环境压强对NEPE推进剂单向拉伸力学行为的影响①

王小英，何铁山，张 林，唐 泉，胡 翔

(湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003)

环境压强对NEPE推进剂单向拉伸力学行为的影响①

王小英，何铁山，张 林，唐 泉，胡 翔

(湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003)

采用单向拉伸实验，研究了不同温度、不同拉速、不同环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响。结果表明，环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响存在一个阈值，超过该阈值后，环境压强对最大强度的影响不大，对最大伸长率无明显影响规律。同时，采用双剪强度理论，建立了NEPE推进剂最大剪应力强度与环境压强的关系。结果表明，两者呈现较好的线性关系，根据关系式得出，在低温下推进剂最大剪应力强度对环境压强更敏感，并对该关系式的其他应用进行了简要分析。采用SEM法观测结果表明，环境压强主要在抑制颗粒脱湿、降低空穴方面有较强作用。

NEPE推进剂；力学性能；双剪强度理论；环境压强

0 引言

固体火箭发动机在点火期间，推进剂药柱是在一定压强下工作的。因此，有必要知道压强对推进剂力学特性和结构能力的影响。为此，国内外学者针对环境压强的作用开展了一系列研究。Kruse、Jones等的实验表明，固体推进剂力学性能具有压力敏感性[1]。Traissac Y[2]及CH Pai[3]等分别研究了固体弹性体材料在不同压强环境下的力学行为。研究表明，其变化规律明显与常压状态不同。何铁山等[4]研究了常温不同环境压强下NEPE推进剂的力学行为变化规律，建立了环境压强影响NEPE推进剂力学性能的数学模型，但该模型较简单；阳建红考虑了静水压力和多向应力状态，提出了推广的双剪强度准则[5]；姚东对双剪强度准则进行了推广应用，预测了多种条件下的强度参数[6]。但以上研究一般针对常温下环境压强的影响，且未对环境压强下的拉伸曲线进行分析。

由于压强环境下推进剂力学性能测试难度较大，目前从公开发表文献来看，仅文献[4]测试了室温下环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响，对高温和低温下的影响结果鲜有报道。因此，为了准确评估火箭发动机在点火工作时固体推进剂所处的工作状态，准确分析在点火工作期间药柱结构的完整性，进而提高燃烧室装药设计水平，采用单向拉伸实验研究了不同温度、不同拉速下，环境压强对NEPE固体推进剂力学行为的影响，利用双剪强度准则评估推进剂环境压强下的承载能力，并初步解释了环境压强对推进剂力学特性影响的作用机理。

1 试验设备及方法

试验设备为自制高压材料试验机，以氮气为增压气体，同时配备4只载荷传感器，每只传感器满量程为1 kN。试验样品为哑铃形试件，按GJB 770A297规定的相关方法制备。

测试试样为NEPE固体推进剂，其中粘合剂为PEG/NG/BTTN，固体组分为HMX/AP/Al，固体含量73%。固体推进剂试样在每种设定压强条件下保压40 min。每种测试条件下一次性同时测试4个试样，力学性能测试结果取平均值。实验环境压强p为0.1～9.9 MPa(一个大气压为0.1 MPa)；测试温度T为-20、20、70 ℃；对应拉速V分别为100、100、2 mm/min。

2 试验结果

2.1 环境压强对推进剂应力应变曲线的影响

首先，观测了常温20 ℃、100 mm/min拉速下，不同环境压强对NEPE推进剂应力应变曲线的影响，结果见图1。

从图1可见，不同环境压强下，NEPE推进剂初始阶段曲线基本相同(≤60%)，在拉伸后期，随着环境压强的增大，推进剂最大抗拉强σm(拉伸曲线中抗拉强度最大值)和伸长率εm(σm对应的伸长率)均逐渐提升。

这是因为NEPE推进剂在拉伸初始阶段是不可压缩的，在填料颗粒周围的真空孔穴数量很少，环境压强对拉伸特性影响较小，因此表现出初始阶段拉伸曲线基本相同。随着拉伸进行，推进剂内部空穴数目将逐渐增加。此时，外部气压一方面可延缓真空孔穴的出现，另一方面能使带孔推进剂体积缩小，气体受到挤压。因此，外部压强越大，推进剂脱湿的越晚，其最大拉伸强度和伸长率均提高。

2.2 不同条件下环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响

图1中，常温下环境压强对NEPE推进剂力学行为存在较大影响，为观测其它条件下的影响，测试了不同温度下环境压强对其σm和εm的影响，结果见图2和图3。

由图2和图3可见，在常温20 ℃和高温70 ℃条件下，当环境压强p低于6.3 MPa时，随着p的提高，NEPE推进剂σm和εm均逐步提高；当环境压强高于6.3 MPa后，σm变化不大。当测试温度为-20 ℃时，NEPE推进剂σm随p增加而不断增加，3种温度条件下，当环境压强大于6.3 MPa后，随p提高，伸长率并无明显变化规律。

根据文献[7]，环境压强对推进剂强度的影响并非呈线性增加，而是存在一个阈值，超过该阈值后，压强的影响就不大，且该阈值压强与应变速率和温度有关，材料的刚性越强，阈值越大。因此，在20 ℃及70 ℃下，NEPE推进剂的压强阈值接近6.3 MPa；在低温-20 ℃下，并未达到该温度下的压强阈值。在压强达到阈值后，环境压强对推进剂εm的影响依赖于粘合剂耐撕裂的特性，与压强大小关系不大。因此，NEPE推进剂最大伸长率在压强高于阈值后，并无明显变化规律。

以上分析表明，当发动机在一定压强下点火时，较低的压强有利于提高推进剂力学性能，将使推进剂的结构完整性计算裕度增大(因为此时推进剂实际力学性能是高于计算用力学性能值)，但当压强提升到一定值后，压强对推进剂力学性能提升作用减弱或消失。此时，结构设计人员不应继续过高估算压强对力学性能的提升作用了。

2.3 NEPE推进剂强度与环境压强理论关系

文献[5, 8]提出的双剪强度准则可较好地描述推进剂强度与环境压强的相关性：

当-30°≤θσ≤θσcr时

(1)

当θσcr≤θσ≤30°时

(2)

式中τ为八面体上剪应力；σe为平均主应力，θσ、θσcr分别为lode角和临界lode角；A、A′为正应力影响参数；B、B′为材料的强度系数；D、D′为材料的强度参数。

其中

(3)

(4)

(5)

式中σi为正应力，i=1，2，3。

当推进剂为三轴压缩时，θσ取-30°，拉伸时θσ取30°。

当推进剂受单轴拉伸载荷时，正应力σ1等于单轴拉伸最大强度σm，σ2=σ3=-p，将其分别代入式(3)和式(4)，即可求σe和τ。

由于NEPE推进剂主要应用于战略导弹中，其使用环境一般为-20～70 ℃，结合发动机对推进剂药柱的力学性能指标要求(指标一般要求提供常温、低温下拉速100 mm/min，高温70 ℃拉速为2 mm/min时力学性能)，分别列出了-20、20、70 ℃，不同环境压强下平均主应力σe和剪应力τ值，结果见表1。

由表1可见，随环境压强的增大，八面体剪应力τ逐渐增加。根据表1数据，取同一加载条件下环境压强的3组或3组以上数据，代入式(1)中，即可构成关于3个参数的方程组，从而求出参数A、B和D的线性解答。可见，环境压强大小决定了σe值，σe值和A、B、D3个参数共同确定推进剂的最大八面体剪应力τ。从力学内涵来看，压强通过对应力状态的影响，主要体现在σe中(见式(3))，而温度和拉伸速率的影响主要体现在参数A、B和D中[6]。

根据表1计算得出的A、B、D值及τ8与p关系式，列于表2中。由表2可知，在不同温度、不同拉速下，τ8与压强均呈现较好的线性关系，相关系数高于0.99。为便于比较，将表2中τ8与p关系式得出的拟合值列于表1中。

由表1可见，拟合值与计算值非常接近，说明双剪强度准则是适用于推进剂在多轴应力状态下的强度准则。利用该关系式，还可预测出不同温度、不同压强下的τ8，并与有限元计算出的结果进行对比，得出发动机实际点火的结构完整性安全系数。例如，某燃烧室点火建压过程的分析得出，药柱某关键部位的对等加载条件为20 ℃、110 mm/min，工作压强为7 MPa，参照表2公式，其τ8约为4.21 MPa，同时结构设计人员利用有限元进行结构完整性计算，假设计算结果为1.83 MPa，则此时发动机点火的安全系数为4.21/1.83=2.3，即为发动机实际点火的结构完整性安全系数。

表2中，τ8与p的关系式中，斜率大小代表了推进剂强度对压强的敏感程度，斜率越高，表示越敏感。因此，在低温下NEPE推进剂强度对环境压强更敏感，高温下敏感性略低。这与NEPE推进剂属于粘弹性材料密切相关。一方面，低温下推进剂中粘合剂基体链段发生了部分冻结，外载荷作用时，分子链段重新取向难度大，当施加压强后，进一步提高了填料颗粒与粘合剂之间的有效剪应力和摩擦力[9]，因此低温下表现为推进剂强度对环境压强较敏感。升高温度后，分子间链段运动较容易，较小的外载荷即可将分子链段拉长，此时环境压强的影响相对减弱。该认识对不同温度试车时综合考虑压强影响有一定参考作用。

2.4 NEPE推进剂单向拉伸断面分析

采用SEM测试了NEPE推进剂试样在不同压强拉伸后的断面形貌，结果见图4。图4中，-20/0.15/100依次表示测试温度为-20 ℃、压强0.15 MPa、拉速100 mm/min推进剂试样拉伸断面图，其余类推，放大倍数均为1500倍。

由图4可见，不同温度下，高的环境压强较低的环境压强的推进剂拉伸断面更密实，且颗粒脱湿数目和程度明显减少。进一步验证了推进剂受压后主要是在抑制颗粒脱湿、降低空穴方面有较强作用。但从电镜图片中，并不能解释为何推进剂的性能在低温下比高温对压强更敏感，需要借助其他手段进行解析。

表1 环境压强对NEPE推进剂力学性能的影响

表2 剪应力τ8与p的关系

3 结论

(1)环境压强对NEPE推进剂最大强度的影响并非呈线性增加，而是存在一个阈值，超过该阈值后，环境压强对最大强度的影响不大，对最大伸长率无明显影响规律。

(2)基于环境压强下NEPE推进剂的破坏强度可用双剪强度准则表达。根据剪应力和环境压强的关系式，可预测出不同温度、不同压强下的八面体剪应力，并与有限元计算结果对比，可得出发动机实际点火的结构完整性安全系数。

(3)环境压强对NPPE推进剂的影响主要在抑制颗粒脱湿、降低空穴方面有较强作用，但无法解释为何推进剂的性能在低温比高温时对压强更敏感，下一步需要借助其它手段进行分析。

[1] 俞茂宏.强度理论百年总结[J].力学进展,2004,34(4):529-560.

[2] Traissac Y,Ninous J,Neviere R,Pouyet J,et a1.Mechanical behavior of a solid composite propellant during motor ignition[J].Rubber Chemistry and Technology,1994,68(1):146-157.

[3] Pal P CH,DJ Meier.The effect of pressure on the ultimate properties of elastomers[J].Rubber Chemistry and Technology,1992,65(2):396-410.

[4] 何铁山,张劲民.环境压强对固体推进剂力学行为的影响[J].推进技术,2005,26(4):365-370.

[5] 阳建红，周敬恩，刘朝丰.基于环境压强下NEPE固体推进剂双剪强度准则[J].固体火箭技术，2007，30(3):253-255.

[6] 姚东，高波，杨月诚，等.压力环境下NEPE推进剂强度参数预测[J].强度与环境，2013,40(1):23-28.

[7] 达维纳.固体火箭推进剂技术[M].北京：宇航出版社,1997.

[8] 俞茂宏.双剪应力强度理论研究[M].西安：西安交通大学出版社，1989.

[9] 王广，陈刚.围压对NEPE推进剂强度的影响[J].上海航天，2011,28(3):55-59.

(编辑：崔贤彬)

Effect of environment pressure on the uniaxial tensile mechanical properties of NEPE solid propellants

WANG Xiao-ying,HE Tie-shan,ZHANG Lin,TANG Quan,HU Xiang

(Hubei Inst.of Aerospace Chemotechnology,Xiangyang 441003,China)

The mechanical properties of NEPE solid propellant were studied under the different temperature,tensile rates and environment pressure by uniaxial tensile tests.The result shows that there is a threshold value in the influence of environmental pressure on the mechanical behavior of NEPE propellant.When the value exceeds this threshold, the influence of environmental pressure on the maximum intensity is ignorable and there is no significant influence on the maximum elongation.At the same time,twin-shear strength theory was used to establish the correlation between the maximum shear stress intensity of NEPE propellant and environmental pressure.The result shows that there is a great linear relationship between them.According to the relational expression, it is obtained that the maximum shear stress intensity of the propellant is more sensitive to environmental pressure under lower temperature.Other possible applications of this relationship with a mathematical expression were also analyzed briefly.The SEM method was adopted to observe the fracture cross-sections,and it has been shown that the environmental pressure plays a greater role in the suppression of particle dewetting and hole reduction.

NEPE propellant；mechanical properties；twin-shear strength theory；environment pressure

2016-03-04；

2016-07-06。

王小英(1980—)，女，硕士，从事推进剂力学性能研究。E-mail：wangxiaoying321@163.com

V512

A

1006-2793(2017)04-0466-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.04.012