宇航器断裂力学

2001年第1期总第249期

导弹与航天运载技术

MISSILES AND SPACE VEHICLES

No.1 2001

Sum No.249

航天器结构的断裂控制

第一部分：理论分析基础

吴德隆熊焕

(北京宇航系统工程设计部，北京，100076)

摘要就航天器结构为什么要实施断裂控制进行了全面论述，并指出断裂控制不仅是贯穿航天型号整个研制过程的一项应用技术，而且是一项空间安全政策。还详细地介绍了制定断裂控制的理论分析基础：断裂力学和损伤力学概念，以便了解制定断裂控制文件(规范或军标)，特别是实施细则的理论背景。断裂控制要求的主要内容和实施收列本文第二部分讨论。

关键词航天器，断裂力学，复合材料，损伤，断裂控制。

Fracture Control of Spacecraft Structures：

Part Ⅰ： Fundaments of Theoretical Analysis

Wu Delong Xiong Huan

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Abstract A fracture control document as a applied technology and a space safety policy, which have been widely implemented in the developmental process of spacecrafts from design to operation in NASA, U.S. Air Force and ESA, has been proposed in this paper. Why we have to propose the fracture control and what the fundament of theoretical analysis is are discussed in detail. Based on fracture mechanics and even damage mechanics to composite structures, the theoretical analysis and calculations of initial defect sizes, propagation and safe life of structures in service

lifetime can be established. To implement the fracture control requirements for spacecraft structures is important for high reliability and effective cost.

Key Words Spacecraft，Fracture mechanics，Composite material，Damage，Fracture control.

1前言

断裂控制是指在断裂力学分析的前提下，对产品的设计方法、制造工艺、操作使用、贮存、维修等全过程，提出旨在防止产品因裂纹或裂纹类缺陷存在及其扩展而导致的灾难性破坏或产品功能失效而不能完成预期任务的全部措施、方法和计划。对载人航天器可能造成人员伤亡的事故应叫灾难性事故。断裂控制是建立在断裂力学基础上的一项应用技术，广泛应用于核设备、民用压力容器、船舶运输工具、航空航天飞行器和贮箱等。同时，断裂控制也是国家工业生产的安全政策之一。许多发达国家的政府职能机关在其管辖的工业领域制定相应的规范或标准，以控制其产品的生产质量和使用安全。例如，1984年我国劳动部制定了“压力容器评定规范”CVDA-84。

宇航工业由于对国民经济、科学技术、政治和军事的重大作用，各国都极为重视推行断裂控制作为其太空安全政策之一，并把它应用于方案设计、技术设计、生产制造、试验、操作和飞行等整个过程。美国航宇局(NASA)和空军(U.S.Air Force)自70年代起就制定了NASA SP-8040［１］、MIL-STD 1522(1972)、MIL-STD 1522A(1984)［２］、NASA NHB 8071.1(1988)、NASA STD 5003(1966)［３］等一系列规范和军标，用作空间结构和压力容器、航天飞机、固体助推级、主发动机、外贮箱、空间站等断裂控制文件。欧空局(ESA)除引用美国航宇局的有关规范和标准外，还制定了其自身的断裂控制要求文件［４，５］,如：ESA PSS-01-401(1994)，用作欧空局的运载火箭阿里安-5、太空实验室、Columbus舱以及载人的航天飞机的断裂控制要求文件。神舟号试验飞船飞行成功，揭开了中国航天事业的新篇章。对于载人飞行器，特别是可重复使用载人飞行器，包括轨道器和单独入轨的空天飞机,其高可靠性、安全性、成本有效性和可维修性要求，迫使宇航部门制定了更为严格的断裂控制计划，例如：挑战者号失事后，NASA NHB 8071.1的制订，及其后的修改文件NASA STD-5003［３］。我国断裂力学在宇航工业的应用与研究，开始于70年代中期［６～10］，但一直未形成正式技术或管理文件。1999年，我们制定了一个“断裂控制大纲”(初稿)作为我国航天应用技术和管理的一项研究工作，并希望逐渐形成规范或军标。

本文着重介绍此项研究工作的主要内容及其理论分析背景，并与美国和欧空局的相应规范或标准作比较，从中可看出为适应21世纪空间科学探测、空间市场竞争以及军事目的任务需求，断裂控制作为一项应用技术和政策的实施是十分紧迫的任务。

2 为什么要实施断裂控制

2.1 问题的由来

宇航事业的发展突出地向人们提出，要千方百计地提高导弹和航天器的运载能力或其有效载荷，并使其具有高度的可靠性，以满足给定的任务需要。为了达到这个目的，各个分系统都要做出努力。作为飞行器结构设计的一个重要方面，就是减轻结构质量，以增加飞行器的运载能力或其有效载荷，以及保证在整个使用期间不发生任何导致任务失败的结构破坏。这两者既有矛盾又相互联系。为了减轻结构质量，通常都采取下列措施：

a) 选用高比强度(强度/比重)金属材料。但是高强度材料通常断裂韧性较

差，因而容许的裂纹尺寸较小(K

1C /σ

s

∝裂纹尺寸,K

1C

为断裂韧性；ζ

s

为材料的

屈服强度)；

b) 选用较先进的设计规范如取较小的安全系数，其结果是提高工作应力，减小容许的裂纹尺寸；

c) 采用轻型新结构——蜂窝夹层结构、复合材料结构等，促使工艺制造过程更加复杂化，这样将使裂纹或类似裂纹的缺陷出现增多。

此外，宇航工程的发展给飞行器带来更加恶化的使用环境，如低温推进剂的使用，造成-253℃的超低温环境，地下井发射和机动发射会造成振动与噪音环境等，结构材料在这些条件下的机械性能不仅会发生变化，并且其原始缺陷还会加速扩展。

综上所述，结构的断裂问题将愈加严重地突出起来，并且向结构设计者摆出这样一个严峻的事实：飞行器结构从原材料到工艺制造、使用的整个过程，不可避免地要产生缺陷，如材料的夹渣、偏析、分层，加工划伤，焊接的裂纹、气孔、未焊透等，这些缺陷在使用中将扩展增大，当达到某个临界值时结构就会突然出现破坏，并且往往是低于屈服强度的脆性断裂。

近年来，夹层结构和复合材料结构，包括复合材料气瓶(有或无金属内胎)得到广泛采用，在这些结构中，常遇到的缺陷有脱粘、分层、层间开裂、基体裂纹、纤维剥离和断开、破损等。在这些缺陷中，有的缺陷可处理为裂纹或裂纹类的几何缺陷，而有的缺陷则很难处理为裂纹类缺陷，研究人员引入损伤概念，笼统地表征复合材料缺陷。

在减轻结构质量和提高结构可靠性的矛盾中，断裂问题是其中一个重要方面。因而断裂力学和断裂韧性的研究在宇航工程中不断得到发展与应用。国内外宇航事业发展中出现的灾难性破坏是屡见不鲜的。为此，欧美发达国家自70年代起就着手制定强制性断裂控制规范或要求，以使这类破坏减至最小，并确保飞行任务的圆满成功，达到预期的可靠性指标。这是型号产品安全性和可靠性的重要保障措施之一。

2.2 断裂力学分析基础

断裂力学理论发展和在工业界的广泛应用，为断裂控制提供了完备的理论背景和分析基础。实际结构中的裂纹或类似裂纹的缺陷形状是不规则的三维几何体。为便于分析计算，我们以其最大长度(2c)和宽度(2a)简化成平面椭圆形(长短轴比c/a)裂纹。当裂纹部分显露于表面形成部分穿透裂纹，称之表面裂纹，当全部埋于结构内部，称内埋裂纹。这两类缺陷大多存在于充压贮箱、气瓶、管路等部件中。对非充压结构可能存在穿透性裂纹，称之为穿透裂纹，对这类裂纹