摘 要：本文从固体推进剂的细观损伤模式与强度准则，对固体推进剂结构完整性的研究进展进行了综述，并在此基础上提出了当前研究中存在的不足和需要进一步重点开展的研究。分析表明：构建不同动态加载下不同温度及热老化时间的强度准则对于分析固体推进剂结构完整性更具有参考价值。

关键词：固体推进剂;细观损伤;模式;强度准则

上世纪80年代，美国NASA《空间飞行器设计规范》也明确指出：引起热试车和发射失败的主要原因在于推进剂药柱结构完整性的破坏[1]，通过推进剂细观损伤的产生与发展，构建不同加载条件下固体推进剂的强度准则对于分析推进剂结构完整性更具有指导意义。本文从推进剂的细观损伤模式及强度准则的研究进展进行综述，并指出目前研究中存在的不足。

1 推进剂细观损伤模式研究进展

固体推进剂是典型粘弹性材料，由推进剂基体、固体颗粒以及粘合剂所组成，目前国内外研究表明，固体推进剂以三种细观损伤为主：基体裂纹（撕裂）、固体颗粒断裂以及推进剂基体和固体颗粒的分离（“脱湿”），如图1所示。

1）基体裂纹。固体推进剂在制作、运输等工作过程中，由于外力作用会产生微裂纹，这些微裂纹不断聚集或者发生拓展，形成宏观的基体裂纹，导致基体撕裂。

2）固体颗粒断裂。固体颗粒在受到外载荷作用下，其内部会产生细小的微裂纹，当载荷持续施加时，微裂纹会不断增多、聚集，并向两边不停拓展，最终贯穿固体颗粒内部，导致颗粒断裂。

3）界面破坏（“脱湿”）。固体颗粒与基体之间在受到外力作用时会造成局部的应力升高而产生孔隙，当拉伸或者压缩等载荷作用时，裂纹逐渐增大，迫使颗粒从基体突出，即“脱湿”。

细观损伤的探究可以从机理上解释宏观表征，可以进一步对材料的性质进行分析。目前由于设备等因素限制，国内外针对细观损伤的研究主要采用的是常温低应变率条件下试验。Farris等基于推进剂单向拉伸试验，发现了基体与颗粒之间孔隙发生，发现了脱湿细观损伤形式。通过后期研究发现，在常温低速拉伸试验中，拉伸速率可以改变HTPB推进剂的细观损伤，在低速拉伸时，“脱湿”是推进剂细观损伤形式产生形式，当拉伸速度提高，推进剂细观损伤种类逐渐转变为固体颗粒断裂甚至基体的撕裂。为了研究老化时间对推进剂力学性能影响，张仁等对不同老化时间推进剂开展常温低应变率拉伸试验，通过分析不同老化推进剂的细观损伤发现：推进剂会随着老化过程的不断推进，逐渐出现“脱湿”等损伤现象。Ide等根据开展的力学性能试验，对推进剂的老化损伤形式进行了研究，并发现老化可以提升推进剂裂纹拓展速度。为了研究固体推进剂在高速压缩载荷下细观损伤，黄风雷设计平板进行撞击试验以达到高速压缩的试验效果。

温度的改变对固体推进剂细观损伤也会造成一定的影响，但是细观损伤针对温度方面研究开展比较少。赖建伟通过低温及低温恢复常温试验发现，低温会影响推进剂的细观损伤形式，伴随着温度的持续下降，推进剂损伤从“脱湿”逐渐发展成颗粒断裂甚至基体撕裂。王哲君研究表明：在低温动态下推进剂损伤形式随着温度降低及应变率升高变得更加严重。除了拉伸試验，Liu和龙兵还开展了固体推进剂断裂性能试验，结果表明：裂纹在低温环境下的拓展速度最快。

2 推进剂强度准则研究进展

目前，针对固体推进剂强度准则研究主要以试验为基础，由于推进剂性能与温度、应变率、热老化及应力状态等其他因素有关，所以构建强度准则时必须把上述因素考虑进去。固体推进剂属于粘弹性材料，分析其破坏准则除了传统强度理论，主要还有Hashin准则、Tsai-Hill准则、Tsai-Wu准则、Bresler-Pister和Willam- Warnke的三参数模型、Ottosen和Hsieh-Ting-Chen的四参数模型、Podgorski和宋玉普的五参数模型等破坏准则[2][3]。

于洋等通过最大应变理论作为标准分析带筋套管形药柱在温度条件下结构完整性。隋欣等则选用了最大应力作为判断依据取分析NEPE推进剂老化过程中药柱结构完整性。丁彪等根据最大 Mises 应力来判定药柱研究旋转时大长径比SEM的药柱结构完整性。TRAISSAC与PAIPC通过单轴拉伸试验分析了不同压强下推进剂的力学性能。Sebnem研究PBAN推进剂的失效与压强有关。Jones和Knauss则通过双轴力学试验建立了推进剂强度包络线。

目前公开发表的强度准则仍十分稀少，并多以复合材料和岩土材料为主研究，针对推进剂强度准则研究还十分缺乏。现有的强度理论都是只能适用于某一类材料的单一强度理论。双剪强度理论从双剪单元体统一的力学模型出发，考虑到作用于双剪单元体上的全部应力分量以及他们对材料屈服和破坏的不同贡献，得出一个统一的数学表达式，形成一个能够适用于众多材料的统一强度理论。根据双剪概念形成的统一强度理论可以产生三大族新的一系列强度准则，形成一个全新的强度理论体系。阳建红在研究NEPE推进剂围压性能时运用统一强度理论建立了八面体剪应力与平均应力之间联系。孟红磊以累积损伤模型，构建了双基推进剂的强度破坏准则。张亚通过研究围压下HTPB推进剂双轴力学性能，基于双剪强度理论，构建了考虑老化、压强下的强度准则。王哲君等研究了动态加载下HTPB推进剂强度准则，构建了考虑了温度、应变率双重因素强度准则推广形式。

3 结论

1）主要由于试验装置的限制，大部分只是针对准静态条件下的细观损伤研究，对于高应变率下的推进剂细观损伤研究仍十分匮乏，尤其是对于低温热老化等多因素共同作用下细观损伤的研究，这对分析真实药柱在各因素下细观损伤还存在不足。

2）针对固体推进剂不同加载条件下的强度准则建立还十分匮乏，通过建立不同条件下固体推进剂的强度准则对分析药柱结构完整性更具有指导意义。

参考文献

[1]刘兵吉.导弹贮存使用失效分析与防护指南[M].北京：第二炮兵装备技术部，1998.

[2]宋玉普.多种混凝土材料的本构关系和破坏准则[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[3]陈磊.复合材料结构宏、细观强度破坏分析[D].南京：南京航空航天大学，2006.

作者简介

刘畅（1993-），男，汉族，安徽合肥，航空宇航科学与技术硕士，助教，火箭军士官学校，研究方向固体推进剂结构完整性研究。