固体火箭发动机装药缺陷原因分析及无损检测方法的研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
战术导弹 技术 Tactica lM issile Technology Janua ry, 2010, (1) : 73～77 [文章编号 ] 100921300 ( 2010) 0120073205
·73·
固体火箭 发动机装药缺陷原因分析及 无损检测方法的研究
梁 彦1 , 张 驰 2 , 梁 明 2
对于自由装填药柱 , 在点火压强升高阶段 , 燃 烧室压强和药柱与壳体间隙之间产生的压强可能以 不同 的速率 升高 , 因此 , 药柱在压 强梯度的 作用 下 , 在推进剂内 部及粘 接界面中 将产生应 力、应 变 , 并会引起药柱的破裂及推进剂 /包覆层的脱粘 和扩展. 2. 2 老化与化学迁移 2. 2. 1 老化
此外 , 由于瞬态温度梯度引起的热应力和热应 变 , 也有可能造成推进剂内部裂纹和粘接界面破 坏 , 这种应力往往对战术导弹发动机药柱影响很 大.
( 3)飞行工作阶段 火箭 、导 弹在 高速飞 行过程 中 , 由于 气动加 热 , 使壳体温度快速升高 , 而非良导体的绝热层 、 衬层和推进剂的温度变化很小 , 温度梯度的存在致 使在绝热层 /壳体粘结界面产生了拉应力. 尽管这 种应力并不大 , 但随着壳体温度的持续升高 , 界面 粘接强度会随时间的增加而降低 , 有可能引起界面 脱粘破坏. 2. 1. 2 加速度载荷 发动机在地 面 /舰载运输 、筒内弹射和级间分 离时要承受因振动和冲击载荷产生的轴向和横向加 速度的作用 , 这是引起药柱累积损伤的一个重要原 因. 该类载荷通常作用时间较短 , 因此当其实施于 性能接近玻璃态的推进剂时 , 产生的破坏性较强 , 使发动机壳体畸变而导致界面局部脱粘和裂纹 . 在缓慢的轴向加速度作用下 , 发动机直筒段的 药柱剪应力与直径成正比 , 药柱下沉的位移与直径 的平方成正比. 因此 , 对于高温或高加速度工作的 大直径发动机 , 该载荷可能引起发动机药柱脱粘及 内孔凹槽处裂纹. 此外 , 发动机装药在长期贮存中 , 因受热载荷 和机械载荷 、自身重力等作用的综合影响而处于受 力状态 , 这对推进剂 贮存中的 力学性能 是有影响 的. 研究表明 : 受某种程度应变的推进剂的松弛模 量比未受应变的要低 , 这主要是由于推进剂组分中 化学键主价键断裂造成的 ; 应力的存在相当于断键 表观活化能降低 , 使键断裂速率加快 , 此时药柱由 于蠕变而在径向产生过度变形 , 而发动机壳体一般
(1. 92941部队 , 葫芦岛 125001; 2. 91851部 队 , 葫芦岛 125001)
[摘 要 ] 分析 了固 体火箭发动机的装药缺陷及其产生 原因 , 阐述了 装药缺 陷对固体 发动机 可靠稳 定工作 的影 响与危害 , 进而强调了对装药进 行无 损检 测的重要性和必要性 ; 随即介绍了装 药无损检 测技术的现 状 , 列 举比较 了几种常规检测方法 , 为固 体火 箭发动机无损检测领域的应用研究提供了借鉴与参考 . [关键词 ] 固体火箭发动机 ; 装药缺陷 ; 无损检测 ; CT检测技术 [中图分类号 ] TJ760. 3 + 3 [文献标识码 ] A
(1)生产阶段 固体推进剂经浇铸后 , 升温固化 , 药柱将粘结 到发动机壳体内壁. 由于推进剂的热膨胀系数比发 动机壳体材料高一个数量级 , 这样药柱从较高的固 化温度降到较低的贮存温度时 , 必然在贴壁浇铸式 药柱内产生热应力和热应变. 此时 , 药柱要承受较 大的拉伸 , 其最易产生缺陷的区域一是在药柱直筒 段内孔 、星孔药柱的星角处和翼的凹槽表面 (这些 部位易产生裂纹 ) ; 二是在药 柱两端的 绝热层 /衬 层 /推进剂粘接界面 (这些部位将产生较大 的剪切 应力 , 容易造成推进剂 /绝热层或绝热层 /壳体的脱 粘 ). (2)贮存阶段 发动机装药在贮存期间 , 由于受环境温度随季 节周期性变化的影响 , 将承受交变热应力的作用 , 使得装药力学性能变化很大 , 推进剂的强度和粘接
Abstra ct: The charge flaws and its causa tion of solid rocket motor are analysed, and the harm ful effects of the charge flaws are elaborated, so the importance and essentia lity of the nonde structive testing(ND T) are emphasized. Then the p re sent sta te of NDT technology is introduced, and som e kinds of conventional te stingm ethods are enum erated, which provides beneficial references for the applied research in the NDT fields of solid rocket motor. Keywords: solid rocket m otor; cha rge flaws; Non Destructive Te sting(NDT) ; CT te sting technolo2 gy
推进剂中某些不稳定组分的分解会在推进剂内 部引起气体的积聚 , 产生 缩孔 , 严重时产生裂纹 ; 此外 , 在推进剂浇铸过程中 , 工艺上的不完善和杂 质也会在推进剂内部产生缩孔.
1 引 言
固体火箭发动机作为各种运载火箭和导弹武器 的动力装置 , 为其安全可靠飞行提供了强有力的动 力支持 , 常被喻为是运载火箭和导弹的心脏. 固体 火箭发动机是一次使用性产品 , 一经点火起动 , 将 难以中途停车 , 因此为保证火箭 、导弹能够稳定可
[作者简介 ] 梁 彦 , 工程师 . [收稿日期 ] 2009209 215
靠飞行 , 对其发动机动力系统及相关零部件的工作 可靠性均提出了十分严格的要求 , 确保在设计时不 采用过大的安全系数 , 以使其达到较高的质量比.
发动机装药是固体火箭动力系统的核心 . 固体 火箭发动机从工厂生产制造到靶场试验 , 再到作战 使用 , 发动机装药往往要经过各种加工工艺 、长期 贮存 、长途运输 、超负荷装卸与舰载等过程 , 经受 各种地面和飞行中 环境条件 的考验. 在 这些过程
当双基装药吸湿 严重时 , 会 使推进 剂点火 困 难 、燃速减慢 、压力和初速降低 , 影响飞行器飞行 控制精度 ; 脆变型聚氨酯推进剂吸水后 , 低温抗拉 强度和模量急剧提高 , 延伸率明显下降 , 变为硬脆 物质 ; 非脆变型聚氨酯推进剂吸水后 , 低温抗拉强 度 、模量稍有下降 , 而延伸率几乎不变 ; 若水分在
©
·74·
战术导 弹技 术 Tactica lM issile Technology Janua ry, 2010, (1)
中 , 固体火箭发动机各组成部分都可能发生变化 , 导致了脱粘、裂纹 、缩孔等缺陷的产生 ; 这些缺陷 严重到一定程度 , 可能导致发动机点火失败 , 或者 使内弹道性能 (如燃烧室的压力和推力 ) 偏差超过 规定要求 , 甚至 使发动机壳体 烧穿 、爆炸. 因 此 , 在固体火箭发动机的制造、贮存和服役过程中必须 注重对其质量和缺陷的检测 , 以确保其工作可靠性 和安全性.
©
界面的粘接强度降低. 温度升高会使推进剂分子的 热运动速度加快 , 加速力学性能的变化 , 促使其降 解 、交联以及组分迁移 , 其表现为药柱软化 、脱粘 、 断裂 ; 温度降低 , 聚合物产生结晶 , 使推进剂变得 硬而脆 , 延伸率显著降低 , 表现为裂纹 ; 当贮存温 度高低交 替循环 时 , 药柱将 出现裂纹 、脆变或汗 析 、晶析等物理效应 , 造成内部裂纹和粘接界面脱 粘.
©
氧化剂粒子周围形成低膜液层 , 则在低应力水平和 相应的力学损坏下出现“脱湿 ”现象 , 表现为延伸率 和模量的迅速下降.
此外 , 贮存过程中的霉菌 、腐气以及盐雾都将 对发动机装药的力学性能有不同程度的影响 , 除了 使得装药发生明显变形以及强度下降外 , 还表现在 药柱表面附着细小 白色粉末 , 出现汗珠 渗出状液 滴 、发粘 、异味、粗糙等现象. 2. 2. 2 化学迁移
战术导 弹技 术 Tactica lM issile Technology Janua ry, 2010, (1)
·75·
有足够的刚度以维持自身的形状 , 因而有应变的贮 存条件破坏了粘结剂和填料的粘结 , 可能引起粘接 界面的脱粘. 2. 1. 3 发动机工作时的燃气内压载荷
这种内压载荷的影响从发动机点火工作到熄 火 , 持续作用于整个发动机工作全过程. 在贴壁浇 铸药柱点火时 , 燃烧室内几毫秒便可达到最大的工 作压强 ; 在这个不稳定的过程中 , 发动机壳体在内 压作用下扩张 , 药柱依附于壳体而变形 , 如果此时 药柱温度较低 , 药柱的伸长率就小 , 那么推进剂内 部引发应力场 , 粘接界面产生应力 , 有可能导致药 柱内通道表面产生裂纹和界面脱粘 , 致使发动机发 生故障.
2 固体火箭发动机装药缺陷的原因分 析
固体火箭 发动机 药柱在 固化冷 却 、贮 存、运 输 、飞行和级间分离过程中要承受各种载荷作用 , 同时受温度 、湿度等贮存条件的共同作用影响 , 发 动机的推进剂 、衬层及绝热层将发生物理和化学性 质的变化 , 破坏了固体火箭发动机的结构完整性 , 产生了如壳体与衬层 (绝热层 ) 、衬层 (绝热层 )与 推进剂粘结界面发生脱粘 , 药柱产生裂纹 、内部出 现空洞 , 壳体 、喷管石墨喉衬出现裂纹 , 喷管扩张 段外壳与纤维缠绕复合材料绝热层粘结界面发生脱 开等各种缺陷. 2. 1 载荷分析 2. 1. 1 温度载荷
影响复合推进剂性能老化的主要机理是 : 后固 化 、氧化交联和高聚物的断链.
推进剂在贮存时 , 固化反应继续进行 , 即正常 固化后的连续缓慢的后固化 , 使交联密度增加 , 导 致推进剂模量的增加 , 造成延伸率下降.
受环境温度、湿度等贮存条件的影响 , 将破坏 粘结剂和氧化剂的界面粘附 , 促使高聚物粘结剂热 断链或水解断链 , 使氧化剂溶解、迁移和沉淀. 其 主要表现为推进剂力学性能降低 (变软 ) , 抗拉强度 明显下降. 例如 : “民兵 Ⅲ”导弹第二级与第三级发 动机在贮存过程中 , 曾出现环境中的水分经扩散进 入衬层内 , 使氮丙啶与羧酸反应所产生的交联点水 解 , 从而导致推进剂抗拉强度下降的情况.
Cau sa l An a ly sis of C ha r ge F la w s for So lid Rock et M otor an d Re sea r ch on Non d estr uct iห้องสมุดไป่ตู้e Test in g M e th od s
Liang Yan1 , Zhang Ch i2 , Liang M ing2 (1. Unit 92941, Huludao 125001, China; 2. Un it 91851, Hu ludao 125001, China)
在推进剂与衬层或绝热层的界面处 , 某些组分 (如增塑剂和催化剂 )在界面两侧的浓度和相对溶 解度不同 , 会产生迁移现象. 通常 , 从推进剂迁入 衬层或绝热层的物质 , 起增塑作用 , 使衬层或绝热 层变软 、溶胀 , 并使推进剂变硬 、收缩 , 从 而在界 面处形成局部的高应力与应变 , 导致界面粘接减弱 甚至破坏. 对某地面发射的战术导弹发动机进行解 剖时也发现 , 衬层附近推进剂明显比药柱其它部位 硬 , 具有较高的模量和较 低的延伸率. 分析认为 , 增塑剂向衬层迁移、粘合剂渗透和推进剂中的细填 料粒子进入衬层表面的孔内是导致 这一现象的原 因. 2. 2. 3 其它原因
·73·
固体火箭 发动机装药缺陷原因分析及 无损检测方法的研究
梁 彦1 , 张 驰 2 , 梁 明 2
对于自由装填药柱 , 在点火压强升高阶段 , 燃 烧室压强和药柱与壳体间隙之间产生的压强可能以 不同 的速率 升高 , 因此 , 药柱在压 强梯度的 作用 下 , 在推进剂内 部及粘 接界面中 将产生应 力、应 变 , 并会引起药柱的破裂及推进剂 /包覆层的脱粘 和扩展. 2. 2 老化与化学迁移 2. 2. 1 老化
此外 , 由于瞬态温度梯度引起的热应力和热应 变 , 也有可能造成推进剂内部裂纹和粘接界面破 坏 , 这种应力往往对战术导弹发动机药柱影响很 大.
( 3)飞行工作阶段 火箭 、导 弹在 高速飞 行过程 中 , 由于 气动加 热 , 使壳体温度快速升高 , 而非良导体的绝热层 、 衬层和推进剂的温度变化很小 , 温度梯度的存在致 使在绝热层 /壳体粘结界面产生了拉应力. 尽管这 种应力并不大 , 但随着壳体温度的持续升高 , 界面 粘接强度会随时间的增加而降低 , 有可能引起界面 脱粘破坏. 2. 1. 2 加速度载荷 发动机在地 面 /舰载运输 、筒内弹射和级间分 离时要承受因振动和冲击载荷产生的轴向和横向加 速度的作用 , 这是引起药柱累积损伤的一个重要原 因. 该类载荷通常作用时间较短 , 因此当其实施于 性能接近玻璃态的推进剂时 , 产生的破坏性较强 , 使发动机壳体畸变而导致界面局部脱粘和裂纹 . 在缓慢的轴向加速度作用下 , 发动机直筒段的 药柱剪应力与直径成正比 , 药柱下沉的位移与直径 的平方成正比. 因此 , 对于高温或高加速度工作的 大直径发动机 , 该载荷可能引起发动机药柱脱粘及 内孔凹槽处裂纹. 此外 , 发动机装药在长期贮存中 , 因受热载荷 和机械载荷 、自身重力等作用的综合影响而处于受 力状态 , 这对推进剂 贮存中的 力学性能 是有影响 的. 研究表明 : 受某种程度应变的推进剂的松弛模 量比未受应变的要低 , 这主要是由于推进剂组分中 化学键主价键断裂造成的 ; 应力的存在相当于断键 表观活化能降低 , 使键断裂速率加快 , 此时药柱由 于蠕变而在径向产生过度变形 , 而发动机壳体一般
(1. 92941部队 , 葫芦岛 125001; 2. 91851部 队 , 葫芦岛 125001)
[摘 要 ] 分析 了固 体火箭发动机的装药缺陷及其产生 原因 , 阐述了 装药缺 陷对固体 发动机 可靠稳 定工作 的影 响与危害 , 进而强调了对装药进 行无 损检 测的重要性和必要性 ; 随即介绍了装 药无损检 测技术的现 状 , 列 举比较 了几种常规检测方法 , 为固 体火 箭发动机无损检测领域的应用研究提供了借鉴与参考 . [关键词 ] 固体火箭发动机 ; 装药缺陷 ; 无损检测 ; CT检测技术 [中图分类号 ] TJ760. 3 + 3 [文献标识码 ] A
(1)生产阶段 固体推进剂经浇铸后 , 升温固化 , 药柱将粘结 到发动机壳体内壁. 由于推进剂的热膨胀系数比发 动机壳体材料高一个数量级 , 这样药柱从较高的固 化温度降到较低的贮存温度时 , 必然在贴壁浇铸式 药柱内产生热应力和热应变. 此时 , 药柱要承受较 大的拉伸 , 其最易产生缺陷的区域一是在药柱直筒 段内孔 、星孔药柱的星角处和翼的凹槽表面 (这些 部位易产生裂纹 ) ; 二是在药 柱两端的 绝热层 /衬 层 /推进剂粘接界面 (这些部位将产生较大 的剪切 应力 , 容易造成推进剂 /绝热层或绝热层 /壳体的脱 粘 ). (2)贮存阶段 发动机装药在贮存期间 , 由于受环境温度随季 节周期性变化的影响 , 将承受交变热应力的作用 , 使得装药力学性能变化很大 , 推进剂的强度和粘接
Abstra ct: The charge flaws and its causa tion of solid rocket motor are analysed, and the harm ful effects of the charge flaws are elaborated, so the importance and essentia lity of the nonde structive testing(ND T) are emphasized. Then the p re sent sta te of NDT technology is introduced, and som e kinds of conventional te stingm ethods are enum erated, which provides beneficial references for the applied research in the NDT fields of solid rocket motor. Keywords: solid rocket m otor; cha rge flaws; Non Destructive Te sting(NDT) ; CT te sting technolo2 gy
推进剂中某些不稳定组分的分解会在推进剂内 部引起气体的积聚 , 产生 缩孔 , 严重时产生裂纹 ; 此外 , 在推进剂浇铸过程中 , 工艺上的不完善和杂 质也会在推进剂内部产生缩孔.
1 引 言
固体火箭发动机作为各种运载火箭和导弹武器 的动力装置 , 为其安全可靠飞行提供了强有力的动 力支持 , 常被喻为是运载火箭和导弹的心脏. 固体 火箭发动机是一次使用性产品 , 一经点火起动 , 将 难以中途停车 , 因此为保证火箭 、导弹能够稳定可
[作者简介 ] 梁 彦 , 工程师 . [收稿日期 ] 2009209 215
靠飞行 , 对其发动机动力系统及相关零部件的工作 可靠性均提出了十分严格的要求 , 确保在设计时不 采用过大的安全系数 , 以使其达到较高的质量比.
发动机装药是固体火箭动力系统的核心 . 固体 火箭发动机从工厂生产制造到靶场试验 , 再到作战 使用 , 发动机装药往往要经过各种加工工艺 、长期 贮存 、长途运输 、超负荷装卸与舰载等过程 , 经受 各种地面和飞行中 环境条件 的考验. 在 这些过程
当双基装药吸湿 严重时 , 会 使推进 剂点火 困 难 、燃速减慢 、压力和初速降低 , 影响飞行器飞行 控制精度 ; 脆变型聚氨酯推进剂吸水后 , 低温抗拉 强度和模量急剧提高 , 延伸率明显下降 , 变为硬脆 物质 ; 非脆变型聚氨酯推进剂吸水后 , 低温抗拉强 度 、模量稍有下降 , 而延伸率几乎不变 ; 若水分在
©
·74·
战术导 弹技 术 Tactica lM issile Technology Janua ry, 2010, (1)
中 , 固体火箭发动机各组成部分都可能发生变化 , 导致了脱粘、裂纹 、缩孔等缺陷的产生 ; 这些缺陷 严重到一定程度 , 可能导致发动机点火失败 , 或者 使内弹道性能 (如燃烧室的压力和推力 ) 偏差超过 规定要求 , 甚至 使发动机壳体 烧穿 、爆炸. 因 此 , 在固体火箭发动机的制造、贮存和服役过程中必须 注重对其质量和缺陷的检测 , 以确保其工作可靠性 和安全性.
©
界面的粘接强度降低. 温度升高会使推进剂分子的 热运动速度加快 , 加速力学性能的变化 , 促使其降 解 、交联以及组分迁移 , 其表现为药柱软化 、脱粘 、 断裂 ; 温度降低 , 聚合物产生结晶 , 使推进剂变得 硬而脆 , 延伸率显著降低 , 表现为裂纹 ; 当贮存温 度高低交 替循环 时 , 药柱将 出现裂纹 、脆变或汗 析 、晶析等物理效应 , 造成内部裂纹和粘接界面脱 粘.
©
氧化剂粒子周围形成低膜液层 , 则在低应力水平和 相应的力学损坏下出现“脱湿 ”现象 , 表现为延伸率 和模量的迅速下降.
此外 , 贮存过程中的霉菌 、腐气以及盐雾都将 对发动机装药的力学性能有不同程度的影响 , 除了 使得装药发生明显变形以及强度下降外 , 还表现在 药柱表面附着细小 白色粉末 , 出现汗珠 渗出状液 滴 、发粘 、异味、粗糙等现象. 2. 2. 2 化学迁移
战术导 弹技 术 Tactica lM issile Technology Janua ry, 2010, (1)
·75·
有足够的刚度以维持自身的形状 , 因而有应变的贮 存条件破坏了粘结剂和填料的粘结 , 可能引起粘接 界面的脱粘. 2. 1. 3 发动机工作时的燃气内压载荷
这种内压载荷的影响从发动机点火工作到熄 火 , 持续作用于整个发动机工作全过程. 在贴壁浇 铸药柱点火时 , 燃烧室内几毫秒便可达到最大的工 作压强 ; 在这个不稳定的过程中 , 发动机壳体在内 压作用下扩张 , 药柱依附于壳体而变形 , 如果此时 药柱温度较低 , 药柱的伸长率就小 , 那么推进剂内 部引发应力场 , 粘接界面产生应力 , 有可能导致药 柱内通道表面产生裂纹和界面脱粘 , 致使发动机发 生故障.
2 固体火箭发动机装药缺陷的原因分 析
固体火箭 发动机 药柱在 固化冷 却 、贮 存、运 输 、飞行和级间分离过程中要承受各种载荷作用 , 同时受温度 、湿度等贮存条件的共同作用影响 , 发 动机的推进剂 、衬层及绝热层将发生物理和化学性 质的变化 , 破坏了固体火箭发动机的结构完整性 , 产生了如壳体与衬层 (绝热层 ) 、衬层 (绝热层 )与 推进剂粘结界面发生脱粘 , 药柱产生裂纹 、内部出 现空洞 , 壳体 、喷管石墨喉衬出现裂纹 , 喷管扩张 段外壳与纤维缠绕复合材料绝热层粘结界面发生脱 开等各种缺陷. 2. 1 载荷分析 2. 1. 1 温度载荷
影响复合推进剂性能老化的主要机理是 : 后固 化 、氧化交联和高聚物的断链.
推进剂在贮存时 , 固化反应继续进行 , 即正常 固化后的连续缓慢的后固化 , 使交联密度增加 , 导 致推进剂模量的增加 , 造成延伸率下降.
受环境温度、湿度等贮存条件的影响 , 将破坏 粘结剂和氧化剂的界面粘附 , 促使高聚物粘结剂热 断链或水解断链 , 使氧化剂溶解、迁移和沉淀. 其 主要表现为推进剂力学性能降低 (变软 ) , 抗拉强度 明显下降. 例如 : “民兵 Ⅲ”导弹第二级与第三级发 动机在贮存过程中 , 曾出现环境中的水分经扩散进 入衬层内 , 使氮丙啶与羧酸反应所产生的交联点水 解 , 从而导致推进剂抗拉强度下降的情况.
Cau sa l An a ly sis of C ha r ge F la w s for So lid Rock et M otor an d Re sea r ch on Non d estr uct iห้องสมุดไป่ตู้e Test in g M e th od s
Liang Yan1 , Zhang Ch i2 , Liang M ing2 (1. Unit 92941, Huludao 125001, China; 2. Un it 91851, Hu ludao 125001, China)
在推进剂与衬层或绝热层的界面处 , 某些组分 (如增塑剂和催化剂 )在界面两侧的浓度和相对溶 解度不同 , 会产生迁移现象. 通常 , 从推进剂迁入 衬层或绝热层的物质 , 起增塑作用 , 使衬层或绝热 层变软 、溶胀 , 并使推进剂变硬 、收缩 , 从 而在界 面处形成局部的高应力与应变 , 导致界面粘接减弱 甚至破坏. 对某地面发射的战术导弹发动机进行解 剖时也发现 , 衬层附近推进剂明显比药柱其它部位 硬 , 具有较高的模量和较 低的延伸率. 分析认为 , 增塑剂向衬层迁移、粘合剂渗透和推进剂中的细填 料粒子进入衬层表面的孔内是导致 这一现象的原 因. 2. 2. 3 其它原因