中国航天第三专业信息网第2 7 届年会航天动力技术发展与应用学术会议论文集某大型固体发动机使用寿命确定亢丽娟( 航天科工集团六院四十一所，呼和浩特0 1 0 0 1 0 )摘要：本报告利用推进剂方坯加速老化敷据对某大型固体发动机进行了推进剂贮存寿命预估．通过对试验数据的分析，建立了固体推进荆老化速率的动力学方程，预估了固体推进剂的贮存寿命，论述了发动机自然贮存情况主题词：固体火箭发动机；推进剂；使用寿命；研究1S l 言固体火箭发动机的使用寿命是决定导弹使用寿命的重要依据，随着用户对导弹使用寿命的要求逐步增加·能准确确定发动机使用寿命．无论从军事和经济观点都是非常重要的但准确地预测发动机的寿命，也是非常实际面困难的课题且前的研究方法主要有两大类：一类是在自然环境下对发动机进行老化寿命试验研究；另一类是对发动机推进剂方坯进行加速老化试验本文论述了某大型固体发动机通过方坯加速老化试验预估使用寿命的方法，并将自然贮存试验情况进行了论述2 老化动力学方程2 ．1 推进剂加速老化试验结果影响推进剂贮存寿命的因素报多，但主要影响因素是温度，试验证明在相同贮存时间里，推进剂的贮存温度越高，其性能变化越大。
本文通过对推进剂方坯高温加速老化试验结果的分析，预估了推进剂的贮存寿命对A P ／A I ／H T P B ( 6 8 ／1 7 ／1 1 ) 推进剂在温度5 0 、6 0 、7 0 和8 0 ℃下进彳亍老化试验．随老化时间的增加，推进剂强度0 0 和伸长率￡的变化数据分别见图I 和圈2 ，图2 中的￡表示老化试验前推进荆的伸长率亢丽娟：某大型固体发动机使用寿命确定图1 最大强度与老化时间关系图2 应变保留值( 8 = ／8 0 ) 与老化时间关系2 ．2A r r e h n i u s 方程为预估推进剂的贮存寿命，首先必须建立推进剂老化过程中性能参数( P ) 与贮存温度( r ) 和贮存时间( f ) 的关系，经典地表示贮存温度与老化反应速率的关系，常用的化学动力学方程为A r r e h n i u s 方程：K 仃) = Z o e ’6 7 ‘7( 1 )式中㈣度r 时的化学反应速率肛气体常数卜绝对温度z —常数占—反应活化能如在老化时间内，推进剂性能平均变化速率为A P ／t ，则K 仃，= A P ／t ，则( 1 ) 式化为：A p = 陀o e 一8 7 7( 2 )方程( 2 ) 中由于用平均变化率替代乜由此计算的贮存寿命可能误差较大。
由图1 和图2 可以看出，本文研究的推进剂在5 0 ～8 0 “ C 温度范围内老化机理基本是相同的，其P—f 关系是一种指数关系故有学者认为，基于丁羟推进剂老化性能参数P 与老化时间r 的变化呈指数曲线关系的特点，分析认为老化动力学方程式可为如下形式：P = 叫仃，P ‘( 7 矿( 3 )式中d 是常数，A 是与温度有关的常数，K ( n 为性能变化速率常数，假设足与r 之间有如下关系：K 仃J = Z e 0 7 8 7( 4 )式中D 和z 均是常数利用图1 和圈2 的试验数据，对方程( 3 ) 进行线性处理，用最小二乘法可求得A 和置的值计算结果表明由( 3 ) 式确定的置值和温度r 之间能满足( 4 ) 式，因此．确定方程( 3 ) 为本文研究的丁羟推进剂的老化动力学方程式( 3 ) 的线性化处理结果为：y = l n A + K 仃，x( 5 )3 5 2中国航天第三专业信息网第2 7 届年会航天动力技术发展与应用学术会议论文集式中y = I n P ，炉f “在利用( 5 ) 式对老化数据进行线性回归处理时，选择口为O ，1 、0 ．2 和O ．3 时．0 ．2 的回归效果最好，其x ～r 关系能很好的符合方程( 3 ) 。
因此，常数口确定为0 ．2 表1 中列出了针对d 为0 ．2 ，对强度和应变保留值两种老化数据进行线性回归处理的结果＼度℃数据淤5 06 07 08 0爿l f 0 3 3 4 41 ．0 1 5 5 10 ．9 6 8 3 l0 ．9 7 7 0 8 强五0 ．0 6 4 5 8O ，1 0 7 4 2O ．{ 6 7 1 6O ．2 1 5 8 3 度Ⅳ7899一2 ．0 7 4 3 64 ．8 7 4 0 54 ．1 4 3 3 94 ．6 9 4 5 7 应变保置1 0 ．4 1 3 5 4．0 ，8 8 4 3 l- 1 ．0 2 5 2 4—1 ．2 6 4 1 1 留值Ⅳ678S对式( 4 ) 进行线性处理，并利用表1 中的墨r 数据和最小二乘法可求得D 和Z 的具体值足与丁的关系如表2 所示表中r 为绝对温度，R 为气体常数，为8 ．3 1 4 J ／I C t o o ! ，强度和伸长率变化时的老化反应活化能分别为3 8 ．6 2 2 8 ．K l ／m o l 和1 7 ．4 2 6 1 1 C I i m o i 根据表l 得强度和应变保留值的老化动力学方程的具体形式为：o ，= O ．9 9 8 5 8 e “”( 6 )e 。
￡= 4 ．5 7 0 6 7e 础”( 7 )式中，为老化时间( 天) ，O 的量纲为M P a ，而常数置温度r 的关系如襄2 所示·由式( 6 ) 和( 7 ) 计算得到的老化数据分别见图1 和图2 ，5 0 ℃下拟和方程计算应变保留值与实测值相差较大，分析认为可能是测试误差造成所致，故在计算伸长率反应活化能时剔除了5 0 “ C 伸长率的子样数，其余计算值与试验值一致性很好表2 K - T 的关系孓芝忌丁的关系 数据名称＼- 3 8 ．6 2 2 8 x 1 0 ， 强度K = I ．1 8 8 9 ×1 0 毛—而一一1 7 4 2 6 1 ×1 0 J 应变保留值K = 4 ．7 3 2 8 ×1 0 2 e —] i r 一3 5 3亢丽娟：某大型固体发动机使用寿命确定3 贮存寿命的预估图1 和图2 表明在5 0 ～8 0 ℃温度范围内，各温度下本文研究的推进；} i l 的老化机理是相同的，若假设在常温下的老化机理也不变，则老化动力学方程( 6 ) 和( 7 ) 可应用于常温在用单种老化性能的变化预估推进剂的贮存寿命时，贮存寿命常指在推进剂性能变化至某一临界值时的贮存时间，并取各单种性能变化所得贮存寿命最小值。
对本文研究的推进剂，在常温2 5 ℃下，强度变化到1 ．1 3 M P a ，应变保留值达3 5 ％以上时，由( 6 ) 和( 7 > 计算推进刹的贮存期分别为2 6 年和2 4 年因此，推进剂在室温2 5 “ C 贮存时问可达2 4 年·4 发动机自然贮存情况该型号发动机推进剂方坯在常温( 2 0 ±5 ℃) 环境下贮存试验，己做了多发，截止目前贮存时间最长的已达1 5 年，方坯力学性能符合随着贮存时间的增加方坯强度增大，伸长率降低的规律贮存试验仍在继续进行该型号发动机整机( 2 0 ±5 ℃) 环境下贮存试验，于1 9 9 7 年开始，产品共两发2 0 0 4 年8 月对其中一发产品进行了返厂分解检测、药柱挖药性能测试、冲击试验等工作各项测试数据正常，燃烧室药柱力学性能测试数据与出厂数据比对，符合随着贮存时间的增加方坯强度增大，伸长率降低的规律5 结论a 本文研究的丁羟推进剂在不同贮存温度下，老化期间性能的变化具有相似性证明推进剂在老化试验温度范围内的老化变化具有相似的机理随着老化时间的增加，推进剂的最大强度增加，伸长率降低，贮存温度的升高会加速这种变化；b 建立了推进剂老化动力学方程，是一种指数曲线方程；c 推进剂在老化过程中，其性能变化速率常数与温度之间满足A r r e h n i u s 方程：d 按A r r e h n i u s 公式计算了推进剂老化仲长率变化的活化能为1 7 ．4 2 6 1 K J ／m o l 。
在2 5 “ C 下，保持推进荆应变保留值达3 5 ％以上时，安全贮存期达2 4 年e 推进剂方坯及发动机自然贮存试验数据说明，随着贮存时闻的增加方坯强度增大，伸长率降低，与推进剂方坯高温老化规律一致f 温度5 0 “ C 别q ：下拟和方程计算应变保留值与实测值相差较大，分折认为可能是测试误差造成所致参考文献【1 1 赞南昌．贮存温度对丁羟推进剂老化性能影响的研究m ，推进技术1 9 8 7 ．6【2 】K i s h o r e ，1 LP a i ，V e r n e k e r ，V ．R ．a n dP r a s a d G ．；C o m b u s t i o nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，1 9 ( 3 —4 ) ，1 0 7 —1 1 8【3 1 李兆民．固体火箭发动机使用寿命的确定衄t 推进技术Z 9 8 9 ．4‘【4 】刘兵吉．固体推进剂延伸率可靠寿命计算叨，推进技术1 9 9 0 ．Gf 5 】刘宝芬．固体火箭发动机使用寿命预涮3 5 4。