空间推进系统产品贮存寿命评估之加速老化试验方法

周 鑫，丁孝均，胡 焕，马思宇，王得成

（1. 中国运载火箭技术研究院； 2. 航天材料及工艺研究所：北京 100076；3. 上海空间推进研究所，上海 201112）

0 引言

加速老化试验方法是在合理的工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型对超出正常应力的加速环境获得的产品可靠性信息进行转换，得到产品在额定应力水平下的可复现的寿命估计的一种有效方法[1-2]。经过几十年的发展，该方法已成熟应用于航天型号研制工作中，能够分析判断产品薄弱环节，提供贮存寿命信息，为可靠性、安全性、维修性评估提供依据[3]。

作为运载火箭的关键子系统，空间推进系统的地面贮存寿命直接决定着全箭的贮存性能。空间推进系统使用双组元推进剂，由气瓶、阀门、贮箱、发动机等组成[4]，涉及的零部件包括金属结构件、弹性敏感元件和非金属件等。在工程实际中，影响空间推进系统贮存寿命的因素很多，也很复杂，既有贮存、运输环境条件等外在因素，也有设计裕度、原材料质量、非金属件老化等内在因素。基于现有研究和认识，认为材料的老化是影响空间推进系统整机贮存寿命的决定性因素之一。因此以材料级加速老化试验结论为基础，整机加速贮存试验作验证，可实现对空间推进系统产品贮存寿命的评估。

本文基于加速老化试验设计流程，针对空间推进系统产品进行贮存性能分析，确定系统的薄弱环节，依据材料级加速老化试验结果确定产品的试验条件，通过开展组件级、系统级加速贮存试验评估全系统的贮存寿命。

1 薄弱环节分析

依据已有的贮存和使用信息，对空间推进系统各种零部件的贮存性能分析如下：

1）金属结构件是实现承压、连接、气（液）流通道等功能的静态零件，产品设计时即要求所选金属材料与推进剂相容，不会发生电化学腐蚀，且金属材料受环境温湿度影响较小，故从工程实际来看，金属结构件的长期贮存性能稳定。

2）弹性敏感元件是实现阀门动作的动态零件，影响其长期贮存的关键问题——应力松弛、应力腐蚀——可由独立的寿命评估试验得到其评估值；且从长期使用经验来看，自然贮存环境下弹性敏感元件的长期贮存后性能变化很小。航天型号产品曾开展过弹簧产品贮存性能专题研究，结论为弹簧的贮存寿命远大于非金属材料的[5-6]，但弹性敏感元件加速贮存试验的温度设定要考虑弹簧材料的退火温度，防止其发生应力松弛。

3）非金属件包括橡胶密封件、橡胶膜片、橡胶垫片、塑料活阀、塑料碗、塑料垫片和润滑脂等。密封件在预紧安装后的贮存过程中一直处于受力状态，且受温度、湿度等环境因素变化影响较大，导致其长期贮存后会发生性能变化，是影响推进系统产品中长期贮存性能的薄弱环节。

因此，空间推进系统加速贮存试验的主要考核对象是非金属件，需参考非金属材料的加速老化试验标准制定推进系统加速贮存试验方案及系统贮存期评估方法。

2 材料级加速老化试验

2.1 试验对象

空间推进系统使用的非金属材料有乙丙橡胶、丁基橡胶、氟醚橡胶、偏氟醚橡胶、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯和聚全氟乙丙烯等，其中聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯和聚全氟乙丙烯属于氟塑料制品，贮存性能显著优于橡胶材料。因此，本文仅针对乙丙橡胶、丁基橡胶、氟醚橡胶和偏氟醚橡胶4 种材料展开试验研究。

2.2 试验条件

基于空间推进系统产品的实际贮存环境（温度20±5 ℃，相对湿度40%～60%），分析预期贮存寿命（10～15 年）对应的加速试验条件为热氧老化环境（见表1），在此试验条件下进行4 种橡胶材料的压缩永久变形测试。

表 1 橡胶材料加速老化试验条件Table 1 Accelerated test conditions for rubber materials

2.3 试验方法

4 种橡胶材料的加速老化试验依据GJB 92.1—1986《热空气老化法测定硫化橡胶贮存性能导则 第一部分：试验规程》[7]和GB/T 3512—2014《硫化橡胶或热塑性橡胶 热空气加速老化和耐热试验》[8]执行；材料压缩后发生的永久变形测试依据GB/T 1683—2018《硫化橡胶 恒定形变压缩永久变形的测定方法》[9]执行；数据处理和贮存寿命评估方法参照GJB 92.2—1986《热空气老化法测定硫化橡胶贮存性能导则 第二部分：统计方法》[7]执行。

2.4 试验设备

试验使用的主要设备包括H1200 热氧老化试验箱、MTSQ/T-10 材料试验机和GT-7049 压缩永久变形测试仪等。

2.5 试验结果及分析

根据试验测试数据得到4 种橡胶材料压缩永久变形的老化时间拟合曲线，如图1 所示。在老化试验中，橡胶材料的物理力学性能均满足使用要求。

图 1 橡胶材料压缩永久变形的老化时间拟合曲线Fig. 1 Permanent compression deformation against aging time of rubber materials

对不同加速试验温度下橡胶材料压缩永久变形数据进行统计回归计算，得到贮存温度25 ℃下的橡胶性能与贮存时间关系式，并由此建立橡胶材料加速老化试验的设定加速试验温度与贮存温度之间的等效关系式[10-11]。

基于空间推进系统产品在贮存条件下的实际工作特性，将其加速试验温度设定为85 ℃，依据等效关系式计算出含相应橡胶密封件的组件达到目标贮存寿命所需的加速试验时间，见表2。

表 2 达到目标贮存寿命所需加速试验时间（加速试验温度设定为85 ℃）Table 2 The required accelerating time for reaching the settled storage life by accelerated aging at 85 ℃

3 组件级加速贮存试验

3.1 试验条件

组件级加速试验条件见表3，试验针对空间推进系统的主要模块开展，包括轨控机组模块、姿控机组模块和管路连接结构模块各1 组，3 种模块分别涉及不同材料的橡胶密封件。

表 3 组件级加速试验条件Table 3 The conditions of accelerated test in component level

3.2 试验方法

依据GB/T 3512—2014 相关要求，对上述3 个模块产品按照表3 确定的试验条件进行加速贮存试验。试验完成后，进行各组件的产品性能测试，测试项目包括外观检查、密封性能测试、电性能测试和振动冲击试验等。

3.3 试验结果

加速贮存试验过程中，3 种模块产品状态正常。试验后经性能测试确认，产品性能合格，能够满足使用要求。基于此可以确认各模块的贮存期不少于15 年。

4 系统级加速贮存试验

4.1 试验条件

系统级加速试验条件见表4，其选取原则为：1）基于产品的老化失效机理开展，不产生次生的失效模式；2）试验温度不高于所属组件产品的最高使用温度；3）基于产品实际使用过程中的贮存环境制定产品的加速试验条件。由表2 可知，空间推进系统所含橡胶密封件中偏氟醚橡胶的加速系数最小，其余3 种橡胶的加速系数接近。如果系统级老化试验的加速系数按偏氟醚橡胶制定，对其他橡胶件而言会出现过老化，因此本研究将系统级老化试验的加速系数按照加速系数相对较小的氟醚橡胶选取。虽然该方案对乙丙橡胶和丁基橡胶仍会出现过老化，但这2 种材料的耐老化性能设计裕度大，能够承受适度的过老化。对于含偏氟醚橡胶密封件的可拆卸组件，将其从系统上分解下来，单独开展加速贮存试验至设定寿命后，再安装到系统中；对于不可拆卸组件，可通过补充含偏氟醚橡胶密封件组件的加速贮存试验予以额外验证。

表 4 系统级加速试验条件Table 4 The conditions of accelerated test in system level

4.2 试验方法

依据GB/T 3512—2014 相关要求，对空间推进系统依据表4 设定的加速试验条件进行加速贮存试验。试验完成后，对空间推进系统进行点火试车，验证其工作性能。

4.3 试验结果

系统级加速贮存试验过程中，产品状态正常。试验后的试车过程中，系统各项性能测试数据合格，工作状态正常，能够满足使用要求。基于此可以确认空间推进系统整机的贮存期不少于15 年。

5 结束语

本文以薄弱环节分析为基础，确定老化试验对象，建立橡胶材料加速老化试验的设定加速温度与贮存温度之间的等效关系式，确定空间推进系统组件级、系统级产品加速贮存试验条件，并根据试验结果得出系统贮存寿命评估结论。

此项研究工作可为类似空间推进系统产品的贮存期评定工作提供借鉴和参考。