固体推进剂力学性能多轴试验和影响因素的研究进展

摘 要：本文从固体推进剂的多轴力学性能试验方法及影响力学性能因素，对固体推进剂力学性能的研究进展进行了综述，并在此基础上提出了当前研究中存在的不足和需要进一步重点开展的研究。分析表明：开展不同加载条件下多轴动态力学试验对于分析固体推进剂结构完整性更具有参考价值。

关键词：固体推进剂;多轴;力学性能;影响因素

上世纪80年代，美国在开展低温-40℃条件下战术导弹发射时，就已经出现部分固体火箭发动机（Solid Rocket Motor， SRM）解体爆炸现象[1-3]。通过对大量中小固体导弹的发射情况进行统计和分析发现，点火瞬间固体推进剂药柱结构完整性的破坏是引发SRM失效的主要原因[4]。研究发现[5]不同加载条件下固体推进剂力学行为的研究是开展SRM药柱结构完整性分析的基础，因为固体推进剂是典型的颗粒增强粘弹性材料，其力学性能和损伤明显受到外界温度、加载应变率和热老化时间等的影响。且固体推进剂在使用和贮存过程中，其受力状态是多维的。因此，为更好分析固体推进剂药柱的结构完整性，本文对固体推进剂多轴性能试验方法及影响因素进行归纳总结研究，并就研究中不足进行分析。

1 推进剂多轴力学性能试验

1.1 推进剂双轴拉压试验

王志存通过有限元软件模拟了如图1.1板条推进剂拉伸时水平与竖直方向的应力比关系，结果发现板条可进行近似1：2双轴拉伸效果。基于国内外试验表明，板条推进剂有效模拟真实药柱受力状态。因此，王哲君通过如图1.2所示将板条试验件依托高应变率试验机开展试验，得出与单轴拉伸试验相同的变化规律。

目前主要依托十字形推进剂开展双轴拉伸研究。通过单轴试验机及自主开发试验器材，张丽华成功实现了推进剂的双轴拉伸，验证固体推进剂各向异性特点。为了开展真正的双轴拉伸试验，国内强洪夫等将十字形试验件中心区域减薄在双轴拉伸机作用下进行了双轴拉伸力学研究。随后贾永刚等通过改进采用强洪夫所设计的浴盆式推进剂并在臂上开槽相结合的十字形试验件开展双轴试验。

国外研究者Jalocha[认为贾永刚所采用的试验方案并不是十分可靠，因此，他重新设计十字形试验件，取消开槽设计、扩大推进剂圆弧区域半径，最终实现的双轴拉伸试验研究。

张亚等依托双轴试验机，对浴盆形试验件、长方体试件以及类似哑铃型试验件分别开展双轴拉伸、双轴压缩及拉压性能试验。

1.2 推进剂三轴性能试验

针对三轴力学性能试验，国内外主要就准静态（<1s-1）范围内开展试验。Jones J W则设计厚圆盘试件进行研究，通过压缩试验机开展径向压缩试验，从多维的角度去模拟其应力状态。事实上，多轴的受力状态更加接近SRM工作时内部药柱的真实情况，因此，国外研究者Sanal Kumar为了更好模拟药柱在点火建压时所受的应力状态，提供研究圆管状试验件，针对不同应力状态设计松弛试验，试验表明：试验刚开始阶段，应力构成不足以改变推进剂的松弛模量，当试验拉伸继续加载，松弛模量随着应力的维数不断增加，在同等试验条件下，三轴试验的松弛模量最高。

为了模拟药柱的SRM中所处压强环境下所受的影响，Liu通过添加围压装置，对固体推进剂施加压强载荷进行力学试验研究：在压强的作用下，损伤更加难以产生，推进剂的强度有所增强。这与何铁山等在高压试验机中模拟NEPE推进剂点火建压时所获得的结论相同。张亚等通过对不同老化HTPB推进剂试件开展围压下力学试验，同样发现当压强存在时，推进剂有更高的力學拉伸强度，在围压环境中，推进剂可以更好的储存。

2 推进剂力学性能影响因素研究进展

由于本文主要针对固体推进剂力学性能在温度、应变率、热老化时间、受力状态等四个方面影响下开展研究，因此就这四个方面展开综述。

1）温度是造成HTPB推进剂力学性能改变的影响因素。Pang等人发现固体推进剂的初始模量与最大拉伸强度均随着温度呈反比，但是最大伸长率没有明显比例关系。赖建伟和王小英均开展了低温和低温恢复常温拉伸试验，研究低温对推进剂造成的影响。通过低温拉伸试验，王哲君研究了单向及双向拉伸试验下推进剂的变化性能。Shekhar对比了多种温度对推进剂性能造成的改变，并通过试验发现：低温促使推进剂最大拉伸强度变大。

2）就应变率方面，针对试验主要依托试验件拉伸或压缩速率改变，赖建伟等通过改变其压缩速率，对比在不同压缩速率下推进剂的力学性能，发现压缩速率大小可以改变推进剂强度。Sun等通过对改性双基固体推进剂在不同应变率范围内开展力学试验，根据力学性能参数建立了本构方程。孙朝翔通过改变应变率对固体推进剂开展研究，发现高应变率造成影响更大。

3）固体推进剂从制作出以后就要面临老化的问题，为研究老化后推进剂力学性能的变化，目前试验主要开展自然老化和热老化试验，目前国内外研究主要依托时温等效原理（Time-Temperature Superposition Principle，TTSP），通过高温热老化试验处理试验件开展试验。Kivity等[57]从机理出发分析了推进剂老化的内在原因。张亚、王哲君通过对不同老化时间的推进剂进行试验，发现老化后的推进剂较未老化强度有所增加。

4）为了模拟推进剂在SRM工作时的真实受力状态，国内外研究者提出了从一维到多维的试验方案进行研究。针对单轴拉伸试验，出台JANNAF标准[58]以及GJB 770B-2005标准可以进行参照，但是针对多轴力学试验可以参照的标准还比较缺乏。张亚为了更好研究推进剂在多维受力状态下的力学性能，依托双向试验机开展双向拉伸、双向压缩试验，与其开展的单向拉伸、压缩研究作比较，发现双向拉伸强度提高，但伸长率有所下降;王哲君通过开展板条试验件也发现，双轴会增强推进剂的最大拉伸强度，发现固体推进剂在双轴条件下将受到两个方向约束，因而其伸长率会下降。

3 结论

目前，对于多因素分析比较缺乏，所开展的试验只针对温度、应变率、应力状态或者老化等单因素开展力学性能试验。综上，开展低温、高应变率和热老化后HTPB推进剂双向拉伸多因素加载试验对分析固体推进剂结构完整性更具有意义。

参考文献

[1]Structural assessment of solid propellant grains[R]. AGARD-AR-350， 1997.

[2]Nevière R， Tixier L. Fracture of case bonded grains in cold pressurization motors tests[R]. AIAA 2009-5171， 2009.

[3]刘中兵，周艳青，张兵.固体发动机低温点火条件下药柱结构完整性分析[J].固体火箭技术，2015，38（3）：351-355.

[4]刘兵吉.导弹贮存使用失效分析与防护指南[M].北京：第二炮兵装备技术部，1998.

[5]Gligorijevi? N， ?ivkovi? S， Suboti? S， Rodi? V， Gligorijevi? I. Effect of cumulative damage on rocket motor service life[J]. Journal of Energetic Materials， 2015， 33（4）： 229-259.

作者简介

刘畅（1993-），男，汉族，安徽合肥，航空宇航科学与技术硕士，助教，火箭军士官学校，研究方向：固体推进剂结构完整性研究。