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1、航天产品长期贮存失效分析研究齐俊臣李新俊朱三可彭道勇李祥臣(二炮装备研究院三所北京清河大楼子中心1(XX )8 5)1.引言在导弹的全寿命周期过程中,其绝大多数时间处于贮存状态。一般来说,导弹产品在贮存过程中,随着服役时间的增加,将产生劣化、老化现象,大量导弹将因贮存失效而退役。导弹贮存试验研究工作是一项庞大复杂的工程,涉及许多工程技术领域,有许多事情要做,其中最主要的工作之一就是开展导 弹产品贮存期间的失效分析工作。2.主要影响因素导弹产品在贮存过程中,因辐射和气候原因,产生一系列的物理时效变化,如金属腐蚀、材料分解、水分吸收、裂纹的数量和尺寸增大、机件发生磨损等。根据导弹的贮存使用模式,影
2、响贮存性能和寿命的主要是气候条件、机械条件、生物条件以及人为因素。2.1气候条件的影响气候条件主要是温度与湿度的影响,长期贮存会使导弹中非金属材料老化,润滑剂劣化,机件运转不灵或卡死,设备外表面及非密封部件受到侵蚀,密封部位的密封性能下降,电接点生成氧化物或污垢膜,固体推进剂水解、力学和弹性性能下降、界面脱粘,各种橡胶塑料因蒸发失去某些增塑剂或其他成分而变脆和出现收缩,绝缘电阻降低,油漆剥落等。2 .2机械条件的影响机械条件主要是指振动、碰撞、摇动、静力负荷等的影响。导弹武器系统在装卸、运输、分解、定期检测等情况下可能出现上述一种或几种情况,它们可引起导弹连结处松动、脱落、断开、疲劳失效、密封
3、失效等。2 . 3生物条件的影响生物条件主要是指导弹产品在贮存运输期间,周围环境中一些霉菌、昆虫及啮齿类动物等。这些生物如侵人导弹内部或沾附在表面,有的可分泌一些酶,吸附水分,使光学透镜表面薄膜侵蚀,金属材料结构腐蚀和氧化,有机材料零件强度降低甚至损坏,活动的部件被阻塞等。2 .4人的因素的影响导弹产品出厂以后.要进行运输、装卸、操作、维修、检测、贮存保管等一系列工作,人的工作质量的高低直接影响导弹产品的可靠性。例如导弹产品在贮存过程中要进行定期检测,发现故障时要进行就地修复或返厂维修。如维修操作不当,就可能将新的缺陷引人装备,或将多余物留在装备内等。3.典型产品长期贮存失效分析在长期贮存过程
4、中,弹上典型产品如固体发动机、电子产品、伺服机构、惯性器件等,由于受贮存环境应力作用可能发生贮存失效。3.1固体发动机固体发动机主要由燃烧室、喷管、点火发动机、安全机构几大部分组成。在长期的贮存过程中,发动机主要有以下几种失效模式(表1) o表1固体发动机长期贮存主要失效模式、失效机理及失效影响部部组件件失效模式式失效机理理失效影响响燃燃燃壳体与绝热层脱粘粘粘接剂老化,粘接强度下降;在药柱重力作用下下壳体过热失强,发动机壳体烧穿穿烧烧烧烧导致粘接强度老化速率加快快快室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室绝绝绝热层/衬层/药柱脱粘
5、粘粘接剂老化,粘接强度下降;在药柱重力作用下下燃烧面积增加,燃烧压强加大,发发导导导导致粘接强度老化速率加快;界面材料分子滋出出动机内道弹异常及高压压药药药柱裂纹、变形形推进剂力学性能下降降内弹道异常,压强增高,发动机爆爆破破破破破失效效喷喷喷扩散段脱粘粘结构变形,粘接剂粘接强度下降降喷管烧穿,发动机失效效管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管密密密封失效效密封圈永久变形,回弹性能下降降喷管穿火,发动机失效效点点点药柱裂纹纹推进剂老化、力学性能下降降点火发动机压强过高,点火发动机机火火火火火失效效 发发发发发发发发发发发发发发发
6、发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发 动动动点火壳体与药柱脱粘粘粘接强度下降降点火发动机压强增高,影响发动机机 机机机机机内弹道性能能喷管和点火发动机是可更换的部组件,若产生故障可进行维修及更换,对发动机寿命不构成影响。而燃烧室是发动机主要部件,其造价昂贵,没有可更换性,若燃烧室产生故障,也就意味着发动机寿命的终结。从八十年代交付使用的固体发动机的贮存情况看,点火发动机和喷管基本不产生故障,只有药柱发生了变形及脱粘现象。另据资料,国外固体发动机贮存试验结果同样表明,影响固体发动机贮存寿命的薄弱环节主要是药柱、粘接界面和密封装置,主要的失效模式有:a)药柱裂
7、纹、变形;b)药柱/衬层/绝热层/壳体粘结层脱粘;。)密封失效。其中密封失效与密封材料老化有关,另外两种失效则比较复杂,下面重点进行分析。3.1.1药柱裂纹、变形失效机理分析表明,药柱裂纹、变形和推进剂老化有关。复合固体推进剂的老化是一个复杂的物理、化学变化过程,所有这些变化都将引起推进剂内部结构和外观变化,致使推进剂的力学性能降低和燃烧性能的变化。a )推进剂药柱化学降解固体推进剂药柱的热老化、氧化老化、湿老化导致后固化反应、氧化交联和链断裂。后固化和氧化交联促使推进剂的粘结剂系统交联密度上升,引起材料模量和强度增加,延伸率和断裂韧性下降,其结果是损伤积累速度加快,寿命缩短。链断裂和热分解则
8、导致推进剂变软。推进剂应变过度,致使药柱燃面几何形状改变或阻塞燃气通道等,最终导致固体发动机失效,甚至导致灾难性后果。b)推进剂药柱的物理损伤推进剂与发动机壳体之间由于热膨胀系数不同而在推进剂中引起热应力和热应变。即使是在发动机静贮条件下,这些应力虽然随时间衰减,但也不会松弛到无应力的状态。当贮存环境温度循环变化时,药柱内应力场波动,导致持续加载和循环加载。长期处于这种低周疲劳载荷作用下,药柱内部可能发生微裂纹萌生、长大和聚合,造成积累损伤效应,破坏其结构完整性。应力场对推进剂的老化存在加速效应,促使链断裂加速而导致推进剂降解。水分在推进剂中扩散将破坏粘合剂和氧化剂界面粘附,促使粘合剂水解断裂
9、和无机氧化剂溶解、迁移和沉淀。水分在氧化剂粒子周围形成低模量层,使得脱湿现象在较低的应力水平开始。3.1.2粘结层脱粘推进剂、衬层和绝热层的性能都在贮存过程中发生老化,一方面各自的材料性能降解,使得其粘结强度减弱。另一方面,各种可溶成分如燃速催化剂、增塑剂、固化剂、水分等在界面间的迁移亦会破坏界面的粘结。同时,绝热层前缘处是一较尖的环形窄缝,其应力、应变比药柱内孔要大得多,从而必须承受更高应力、应变水平的损伤积累历程,长期发展将造成脱粘。3.2电子产品弹上常见的电子产品有:计算机、I级放大器、n级放大器、稳压器、三相换流器、主配电器、副配电器、电阻盒,等等。这些产品在长期贮存过程中,出现过以下
10、失效(表2):表2电子产品长期贮存主要失效模式、失效机理及失效影响部部组件件失效模式式失效机理理失效影响响放放大器器积分器无输出出电容短路路产品性能丧失失输输输出参数超差差调K电位器电阻变化化产品性能参数超差差稳稳压器器阻尼器软化变形、发粘流汤汤阻尼器材料老化化阻尼作用丧失、污染仪器舱舱三三相换流器器阻尼器软化变形、发粘流汤汤阻尼器材料老化化阻尼作用丧失、污染仪器舱舱主主配电器器紧固螺钉有腐蚀斑,连接器定位销有锈斑斑金属锈蚀蚀影响产品固定定副副配电器器连接器上有锈斑,接线柱垫片发黑,接线柱及螺帽镀镀金属锈蚀蚀影响产品导电功能能银银银层发黑黑黑黑电电阻盒盒电阻参数超差差电阻变大大影响产品性能能连
11、连连接器插针部分发黑黑金属锈蚀蚀影响产品导电性能能归纳起来,弹上电子产品贮存失效主要有三种模式:a)电性能故障;b )阻尼器软化变形;c)金属件锈蚀。电子产品电性能故障,主要与电子元器件失效或故障有关,其危害最大,直接影响产品性能。阻尼器软化变形,主要与阻尼器材料老化有关。金属件件锈蚀,则与潮湿的环境有关。3 .3伺服机构伺服机构主要由电机、油泵、伺服阀、作动器、油箱、蓄能器等元部件组成,伺服机构与弹上伺服放大器一起构成伺服系统。这些产品在长期贮存过程中,可能出现以下失效(表3):衰3伺服机构长期贮存主要失效模式、失效机理及失效影晌部部组件件失效模式式失效机理理失 效 影响响电电电电机打火火电
12、机轴承处油脂失效,摩擦负载增加,导致空载电电 电机打火,会导致输出功率下降,从从机机机机流增大,引起电机打火;或是低气压使伺服机构绝绝而使伺服机构的性能降低。缘缘缘缘电阻下降,引起电机打火。绝绝绝缘电阻超差差由于电机长期使用,使碳刷磨损,碳粉积聚在电机机引起电机打火和翰出功率下降,导致致内内内内部,导致绝缘电阻超差。伺服机构性能降低。油油油起动或运行时高扭矩矩轴承处润滑失效,油液污染或者工作时振动等引起起 油泵输出功率下降,整机性能降低。泵泵泵负载引起的功率损失失的扭矩负载增大。内内内部泄漏漏静密封和动密封圈磨损或与液压油不相容导致泄漏。油泵泄漏严重,整机性能降低。以以以以及油泵长期使用,液压
13、油污染严重,导致柱塞和和和缸缸缸缸孔间严重磨损,油泵泄漏量增大。外外外部泄漏漏由于壳体砂眼、应力腐蚀、加工质量、壳体裂纹、油泵无法工作,整机完全失效。液液液液压油污染或皮碗刃口磨损等原因引起的外部泄漏。油油油油箱漏油油油箱活塞密封圈失效,导致漏油使油面超差。油箱漏油对性能影响不大,但会对弹弹箱箱箱箱箱上其它器件造成污染。油油油面电位器无输出出由于电刷齿磨损或断开,以及焊点断裂导致电路断断无法正确反应油箱油面情况,对性能能路路路路。无影响。蓄蓄蓄内部泄漏漏由于油液污染、橡胶圈老化、加工或材料瑕疵、材材 整机输出流量降低,性能下降。能能能能料膨胀或弯曲变形、磨损等原因引起的内部泄漏。器器器器器器器
14、器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器外外外部泄漏漏静密封失效、管连接部位松动、蓄能器壳体内腔镀镀 整机不能正常工作。层层层层、加工瑕疵等原因都会引起外部泄漏。作作作内部泄漏漏由于作动器活塞杆伸缩运动频繁和油液污染,使筒筒 内泄增大,导致伺服机构性能下降。动动动动体和活塞杆磨损严重或者密封圈失效,导致内部两两两器器器器腔间泄漏增加。外外外部泄漏漏密封圈失效,导致泄漏量增加。伺服机构性能降低,甚至无法正常工工作作作作作。伺伺伺内部泄漏漏由于油液污染,阀芯和阀套磨损,导致内部泄漏增增伺服阀效率降低,使整机性能下降。服服服服加。阀阀阀阀阀阀阀阀
15、阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀阀开开开启和关闭失效效由于油液污染造成阀芯卡涩,或者力矩马达失效。伺服阀失效导致整机无法工作。外外外部泄漏漏伺服阀安装面的密封圈失效。整机性能降低,对其它部件造成污污染染染染染。电电电无输出或输出不正常常由于电刷齿磨损或断开,以及焊点断裂导致电路断断伺服机构断路导致系统开环失效。位位位位路。器器器器器器归纳起来,伺服机构长期贮存失效主要有两种模式:a) 电性能变化或故障;b )漏油、漏气。从实际使用来看,后者所占比例较大,危害也最大。造成伺服机构漏油、漏气的原因,主要与液压和油路的各个密封部位密封材料失效
16、有关。在伺服机构上,为保证其气压和液压系统的密封可靠性,装有大量密封装置,其类型有:用于静止和移动密封的橡胶密封圈,以及它与聚四氟乙烯塑料减磨圈和挡圈组成的复合密封装置;用于高速旋转轴密封的橡胶金属油封和机械密封装置;用于阀口闭合的金属密封和橡胶金属密封装置等。实践证明,密封是液压系统的薄弱环节。例如某型号伺服机构的外场故障中,5 0%以上的是密封问题。经过对失效密封装置的分解检查发现,造成密封失效的主要原因有两种:一种是密封圈尺寸偏小,使有效密封面积减小,密封界面存在微缝隙,但这种情况的出现是因设计不当或工艺误差所致,与贮存环境的影响无关;另一种是密封圈压缩永久变形量和密封圈老化的影响,使密封圈弹性降低,法兰盘与密封圈的接触压力下降,或密封圈永久变形增大,起不到密封作用。3. 4惯性器件惯性仪器属于机电产品,包括速率陀螺、加速度表、微型电机、电子器件等组件。这些产品在长期贮存过程中,出现过以下失效(表4) o表4惯性仪器长期贮存主要失效模式、失效机理及失效影响部部组件件失效模式式失效机理理失效影响响平平
