● 摘要
固体推进剂药柱在服役期里会经历许多产生诱导应力的工作环境。近年来，这种黏弹性材料的机械行为受到极大的关注和基于理论和实验两个视角的仔细的研究。过去的十年是描述这种弹性体机械行为的黏弹性模型的巨大的发展时期。这些模型在从轮胎方案到固体火箭推进剂药柱的机械性能分析的大量的工业应用中已经证明是有效的。
论文针对应用于火箭推进系统的热固型和热塑型复合固体推进剂机械性能开展研究。主要的用于完成国体推进剂药柱结构分析的机械性能有杨氏模量、极限强度、极限强度下的应变、松弛模量、移位因子和蠕变柔量。
试验生产了基于端羟基聚丁二烯（HTPB）的热固型复合推进剂的11种不同配方，生产中保持混合、浇注和固化过程的设计因子是固定的。依据JANNAF标准设计了试片，在25ºC下以50mm/min的速率对这些HTPB配方试片进行了实验性的拉伸试验。结果表明，因增加高氯酸铵（AP）和铝粉（Al）填充物而引起粘结剂含量从从74.5%减小到34.5%后，导致应变减小，而抗拉强度、杨氏模量和硬度增加。结果还表明，AP颗粒尺寸和含量对机械性能有影响。AP细颗粒充当了积极的填充物，增强了复合推进剂的机械性能。AP颗粒的平均直径从55.9µm减小到9µm，有助于增加推进剂的抗拉强度、杨氏模量和硬度，但是会减小应变。最后，研究指出这些HTPB复合推进剂配方的机械性能主要地受到粘结剂的含量和平均AP颗粒尺寸大小的影响。
设计制造了基于聚氯乙烯（PVC）的热塑型复合固体推进剂的两种配方，第一种代表高能热塑型推进剂，第二种代表低能热塑型推进剂。依据JANNAF标准设计了PVC推进剂配方的试片，并在Zwick试验机上以5种不同的应变速率（从0.000164 s-1 到 0.164042 s-1）进行了拉伸试验，以不同的应变水平（从30% 到60%）进行了松弛试验，以及以不同的载荷水平（从5N到40N）进行了蠕变试验。通过试验测试数据获得了PVC推进剂的黏弹性能，这些性能包括不同应变速率下的应力-应变图，不同应变和温度水平下的松弛模量，以及不同载荷和温度水平下的蠕变柔量。
应用Matlab程序对机械试验测试的结果进行处理，得到了弹性常数和衰减系数值。这两个参数用于麦克斯韦尔模型，以便获取5个试验应变速率下的应力-应变曲线并与试验结果进行比较。试验结果也被用来拟合成能够在0.000164 s-1 到0.164042 s-1的范围内任一的应变速率预测应力-应变曲线的数学公式，与麦克斯韦尔模型和试验结果比较，所建立的数学公式是有效的，而且显示了很好的结果。
研究中采用了标准管形装药方案，是基于特定缩尺低成本模拟发动机的研发和试验，用以代表全尺寸发动机。这就有条件允许在与全尺寸推进剂装药面临的相似条件下试验热塑型推进剂的机械性能。因此，生产了两种应变评估模拟试验发动机，PVC固体推进剂装药浇注成型在不变形的刚性钢壳体里面。14天里，以每天5ºC的速率，试验发动机经受了快速的从25ºC 到 –40ºC的降温冷却循环试验。冷却循环试验期间，测量了装药内孔表面的径向应变。
把固体推进剂药柱当作弹性和非线性黏弹性结构。把来自机械性能试验的结果导入到ANSYS有限元软件包以实现基于热历程的标准管形药柱的结构分析，同时考虑到弹性和黏弹性材料的属性。结果表明，有限元分析结果，特别是对于非线性的黏弹性分析，和试验结果之间展示了好的一致性。
本论文采用的方法可以用作研究任何复合固体推进剂机械性能和完成该推进剂药柱结构分析的通用方法。该方法有助于以可接受的误差预估复合固体推进剂装药的机械性能，特别是在装药的初步设计阶段。