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274 强洪夫，王哲君，王广，耿标

文章编号：1006‑9941（2019）04‑0274‑08

低温动态加载下三组元 HTPB 复合固体推进剂的失效判据

强洪夫，王哲君，王 广，耿 标
（火箭军工程大学，陕西 西安 710025）

摘 要： 基于三组元端羟基聚丁二烯（HTPB）复合固体推进剂在不同热加速老化时间（0，32，74，98 d）和不同加载温度（-50，-40，
-1
-30，-20，25 ℃）以及不同应变率（0.40，4.00，14.29，42.86，63 s ）条件下的单轴和准双轴拉伸力学性能实验以及细观损伤观测实
验，分析了加载条件对推进剂初始弹性模量，强度和最大伸长率的影响规律，确定了单轴和准双轴拉伸加载下推进剂的失效判据。
结果表明：动态单轴加载下推进剂易因拉伸应力作用而失效，且热老化后推进剂抵抗破坏的能力降低，拉伸时的最大伸长率可选为
失效判据。其次，拉压强度比更能反映推进剂的动态单轴拉压差异性，室温和低温条件下，其数值分别接近于 0.4 和 0.2~0.3。动态
准双轴拉伸加载下，推进剂的最大伸长率较单轴加载时明显降低，降低的幅度随热老化时间增长而增大，且温度越低，降低越明显。
未老化推进剂在准双轴拉伸加载下的最大伸长率约为单轴拉伸条件下数值的 60%~85%，而老化后约为 40%~60%。低温高应变率
条件下，最大伸长率不受应力状态和应变率变化的影响。动态双轴拉伸条件下的最大伸长率可选为相应加载下推进剂的失效判据
以及点火建压条件下战术导弹固体火箭发动机（SRM）药柱结构完整性分析的判据，其数值可结合主曲线和老化模型确定。
关键词：端羟基聚丁二烯（HTPB）复合固体推进剂；失效判据；低温；动态加载；热加速老化
中图分类号：TJ55；V512 文献标志码：A DOI：10.11943/CJEM2018340

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1~100 s 应变率内低温环境下固体推进剂的失效判
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引 言
据，对分析真实低温点火条件下战术导弹 SRM 药柱的
结 构 完 整 性 以 及 确 保 SRM 的 正 常 工 作 具 有 重 要 的
在固体火箭发动机（SRM）服役的全寿命周期内，
意义。
外部载荷会使推进剂药柱内部产生应力和应变，如果
固体推进剂是典型的颗粒增强复合材料，其变形
超过其力学性能的允许范围，可能会引起药柱裂纹的
特性和失效情况明显受到外界温度、加载应变率以及
形成和扩展，从而导致药柱结构完整性的破坏，进而影
［6］
应力（或应变）状态的影响 。通过开展准静态（应变率
［1-2］
-1 ［7-9］
响 SRM 的内弹道性能 。随着军事任务多样化需求
<1 s ）定应变率单轴拉伸实验，Zalewski 等 获得了
的不断提高以及高性能导弹武器研制的持续推进，大
固体推进剂力学极限特性随温度、应变率、老化时间以
多数战术导弹被要求在低温下能正常工作，点火压力
及预应变等因素的变化关系，并确定了最大伸长率为
和低温环境载荷的叠加使得 SRM 药柱的结构完整性
［10-11］
失效判据。在上述实验结果的基础上，Duncan 等
［3］ ［4-5］
问 题 变 得 尤 为 突 出 。 Jeremic 等 的 研 究 表 明 ，
采用累积损伤理论进一步定量分析了加载失效前推进
收稿日期：2018⁃12⁃10；修回日期：2019‑01⁃18 剂的损伤变化。通过开展准静态定应变率单轴拉压实
网络出版日期：2019‑02‑22 验，强洪夫等 ［12-13］ 获得了固体推进剂的单轴拉压强度
基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（11772352）；’ 十 三 五 ‚装
比，并分析了应力状态和应变率对推进剂实验件失效
备预研领域基金资助项目（61407200203）
模式的影响。基于分离式 Hopkinson 压杆（SHPB）技
作 者 简 介 ：强 洪 夫（1965-），男 ，博 士 ，教 授 ，主 要 从 事 固 体 火 箭 发
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［14-15］
动机药柱结构完整性分析与失效机理的研究。 术，Sun 等 开展了单轴高应变率（>100 s ）条件下
e‑mail：Qiang@263.net
固体推进剂的压缩实验，重点分析了应变率对屈服应
通 信 联 系 人 ：王 哲 君（1988-），男 ，博 士 ，讲 师 ，主 要 从 事 固 体 火 箭
力和屈服应变的影响以及实验件失效的内在机理。通
发动机药柱结构完整性分析与失效机理的研究。
e‑mail：qiulongzaitian@126.com 过设计新构型实验件和实验夹具，贾永刚等 ［16-17］ 开展
引 用 本 文 ：强 洪 夫 ,王 哲 君 ,王 广 ,等 . 低 温 动 态 加 载 下 三 组 元 HTPB 复 合 固 体 推 进 剂 的 失 效 判 据 [J]. 含 能 材 料 ,2019,27(4):274-281.
QIANG Hong‐fu, WANG Zhe‐jun, WANG Guang,et al. Failure Criteria of Three‐component HTPB Composite Solid Propellant at Low Temperature Under
Dynamic Loading[J]. Chinese Journal of Energetic Materials （Hanneng Cailiao）,2019,27(4):274-281.
www.energetic-materials.org.cn
Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.4, 2019（274-281） 含能材料