含大氣孔缺陷的藥柱結(jié)構(gòu)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

吳 敏，謝楊林，余 劍，王志昊，汪耀源，李云峰

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽(yáng) 441003)

0 引言

采用澆注成型工藝的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥過(guò)程中，由于工裝設(shè)計(jì)不合理，或是抽真空條件達(dá)不到預(yù)期要求以及藥漿的流動(dòng)性較差等原因，容易引起裝藥內(nèi)部存在不同尺寸大小的氣孔。通過(guò)無(wú)損探傷很容易檢測(cè)藥柱內(nèi)部的氣孔大小及所在位置。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥有氣孔時(shí)，氣孔邊緣處會(huì)形成超限的應(yīng)力集中進(jìn)而引起試驗(yàn)事故。根據(jù)行業(yè)規(guī)則與產(chǎn)品驗(yàn)收要求，一般均是對(duì)氣孔超過(guò)一定尺寸的產(chǎn)品做報(bào)廢處理。

應(yīng)用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析技術(shù)形成了大量的研究成果[1-6]，給固體發(fā)動(dòng)機(jī)的快速研制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、裝藥配方的復(fù)雜性與多樣性，發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥中難免會(huì)出現(xiàn)含有不同尺寸的氣孔缺陷問(wèn)題[7-9]，含氣孔缺陷的固體發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性研究日益受到重視。針對(duì)小尺寸的氣孔缺陷情況，文獻(xiàn)[8]分析了2 mm、4 mm、6 mm等氣孔的應(yīng)力、應(yīng)變分析，得到了氣孔周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且氣孔直徑越大、其應(yīng)力集中呈迅速上升的趨勢(shì)。文獻(xiàn)[9]對(duì)1 mm、10 mm等單氣孔或多個(gè)氣孔開(kāi)展了內(nèi)彈道理論計(jì)算分析，通過(guò)理論分析得出：較小的單氣孔缺陷對(duì)裝藥燃面的影響較小、幾乎不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)彈道性能，氣孔缺陷較大或多個(gè)較大氣孔間距較小時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣孔擴(kuò)展或氣孔缺陷串聯(lián)將使燃燒室殼體提前暴露在燃?xì)庵?，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的安全性。文獻(xiàn)[10]開(kāi)展了-40 ℃、10.4 MPa的低溫點(diǎn)火結(jié)構(gòu)完整性分析與冷氣驗(yàn)證試驗(yàn)，但該藥柱是完整無(wú)缺陷，且安全系數(shù)達(dá)2.46，安全性很高。文獻(xiàn)[11]只是較系統(tǒng)地論述了脫粘、裂紋、氣孔等缺陷問(wèn)題對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的影響性分析。文獻(xiàn)[7-9]中對(duì)含氣孔的發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥均未開(kāi)展具體的點(diǎn)火試驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)的理論分析結(jié)果不具有很強(qiáng)的說(shuō)服力。因此在業(yè)內(nèi)缺少裝藥中含不同氣孔尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物點(diǎn)火驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果作為參考依據(jù)。

如果裝藥氣孔缺陷較大，氣孔的燃燒擴(kuò)展對(duì)燃面增加造成一定影響，同時(shí)氣孔將使殼體提前暴露在燃?xì)庵?，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的工作安全性。文中針對(duì)裝藥含大氣孔缺陷的問(wèn)題，采用粘彈性模型開(kāi)展裝藥含大氣孔的結(jié)構(gòu)完整性分析，并應(yīng)用應(yīng)變疊加安全系數(shù)評(píng)估法[1]對(duì)缺陷藥柱開(kāi)展理論分析方法評(píng)估技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，完成了點(diǎn)火驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 計(jì)算模型

1.1 氣孔結(jié)構(gòu)

文中發(fā)動(dòng)機(jī)具有大長(zhǎng)徑比、高m數(shù)(藥柱外徑與內(nèi)徑之比，m=3.5)、高壓工作(峰值25 MPa以上)的顯著特點(diǎn)。由于工裝設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致多發(fā)裝藥在澆注中形成了較大氣孔結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。圖1中的4發(fā)氣孔裝藥均是用X光從X、Y兩個(gè)方向拍攝形成照片，氣孔最大直徑分別約為40 mm、20 mm、30 mm、25 mm。

圖1 4發(fā)裝藥X探傷氣孔圖

根據(jù)4發(fā)裝藥的探傷結(jié)果，每個(gè)氣孔均為不規(guī)則尺寸，且均有典型的代表性。經(jīng)對(duì)比分析第4發(fā)的圖片拍照角度清晰、便于尺寸測(cè)量，因此選取第4發(fā)裝藥作為研究對(duì)象，該氣孔直徑約Φ25 mm，完全在裝藥內(nèi)部，是一個(gè)較典型的裝藥含大氣孔結(jié)構(gòu)，氣孔邊緣與裝藥軸向中心孔最小肉厚為4.57 mm，氣孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 裝藥氣孔尺寸(單位：mm)

1.2 計(jì)算氣孔內(nèi)的靜壓

4發(fā)裝藥的氣孔處于燃燒室的大致相同位置，假設(shè)氣孔是懸停在未固化的推進(jìn)劑中，根據(jù)澆注缸真空度為p0≈200±60 Pa，氣孔距藥面高度約1 160～1 320 mm區(qū)域內(nèi)，取中值為1 240 mm，采用p1=ρgh=1800×9.8×1.24=21874 Pa，即氣孔內(nèi)p=p0+p1=22074 Pa。

1.3 數(shù)學(xué)模型

模型由超高強(qiáng)度鋼、絕熱層、藥柱、氣孔等組成，藥柱與絕熱層均為粘彈性材料，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型主要參數(shù)

推進(jìn)劑為常規(guī)的丁羥三組元配方體系，藥柱與絕熱層的粘彈性參數(shù)參考相關(guān)Prony級(jí)數(shù)，推進(jìn)劑零應(yīng)力溫度為58 ℃，在-40 ℃低溫條件下的力學(xué)性能(取4個(gè)數(shù)據(jù)的平均值)見(jiàn)表2。

表2 推進(jìn)劑低溫力學(xué)性能(拉伸速率:100 mm/min)

(1)

考慮簡(jiǎn)單拉伸情況，在最大拉伸條件下，εy=εz=-vεx,εx=εm,εxy=εyz=εxz=0，可得:

(2)

式中：ν為泊松比;εm為推進(jìn)劑單向拉伸最大伸長(zhǎng)率。

1.4 物理模型、計(jì)算工況與網(wǎng)格

根據(jù)藥柱內(nèi)外徑、探傷圖片，采用樣條線與投影成像方式描繪氣孔邊緣獲得的具體氣孔尺寸，構(gòu)成非對(duì)稱(chēng)性的近似球形三維氣孔，建立1/2對(duì)稱(chēng)實(shí)物模型，由于氣孔較小，為簡(jiǎn)化模型截取了其中一段裝藥結(jié)構(gòu)開(kāi)展分析，并取模型軸向兩端面為零位移面，見(jiàn)圖3。采用線粘彈性力學(xué)模型開(kāi)展藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析，對(duì)氣孔與內(nèi)孔表面較近的位置的網(wǎng)格加密處理。

圖3 氣孔與網(wǎng)格模型

數(shù)值模擬過(guò)程中主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)低溫條件(-40 ℃)、點(diǎn)火內(nèi)壓載荷及其兩者共同作用。燃燒室在從建壓開(kāi)始150 ms內(nèi)線性增壓到19.6 MPa。對(duì)氣孔及藥柱模型在低溫貯存條件下的應(yīng)變以及在點(diǎn)火升壓過(guò)程中的變化過(guò)程展開(kāi)仿真分析。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 低溫貯存分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在-40 ℃低溫條件下，藥柱與氣孔內(nèi)表面的Von Mises等效應(yīng)力與等效應(yīng)變見(jiàn)圖4。從圖4可得到，藥柱內(nèi)孔表面上最大 Von Mises等效應(yīng)變?yōu)?6.4%，Φ25 mm氣孔形成的最大Von Mises等效應(yīng)變32.3%位于氣孔與軸向內(nèi)徑的最小肉厚處，根據(jù)應(yīng)變疊加安全評(píng)估法[1]可判斷應(yīng)變小于推進(jìn)劑在-40 ℃時(shí)的力學(xué)性能，因此藥柱在低溫條件下結(jié)構(gòu)安全。

圖4 -40 ℃時(shí)的藥柱應(yīng)力與應(yīng)變圖

2.2 氣孔破裂臨界壓強(qiáng)分析

假設(shè)氣孔內(nèi)的壓強(qiáng)0.02 MPa保持不變，由于點(diǎn)火過(guò)程存在升壓變化，軸向內(nèi)孔的壓強(qiáng)從0 MPa開(kāi)始升壓計(jì)算，提取不同壓強(qiáng)條件下的最大Von Mises等效應(yīng)變截面結(jié)果如圖5所示。

圖5 點(diǎn)火升壓的壓強(qiáng)-應(yīng)變圖

仿真分析結(jié)果表明，-40 ℃時(shí)等效應(yīng)變值隨著壓強(qiáng)逐漸升高。從圖5可看出，最大Von Mises等效應(yīng)變位置在3個(gè)主要位置點(diǎn)轉(zhuǎn)變。氣孔處的等效應(yīng)變是從0 MPa、43.4%先降低到1.2 MPa、34.5%，再隨著壓強(qiáng)升高而增加，當(dāng)壓強(qiáng)升高到3 MPa、氣孔根部等效應(yīng)變達(dá)到63.2%時(shí)，推測(cè)認(rèn)為氣孔會(huì)從根部開(kāi)始斷裂(即氣孔被點(diǎn)火升壓形成的壓強(qiáng)擠破)。同理，在20 ℃、60 ℃條件下，內(nèi)壓分別升到2.8 MPa、2.6 MPa，Von Mises等效應(yīng)變開(kāi)始大于60%時(shí)氣孔會(huì)被擠破。結(jié)果表明，隨著試驗(yàn)溫度升高，氣孔破裂的承壓能力在下降。

從受力分析結(jié)果可知，該大氣孔在受升壓(小于3 MPa)作用下，局部應(yīng)變遠(yuǎn)大于推進(jìn)劑的力學(xué)性能，必然在升壓作用下擠壓破裂，因此點(diǎn)火壓強(qiáng)會(huì)進(jìn)入到氣孔內(nèi)部表面上，為后續(xù)的低溫、點(diǎn)火共同載荷提供試驗(yàn)載荷依據(jù)。

2.3 局部燃面變化過(guò)程分析

根據(jù)圖5的分析結(jié)果表明，在升壓過(guò)程中氣孔與中心孔表面最小肉厚處的局部藥面會(huì)從環(huán)繞氣孔根部的最大應(yīng)變處被高壓擠破碎裂，提取環(huán)繞氣孔周邊以最大應(yīng)變形成的邊界為破裂界線，形成如圖6的小孔洞，取小孔洞的藥量作為研究對(duì)象，因此在此時(shí)刻總?cè)济鏁?huì)額外增加有氣孔表面的燃面，通過(guò)三維軟件可精確計(jì)算出非規(guī)則氣孔與小孔洞的表面積為1 610.6 mm2。小孔洞的理論藥量約3.4 g，該部分藥劑破碎后形成小顆粒碎片飄入燃?xì)饬髦校瑢⑹谷济嬗行》仍龃?，由于該藥量?jī)H占初始燃?xì)饬髁康?.5‰，表明對(duì)工作壓強(qiáng)的影響很小，仍可忽略不計(jì)。

圖6 大氣孔與孔洞結(jié)構(gòu)圖

2.4 低溫、點(diǎn)火升壓過(guò)程共同載荷作用

根據(jù)2.2節(jié)顯示低溫條件下升壓大于3 MPa后氣孔破裂，氣孔內(nèi)表面將承載相同的壓強(qiáng)載荷。在氣孔模型中引入一個(gè)潰裂的小孔洞(圖6)，在低溫-40 ℃、19.6 MPa條件下的含大氣孔的藥柱結(jié)構(gòu)完整性仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 -40 ℃、19.6 MPa藥柱應(yīng)變、位移圖

從圖7可知，在-40 ℃、19.6 MPa條件下，藥柱中心孔的最大Von Mises等效應(yīng)變?yōu)?9.3%，大氣孔內(nèi)表面上的最大Von Mises等效應(yīng)變約為33%，根據(jù)應(yīng)變疊加評(píng)估法，表明該條件下藥柱結(jié)構(gòu)完整性仍安全可靠。

3 點(diǎn)火驗(yàn)證

由于局部位置存在氣孔，根據(jù)圖2的氣孔剖面得到氣孔邊緣與藥柱內(nèi)孔的最小肉厚約4.57 mm，氣孔在徑向最大寬度達(dá)到22.56 mm。經(jīng)點(diǎn)火增壓過(guò)程分析得出，在點(diǎn)火時(shí)氣孔從最薄處會(huì)被高壓瞬間擠裂，因此從點(diǎn)火時(shí)刻開(kāi)始，氣孔對(duì)應(yīng)處的肉厚減小約27.13 mm。在同等條件下，該處的對(duì)應(yīng)燃燒時(shí)間提前約5.25 s到達(dá)絕熱層，因此需要關(guān)注絕熱層的熱防護(hù)能力。如果氣孔對(duì)應(yīng)處的絕熱層不能多承擔(dān)5.25 s以上的熱防護(hù)能力，則存在燒穿殼體的風(fēng)險(xiǎn)。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)氣孔缺陷處對(duì)應(yīng)的殼體內(nèi)壁有相應(yīng)厚度的絕熱層，經(jīng)分析認(rèn)為燒穿殼體的風(fēng)險(xiǎn)很小，可以安全試車(chē)。

根據(jù)藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析表明藥柱結(jié)構(gòu)完整無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、理論燃面增量分析表明燃面增量微小，因此可判斷該發(fā)動(dòng)機(jī)在地面點(diǎn)火時(shí)不存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，可以安全試車(chē)。

同時(shí)開(kāi)展了5發(fā)藥柱試驗(yàn)，均順利地通過(guò)地面點(diǎn)火試車(chē)考核，試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖8。

圖8 驗(yàn)證試驗(yàn)p-t曲線

由圖8可見(jiàn)，3發(fā)含大氣孔裝藥在低溫條件下的點(diǎn)火初始?jí)簭?qiáng)峰值均在18 MPa左右，點(diǎn)火升壓過(guò)程均處于正常波動(dòng)范圍內(nèi)，初始峰值的重現(xiàn)性較好；1發(fā)完整無(wú)氣孔缺陷的裝藥在常溫條件下的點(diǎn)火峰值為22 MPa左右；1發(fā)含大氣孔缺陷裝藥在高溫條件下的點(diǎn)火峰值為25.5 MPa左右。以正常無(wú)缺陷裝藥的壓強(qiáng)曲線作為參考，其它4發(fā)含大氣孔裝藥在不同溫度條件下的壓強(qiáng)波動(dòng)范圍、變化趨勢(shì)均符合壓強(qiáng)受工作溫度差的影響趨勢(shì)，點(diǎn)火壓強(qiáng)峰值無(wú)異常變化。

從試驗(yàn)結(jié)果的安全性與壓強(qiáng)曲線的波動(dòng)性判斷，含大氣孔裝藥并不會(huì)破壞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)性。

4 結(jié)論

理論仿真分析與不同氣孔尺寸裝藥的地面點(diǎn)火試驗(yàn)驗(yàn)證表明在裝藥內(nèi)部存在大氣孔缺陷時(shí)，只要藥柱力學(xué)性能滿足低溫條件，有大氣孔(Φ20～ Φ40 mm)缺陷不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)完整性，發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火可靠性基本不受氣孔的影響，更多由低溫條件下推進(jìn)劑本身的材料性能所決定。

從驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)氣孔尺寸較大，點(diǎn)火時(shí)氣孔在升壓過(guò)程中均會(huì)被壓裂破碎，但不會(huì)擴(kuò)展形成裂紋或出現(xiàn)邊緣擴(kuò)展現(xiàn)象，氣孔內(nèi)表面的燃面增量?jī)H輕微影響發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)彈道性能。