1、第 46 卷第 2 期固 体 火 箭 技 术Journal of Solid ocket TechnologyVol46 No2 2023基于环境历程的固体火箭发动机贮存可靠性计算方法鞠宏艳1*，贾东明1，秦鹏举2，李毅1，王思彤1(1中国航天科技集团有限公司四院四十一所，西安710025;2西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安710072)摘要:贮存可靠性问题是制约固体火箭发动机可靠性的重要因素，可靠性要求是贯穿整个贮存期的，长期贮存后的发动机可靠性会逐步下降，贮存期内必须要保证发动机的可靠性满足使用要求。首先定义了影响发动机常用材料贮存可靠性的环境因素并进行了分析，然后在各材
2、料标准环境贮存参数的基础上，通过修正系数来确定实际环境的贮存参数，以确定部组件寿命，再根据不同贮存环境，建立发动机贮存中的标准贮存环境、恒定非标准贮存环境、多阶段贮存历程和已知初始可靠性的四种不同类型的贮存可靠性模型，形成了针对不同环境建立的材料贮存可靠性的通用计算方法，给出了贮存可靠性的计算公式，最终计算出发动机的贮存可靠性。关键词:固体火箭发动机;贮存;可靠性;环境历程中图分类号:V435文献标识码:A文章编号:1006-2793(2023)02-0179-07DOI:107673/jissn1006-2793202302002Calculation method of storage r
3、eliability of solid rocket motorbased on environmental historyJU Hongyan1*，JIA Dongming1，QIN Pengju2，LI Yi1，WANG Sitong1(1The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC，Xian710025;2Science and Technology on Combustion，Internal Flow and Thermal-structure Laboratory，Northwestern Polytechnical Univer
4、sity，Xian710072，China)Abstract:Storage reliability problems are important factors that restrict the reliability of solid ocket Motor(SM)The relia-bility requirements of SM are throughout the entire storage periodAfter long-term storage，the reliability will gradually declineItmust be ensured that the
5、 SM reliability meets the requirements for useFirst，the environmental factors that affect the storage relia-bility of materials are defined and analyzedSecond，on the basis of the storage parameters of each material in the standard environ-ment，the storage parameters in the actual environment are det
6、ermined by the modification factors to determine the components lifeFor different storage environments，four different types of storage reliability models are established including the standard storage en-vironment，constant non-standard storage environment，multi-stage storage history and the known in
7、itial reliability in storageAnd acommon calculation method of materials storage is established for different environmentsBesides，the reliability calculation formulasof different models are given As a consequence，the storage reliability of SM can be calculatedKey words:SM;storage;reliability;environm
8、ental history0引言固体火箭发动机(以下简称发动机)是一次性使用的产品，作为各种导弹、运载火箭和航天器的主要推进装置，贮存可靠性对使用任务的完成起着至关重要的作用1。可靠性要求是贯穿整个贮存期的，长期贮存后的发动机可靠性会逐步下降。因此，贮存期内必须要保证发动机的可靠性满足使用要求。发动机的初始可靠性因为在出厂时有大量的生产、试验数据可用，可以比较容易确定，而长期贮存以后的发动机，其材料性能、结构形态已经发生了变化，971收稿日期:2021-10-09;修回日期:2022-11-30。通讯作者:鞠宏艳，女，硕士，研究方向为固体火箭发动机可靠性设计。出厂时的数据已经不足以支撑评估此时
9、的产品状态。因此，确定发动机的贮存可靠性是在没有充分数据的基础上进行的，其理论研究会比初始可靠性的理论研究更加困难。目前，国内外针对发动机贮存的研究多数是从研究推进剂老化机理入手，基于药柱长时间贮存进行的加速老化试验获取推进剂伸长率变化规律，以及通过有限元计算等方法27，对药柱的贮存可靠度进行预计，也有文献提出了综合网络模型与加速老化、结构完整性计算的装药贮存寿命预估模型，来预测贮存寿命8。但所有这些研究都是针对发动机局部材料或结构的贮存寿命及规律，没有对发动机贮存过程全系统可靠性计算方法的研究。在研究推进剂老化和贮存规律的基础上，本文针对发动机常用非金属材料贮存的常用模型，从材料层次首次研究
10、了各部组件在经历多种环境历程后的可靠性计算方法，并通过整机可靠性模型计算出发动机的可靠性，从而提出了适合发动机贮存可靠性计算的通用方法。1发动机整机可靠性模型的建立根据相关标准，发动机的整机可靠性模型是发动机的 I、II 类故障模式作为可靠性单元的串联模型9，即先根据 FMEA 的结果确定发动机所有的 I、II 类故障模式，然后将每个故障模式看作是一个可靠性单元，将发动机看作是这些可靠性单元的串联系统，发动机的可靠度 等于各个可靠性单元可靠度的乘积10，即=Ni=1(1 P(Ai)(1)式中Ai为某个故障模式;P(Ai)为故障发生的概率。根据对许多型号发动机长期贮存后数据统计分析结果，从性能和
11、结构两个方面看，发动机性能如平均压强、工作时间、比冲等指标的变化不显著，但有部分发动机的结构长期贮存后会发生变化。例如，药柱力学性能下降、界面粘接性能下降等。因此，贮存主要影响发动机的结构的可靠性。在贮存期间发动机所有的 I、II 类故障模式本身不会发生变化，变化的只是其发生概率。因此，有(H，t)=Ni=1(1 P(Ai|H，t)(2)式中H 为某环境;t 为产品在 H 为环境下的经历时间;(H，t)即 H 环境中贮存 t 时间的发动机可靠度。一般情况下，发动机老化故障中 Ai的故障判据为应力强度，此为故障发生的应力强度模型，即有故障发生概率:P(Ai|H，t)=1 Q Y2Q+2Y()(3
12、)式中Q 为强度;Y 为应力;Q和 Y分别为强度和应力的标准差;()为正态分布函数。根据目前发动机贮存研究的成果，发动机在长期贮存后工作过程中其燃气温度和压强都不会发生明显的变化，可以认为燃气各参数分布规律与刚出厂时相同，因而来源于燃气的应力或强度不随着贮存时间变化，其概率分布与初始可靠性时的概率分布相同。如果应力或强度来源于材料自身的性能，如粘接强度、伸长率等，这些性能将随着环境和贮存时间而发生变化。不失一般性，可以认为强度 Q 来源于材料自身的性能，而其应力 Y 来源于发动机工作过程中的燃气，方差不随时间的变化而变化。因此，有P(Ai|H，t)=1 K(H，t)12QK20+2Y()(4)
13、式中K(H，t)=Q/Y 为安全系数;K0=K(H，0)=Q0/Y为初始安全系数;Q0为材料初始强度;Q=Y/Y 为强度变异系数;Y=r/Y 为应力变异系数。2影响材料贮存可靠性的环境定义材料的实际贮存环境千差万别，为简化研究，本文提出一种新的研究思路:先指定一个标准环境，实际环境看作是标准环境+差异性，这样可以将标准环境的贮存数据作成手册，无需各单位重复进行研究，差异性则根据具体差异通过修正系数修正到实际环境数据。材料标准环境包括标准贮存环境和标准测量环境两种，这里贮存环境指材料在测量其性能前的历史历程中的环境，而测量环境是指对材料进行性能测量时的环境条件。材料的标准贮存环境在本文定义是指环
14、境温度为20，相对湿度30%，一个标准大气压，无机械外力，无振动，无冲击，无辐射，无日晒，噪声80 dB，重力加速度为 1g，无静电的环境条件。用字母 HB 表示该标准环境。材料的标准测量环境与要求的测量项目有关，一般要求与标准贮存环境尽可能一致。例如，对非金属材料拉伸性能测量，标准测量环境定义为标准试件受到拉应力作用，拉伸速率为 100 mm/min，其余要求同材料的标准贮存环境。材料的实际贮存环境通常是标准贮存环境有部分参数改变而来。例如，温度环境有别于标准贮存环境、力学环境有别于标准贮存环境等，这些环境统称为非0812023 年 4 月固体火箭技术第 46 卷标准环境。发动机实际贮存过程
15、中所经历的非标准环境条件10 有以下一些类型:(1)第 1 类非标准环境:只有温度不满足标准环境要求。如果发动机放置在密封容器如密封的发射筒中，且密封容器中的环境除温度外始终不变，则发动机除推进剂外所有材料均符合该非标准环境;如果发动机放置在与大气相连通的环境中，但发动机燃烧室处于密封状态，则燃烧室中除推进剂外所有材料符合该非标准环境;所有的小型火工品符合该非标准环境。这种环境条件只考虑温度的影响。(2)第 2 类非标准环境:温度和应力不满足标准环境要求。在发动机设计方案中，如果燃烧室是密封的，则药柱符合该类非标准环境。药柱内部受力大小受到温度和应力的双重影响，但应力的大小与部位有关，还与温度
16、有关。一般情况下药柱故障都发生在药柱表面和药柱与绝热层、人工脱粘层等的粘接面上，根据药柱结构完整性分析结果，这些部位药柱贮存中的主要受力情况如下:1)药柱受到两向应力的作用。药柱局部只受到第一主应力和第二主应力的作用，这种情况主要发生在药柱表面。此时在弹性模型的计算中，第二主应力与第一主应力的比值是个常数，即与温度无关。2)药柱受到两向应力和恒定剪应力的作用。当贴壁浇注的药柱处于竖起的状态时，药柱与绝热层的粘接界面处就符合该受力，此时剪应力为恒定值，第二主应力与第一主应力的比值是个常数。3)药柱受到两向应力和恒定比例剪应力的作用。药柱与自由装填药柱包覆层粘接面、药柱与人工脱粘层粘接面处符合该应力，此时第二主应力与第一主应力的比值是个常数，剪应力与第一主应力的比值也是一个常数。4)药柱受到复杂应力的作用。药柱在人工脱粘层的根部的受力为复杂应力，药柱为三向受力以及剪切应力均有的状态，但是在弹性模型中，各向受力的比例与温度无关。根据上述情况分析，药柱内关键部位的受力程度都可以用 Von Misses 应力的大小来表征。因此，药柱表面及粘接面上 Von Misses 应力最大的部位就是最危险的
