发射时,内压增压至峰值时为发动机最危险时刻。     

用于大型固体推进剂火箭发动机的独特点火系统试验

本文介绍了用于大型固体推进剂火箭发动机的组合式无喷管、无壳体点火器方案的设计、分析及试验结果。该点火方案的主要优点是可以把60%左右的点火器消极重量变成药柱有效载荷。点火系统的主装药由点火器周围的发动机前段装药所构成。这段装药又是发动机推进剂药柱的一部分,设计成象一个小的低压无喷管火箭发动机,给主发动机推进剂段提供足够的压力和热流输出以实现发动机点火。前段推进剂的点火由一个比较小的径向排气的BKNO_3烟火剂药片点火器来实现。试验计划需验证三个方面的设计问题:     

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。     

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。     

低温点火条件下药柱结构完整性分析与试验

固体发动机在低温点火条件下,药柱承受低温和压力载荷的联合作用,结构完整性受到严峻考验,极易发生故障。基于三维粘弹性有限元法,采用MSC. Patran/Marc有限元软件,分析了某模拟发动机药柱在低温和低温点火升压两种载荷下的结构完整性,利用固体发动机冷增压试验系统对该型发动机进行了冷增压试验,考虑温度和压力载荷的不耦合特性,将试验结果与数值仿真结果进行了比对分析。研究表明,药柱在低温点火条件下安全系数为2.46,结构完整性满足要求;试验结果与仿真计算结果一致性较好;相关研究方法和结论可为固体发动机设计、分析与试验提供参考。     

HTPB推进剂“脱湿点”及快慢组合拉伸研究

针对空空导弹发动机对药柱结构完整性分析的特殊需求,开展了复杂载荷下某新型HTPB推进剂的力学性能试验研究,分别进行了不同温度环境下,推进剂单轴定速及快慢组合拉伸试验,研究了温度、拉伸速率、"转换应变"对推进剂极限力学性能和"脱湿"损伤行为的影响。结果表明,该新型推进剂在低温环境中具有良好的力学性能,其抗拉强度、断裂强度、最大伸长率、断裂伸长率、初始模量随拉伸速率的增大呈增大趋势,随温度的升高而减小。拉伸速率增大或者温度降低,"脱湿点"强度呈增大趋势,"脱湿点"前移,更易发生"脱湿"行为。在应变速率快慢组合试验中,推进剂极限力学性能参数随着"转换应变"的增大呈下降趋势。相关结果和结论可为复杂载荷下空空导弹发动机药柱的精细结构完整性分析提供参考。     

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。     

药柱对燃烧室外压失稳载荷的影响

通过外压屈曲计算及外压试验研究了某固体火箭发动机壳体与燃烧室的外压稳定性。外压屈曲计算得到了壳体、燃烧室的外压屈曲载荷、屈曲失稳波形以及径向位移(环向应变)随外压载荷的变化规律。对比壳体与燃烧室的计算结果发现,燃烧室径向位移(环向应变)-载荷曲线上拐点处对应的外压载荷相对壳体明显偏高,说明药柱对燃烧室外压承载能力贡献较大。对不同推进剂松弛模量的计算表明,推进剂松弛模量与燃烧室外压承载能力呈正相关。壳体、燃烧室外压试验所得失稳波形以及药柱对燃烧室外压承载能力的影响规律与计算结果吻合较好。     

低温点火条件下固体发动机组合药柱的粘接界面力学响应分析

为了研究组合药柱结构在低温点火工况下粘接界面的损伤脱粘,以某型固体发动机为研究对象,基于内聚力模型,分析了组合药柱结构低温点火下的力学响应特性及界面损伤演化情况。结果表明,在低温点火工况下,壳体/包覆层间隙无压强时,组合药柱变形大,由于药柱所受应力超过材料极限性能,导致界面结构破坏,续航段/增速段药柱界面为结构损伤薄弱处。同时,针对续航段/增速段药柱界面进行研究,分析了界面力学性能及续航段药柱模量对界面损伤分布的影响。结果表明,随着界面强度、断裂能的提高,药柱结构完整性会显著改善,而随着界面刚度的增大,仍会出现界面脱粘现象;降低续航段药柱瞬时模量,界面脱粘范围减小,但同时续航段药柱的等效应变会显著增大。     

固体火箭发动机药柱可靠性及寿命预估研究

以某型号固体火箭发动机推进剂力学性能随贮存时间变化引起药柱点火工作瞬时结构可靠性降低为衡量指标,预估了发动机寿命。首先研究了发动机自然贮存2、4、12、14、16 a后推进剂的力学性能参数及其分布规律,然后用随机有限元法分析了发动机点火过程中的应力、应变的统计分布,并用应力-强度干涉模型计算了贮存不同时期药柱的点火瞬时可靠性,以此为依据确定了发动机可靠寿命。研究结果表明,该型号发动机以0.97为可靠性下限的寿命约为15 a。     

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。     

固体火箭发动机药柱加压固化仿真

对于药柱外/内径比(m数)很大的贴壁浇注式固体火箭发动机,在固化降温后,推进剂药柱内会产生显著的热应变,这严重限制了发动机的进一步高性能化。加压固化是一种降低推进剂药柱内热应变的有效方法。文中分析了加压固化的原理,推导出了加压固化所需压强与发动机参数之间的关系式,提出了一种两步分析法的加压固化有限元分析方法。针对4种不同壳体材料的圆管发动机,进行了加压固化理论计算与有限元仿真分析,给出了4种壳体加压固化时的推荐压强。