2.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ, КРИТЕРИИ РАЗРУШЕНИЯ И СТАРЕНИЕ

Заряды ТРТ являются частью конструкции современных ракет, поэтому важно знать механические свойства топлив и уметь интерпретировать эффекты старения и управлять ими. К внешним нагрузкам, которые должен выдерживать топливный заряд без разрушения, относятся нагрузки, связанные с периодическим изменением температуры окружающей среды, транспортировкой,

вибрацией, повышением давления при воспламенении и перегрузками. Некоторые из названных факторов могут проявляться одновременно.

Наиболее широко используемым методом испытания ТРТ является испытание на одноосное растяжение, выполняемое в США на стандартном образце JANAF (рис. 25). Образец может быть приготовлен вырубной штамповкой, литьем или фрезерованием, причем последний способ позволяет получить образцы наилучшего качества. Испытание на одноосное растяжение широко используется для контроля качества и проверки рецептуры ТРТ. Наиболее часто проводят испытания с постоянной скоростью деформации образца. При этом необходимо заботиться о том, чтобы образец был надежно закреплен в зажимах испытательной установки. Для получения объективных и разносторонних сведений о механических свойствах ТРТ необходимо проводить также испытания на многоосную деформацию топлива. Некоторые из используемых для этих целей видов образцов представлены на рис. 26.

Для изучения реакции ТРТ на циклическое нагружение используются динамические испытания. Часто для циклического нагружения применяется нагрузка регулярной синусоидальной формы. Получаемая при этом информация полезна для оценки вибрационных характеристик конструкций, вязкоупругих свойств топлива, вибрационного горения, характеристик демпфирования материала и срока службы ТРТ при усталостных нагрузках.

Рис. 25. Стандартный образец JANAF и захватное устройство для испытания ТРТ на одноосное растяжение (размеры в см) [12].

Рис. 26. Образцы, используемые для испытаний ТРТ на многоосные напряженные состояния [12].

Можно выделить две основные категории испытаний: испытания с малой деформацией (меньше 1%) при достаточно малых временах нагружения и испытания с большой деформацией (близкой к разрушающим деформациям при одноосном нагружении) при временах нагружения, достаточных для повреждения или полного разрушения образца. В испытательных установках используются силовые приводы, основанные на разных физических принципах (механическом, электромагнитном, электродинамическом, пьезоэлектрическом) [89].

Особенно важно установить критерии разрушения, так как они позволяют прогнозировать пределы безопасной эксплуатации двигателя или его транспортировки и определять недопустимые режимы нагружения. Существуют разные подходы для идентификации недопустимых отклонений. Можно использовать определение, основанное на отклонениях параметров рабочего процесса РДТТ от номинальных, например отклонениях давления в двигателе, времени сгорания заряда, скорости горения и т.д. Некоторые из такого рода аномалий можно непосредственно связать с целостностью топливного заряда. Для определения разрушения используются и другие подходы, например, считают, что разрушение наступает при появлении первой видимой трещины или при разрыве образца, при достижении максимального значения напряжения на кривой напряжение — деформация или при максимально допустимом возрастании того или иного параметра. Разумеется, само разрушение имеет статистическую природу, и при расчетах на прочность это тоже следует принимать во внимание.

Существуют две категории критериев разрушения ТРТ: критерии первой категории представляют собой простые соотношения между разрушениями в натурных двигателях и в лабораторных испытаниях, а критерии второй категории носят

аналитический характер и допускают геометрическое представление в виде «поверхностей разрушения». Критерии первой категории традиционно применяются на практике при создании и производстве РДТТ, тогда как использованию более общих и математически более строгих критериев второй категории препятствуют некоторые трудности экспериментального характера. В одних критериях для суждения о прочности образца принимается схема одноосного деформированного состояния при простом растяжении, в других же рассматриваются и двухосные напряженные состояния. На практике применялся также энергетический критерий разрушения и предлагались различные комбинации энергетического критерия с огибающими разрушения образца. Другим важным критерием, который часто используется на практике, является критерий накопления повреждений, вызываемых циклическими колебаниями температуры или вибрациями. Длительное хранение также может привести к повреждению ТРТ, в составе которых большую долю занимают высокоэнергетические компоненты. Эти компоненты могут взаимодействовать друг с другом или с окружающей атмосферой, что влечет за собой химические изменения в топливе и может существенно повлиять на его баллистические и механические характеристики. Вследствие старения в СТТ развиваются такие явления, как миграция и испарение пластификаторов, газовыделение, образование новых поперечных связей и разрывы цепей, тогда как в двухосновных топливах может происходить разложение основных компонентов с образованием продуктов, повышающих чувствительность топлива. Помимо химического старения необходимо учитывать также появление механических дефектов и физические факторы, влияющие на ухудшение характеристик топлива. В табл. 5 [36] приведен перечень физических и химических факторов, способствующих деградации топлива.

Характеристики старения двухосновных и смесевых твердых топлив различны. Что касается двухосновных топлив, то процессы старения в них связаны главным образом с ограниченной стабильностью. Раньше при хранении ракет, снаряженных такими зарядами, даже употреблялся термин «время безопасного хранения», однако большие усилия, предпринятые с целью стабилизации свойств этих топлив, привели к практически полному исключению названного фактора. В смесевых топливах нарушения характеристик, вызванные старением, проявляются как твердение или размягчение, повышение хрупкости или изменение адгезионных свойств. Для диагностики ТРТ весьма важны неразрушающие методы испытаний, и многие такие методы уже применяются [36].

Другой подход к изучению проблем старения связан с применением методов ускоренных испытаний, при которых

Таблица 5. (см. скан) Факторы, способствующие ухудшению характеристик ТРТ при старении

(см. скан)

длительные сроки хранения моделируются путем создания более жестких (главным образом высокотемпературных) условий. При обеспечении соответствующих мер предосторожности такие методы могут стать частью любых новых разработок.