固体火箭发动机寿命预估方法研究进展

解红雨，周伟勇，吴 勋，刘向阳，许可睿

(1. 中国人民解放军96901部队，北京 100095;2. 北京理工大学 宇航学院，北京 100081)

0 引言

固体火箭发动机寿命评估是一项具有持续时间长、研究难度大、经费投入高、综合效益显著等特点的重大、长效工程[1]。固体火箭发动机寿命评估需要长时间跟踪监检测固体火箭发动机性能变化情况，研究需持续十几年乃至数十年。由于固体火箭发动机结构复杂，经历贮存环境多样，其寿命评估研究涉及基础学科多、领域广、技术难度大[2-4]。

固体火箭发动机状态跟踪监检测、试验分析技术依赖于国家工业基础发展状况，尽管需要投入经费量大，但美、俄等军事大国都投入大量人力、物力开展固体火箭发动机寿命评估工作。其主要原因是通过寿命评估研究，不仅可延长固体火箭发动机的贮存使用寿命，节省新投入巨大经费，更能为新型导弹的长寿命设计奠定基础，推动国家导弹整体水平跃升，综合效益显著[1]。

本文对目前固体火箭发动机寿命评估方法相关研究情况进行综述，并对目前开展的寿命评估相关研究成果进行梳理总结，提出需要进一步解决的问题。

1 美、俄对固体火箭发动机寿命的预估方法

国外固体火箭发动机寿命评估研究方法主要有以俄罗斯(含前苏联)为代表的分层次递进研究方法和以美国为代表的性能监控分析方法[5-14]。

1.1 俄罗斯对发动机寿命预估方法

俄罗斯的固体火箭发动机寿命评估研究是在摸清固体火箭发动机原材料性能参数基础上，利用热加速老化对部组件层次、发动机整机层次开展寿命评估，在每一个层次上都进行了大量的研究。在原材料层次，俄罗斯对所有固体火箭发动机使用的材料都要求进行大量的物性参数测试，其固体火箭发动机材料在各种环境条件下力学性能试验项目完备。对于部组件的加速老化，俄罗斯主要使用热加速老化的试验方法。对所有的应用到非金属材料的部组件，都要求测试材料的活化能，针对活化能数据确定加速寿命与实际寿命之间的函数关系，然后给定部组件的寿命。用加速老化试验方法可找出设计中寿命最短的结构，而且快速海选出寿命最优的设计结构。

俄罗斯最有特色的寿命评估方法是整机加速老化试验，整机加速老化试验的类型有多种多样，包括热加速老化、气候加速老化、应力加速老化等多种试验类型。俄罗斯已经把加速老化试验作为常规试验的一部分，在发动机设计定型前要求必须完成整机加速老化试验，从而确保在定型前就能大致判断出发动机的使用寿命。典型的做法是定型前取一批发动机，进行加速老化试验；然后其中1台发动机试车，1台发动机分解，剩余的发动机进行温度循环试验；试验完成后其中1台发动机试车，1台发动机分解，最后剩下的发动机都进行振动、冲击等力学试验；再通过试车来验证其工作能力[6-8]。

俄罗斯在进行试验设计时非常注重从实际出发，无论热加速老化试验、气候加速老化试验还是应力加速老化试验，都需要先了解发动机实际的贮存历程，然后有针对性地进行试验。加速老化试验存在两种策略，其一是所有部组件都按照同样的寿命期进行加速，其二是针对寿命最短的部位进行加速，其他部位可过老化或欠老化。在研制期间一般采用第一种策略，而在定型阶段一般可采用第二种策略。

1.2 美国对发动机寿命预估方法

美国对发动机的寿命研究采取了一种与俄罗斯不同的技术途径，主要以监控为主要技术手段。

美国对其第一代、第二代民兵固体火箭发动机实施“全面老化和监测计划”[9-14]，分别对全尺寸发动机、缩比发动机、部件(含方坯，药块)及服役发动机进行检测，用以评估推进剂的贮存性能，确定其破坏模式，预估发动机的使用寿命。该计划由四部分组成：(1)对部队中早期服役的发动机进行静止试验；(2)对发动机的结构和材料进行试验，确定老化趋势及老化参数；(3)进行部分性能试验；(4)使用2 a预估寿命的方法。该计划通过自然环境试验评估导弹贮存寿命，基于未来变化率与现时变化率一致，只能提前2 a进行预报。

为提前对固体火箭发动机作出寿命预估,美国空军决定实施“长期使用寿命分析计划”(LRSLA)，主要包括四方面的内容：破坏模式分析、超载试验、破坏概率分布和加速老化试验。目的是量化各种贮存寿命参数，研究失效模式，该计划成功地使“民兵”导弹发动机的工作寿命从原来设计的3 a一直延长到15 a，从而获得了极大的经济效益。此外，美国21世纪初提出了寿命预估技术计划，尝试从微观断裂力学方面和化学与力学性能关系的角度减少发动机寿命预估的不确定度[10]。

2 国内固体火箭发动机寿命预估方法进展

固体火箭发动机寿命预估的数据来源主要有自然环境试验和加速贮存试验。

自然环境试验是将发动机整机或其部组件、原材料置于实际贮存环境或与之相似的环境中，长期监测或每隔一段时间检测其性能和可靠性；自然贮存试验是获取固体火箭发动机性能和可靠性随时间变化规律的最佳途径，试验结果真实可靠，但通常耗时较长[15]。

为更快得出发动机贮存寿命评估结果，满足工程实际的需要，固体火箭发动机寿命评估中多采用材料级、部组件级、整机级加速老化试验方法。加速老化试验本质是通过试样在加速条件下的老化速率求出试样在贮存条件下的老化速率。加速试验通过提高一方面或几方面环境应力方法开展试验，缩短试验时间，快速得到试验结果，但无法真实反映实际环境中各种环境条件综合作用的长期累积效应。通过加速老化得到材料级、部组件级、整机级性能和可靠性随时间的变化规律，据此推演出贮存环境条件下发动机性能和可靠性随时间的变化规律，评估发动机贮存寿命。

2.1 发动机寿命预估方法要点

开展固体火箭发动机寿命评估，需要把握的方法要点可总结如下“一个判据，两个模型，三个一致。”

“一个判据”，即在寿命评估中，失效判据要明确，这是进行寿命评估的前提和基础。随着贮存时间增长，在环境应力作用下，出现性能下降导致系统无法达到期望功能和可靠性的部组件称为薄弱环节。明确失效判据，就是通过失效机理分析，找到表征薄弱环节性能的参数，确定完成系统期望功能的参数边界值。失效判据的明确是评估发动机贮存寿命的前提，是一项非常复杂的工作，其准确性直接决定寿命评估的结果是否科学有效[15-17]。

“两个模型”，一个是老化性能参数随时间变化模型，即老化性能表征模型；一个是性能参数随时间变化率与驱动应力模型，即老化驱动模型。老化性能表征模型表示老化性能参数在贮存环境应力作用下随时间的变化规律，是开展寿命评估的基础。其建模流程如图1所示。通过已有贮存延寿成果和分析自然贮存信息，定位发动机薄弱环节和影响薄弱环节寿命主要环境应力，从外观、物理、化学、机械及其综合方面，开展发动机薄弱环节表面和内部微观、细观及宏观结构测试与分析，确定老化失效表征参数，建立老化参数随时间变化表征模型。如果通过自然贮存试验可获得性能表征模型的所有参数，则不需要老化驱动模型即可开展寿命预估。实际上，由于成本和时效性，很难由自然贮存试验完全获得性能表征模型。因此，需要建立老化驱动模型，开展老化加速试验。老化驱动模型表征性能变化速率随贮存环境应力(老化驱动应力)的变化规律，是开展加速试验的基础。其建模流程如图2所示。

图1 性能表征模型建模

在获得性能表征模型的基础上，分析性能参数随时间变化率与老化驱动应力规律，建立性能变化速率与老化驱动应力的老化驱动模型。

“三个一致”，即在进行材料级、部组件级、整机级加速试验与自然贮存试验中，应尽量保证“状态一致、模型一致、参数一致”。“状态一致”，指开展相关试验时，参试产品技术状态、除加速应力外的其他应力(边界条件)、应保持一致。“模型一致”指开展相关试验时，获得的试验结果变化规律在要求的置信区间内符合性能表征模型和老化驱动模型。“参数一致”指开展相关试验时，试验结果拟合得到的模型参数满足规定的置信度要求。“三个一致”的相关度直接决定通过加速试验开展寿命预估的置信度。在实际应用中，由于材料级、部组件级、整机级试验中试件所处的边界条件不同，因此试件所处的状态很难完全一致，在材料级、部组件、整机级的加速老化试验中，要抓住主要老化驱动应力，尽量减少次要驱动应力的干扰。

图2 老化驱动模型建模

图3 “三个一致”关系

2.2 发动机失效模式

固体火箭发动机失效模式主要有功能失效、安全失效和结构失效。功能失效主要是推进剂燃烧性能下降导致内弹道性能无法满足使用要求。安全失效是由于发动机安全性能下降导致发动机无法满足安全贮存要求。结构失效是由于发动机部组件力学性能下降导致发动机无法承受使用要求的载荷。从目前认知来看，丁羟、NEPE类推进剂燃烧性能随着贮存时间增长变化较小，基本满足内弹道性能需求。丁羟推进剂安全性随时间变化不大，NEPE推进剂中的安定剂随贮存时间增长有下降趋势。对于丁羟推进剂发动机，主要的失效模式为结构失效；对于NEPE推进剂发动机，主要失效模式是安全失效和结构失效。

发动机结构失效主要包括喷管、燃烧室的老化和各粘接界面的脱粘。由于喷管的可更换性，可认为固体火箭发动机寿命主要由燃烧室寿命决定，燃烧室的结构失效主要包括药柱、衬层、绝热层的老化和各粘接界面的脱粘[18]。

2.3 发动机寿命预估方法

目前，评估发动机的寿命时通常把药柱的寿命作为发动机的寿命，在计算药柱的寿命时有两种方法：其一是研究推进剂力学性能如延伸率、抗拉强度等在贮存过程中的变化规律，当推进剂力学性能下降到临界值时，认为药柱失效；其二是把药柱累积损伤系数作为失效判据，当累积损伤系数大于1时认为药柱失效[19]。用两种算法得到的药柱寿命通常会不一样，研究表明，用累积损伤法的计算结果通常会使寿命偏短，而性能法的计算结果通常会使寿命偏长，由于这个原因，国外采用累积损伤法来计算药柱的寿命[20-21]，在对寿命进行研究时，需要积累大规模的数据库，在数据处理时将参数分为材料参数和环境修正参数两类，在获得材料的性能数据后，还需要根据产品的实际历程，用环境修正系数对寿命模型进行进一步的修正，因此使得计算结果与实际结果比较吻合。

2.3.1 药柱

发动机药柱推进剂为高分子粘弹性材料，其力学性能既是时间的函数，又是温度的函数。药柱结构完整性分析时，多以应力、应变或应变能、或累计损伤为表征参数[16,22]。

利用药柱结构完整性开展寿命评估时，首先建立药柱有限元模型，计算药柱(包括界面)在各种载荷下的应力应变分析；同时通过自然贮存试验或高温加速试验等效计算，获得推进剂破坏应力、延伸率、累积损伤等随贮存时间变化规律；最后，按照应力、应变或应变能最大值、累积损伤应小于贮存后推进剂最大应力、应变值、最大累积损伤为失效判据，预估发动机寿命。绝热层、衬层与药柱材料性质大致相同，分析时常也作为粘弹体材料处理，用类似方法预估贮存寿命。

考虑到粘弹性材料力学性能的离散性，发动机药柱结构完整性研究由确定性方法研究药柱的使用边界，逐步扩展到针对参数、特征量的不确定性进行研究，以获得发动机药柱结构完整性的可靠性指标，并根据可靠性下降的趋势来预估发动机的可靠性寿命[22]。

2.3.2 推进剂

(1)推进剂失效判据方面

目前，丁羟推进剂大多以延伸率作为性能表征参数，失效判据沿用研发阶段推进剂延伸率要求作为推进剂失效判据，未能明确延伸率指标要求是否是发动机功能的临界指标。NEPE推进剂多以安定剂含量和力学性能作为表征参数[23]，力学性能失效判据同样沿用研发阶段指标要求，安定剂含量用降低50%的标准作为失效判据也存在较大的教条性。

(2)推进剂寿命评估方面

目前，主要应用高温加速试验作为评估方法。对于丁羟推进剂，多采用QJ2328A—2005《复合推进剂高温加速老化试验方法》开展高温加速老化试验，获得不同温度下延伸率随时间的变化曲线，然后外推至自然贮存温度，获得自然温度下延伸率随时间变化模型，再以最低延伸率要求为失效判据，预估丁羟推进剂寿命。对于NEPE类推进剂，常常同时采用力学性能和安定剂含量作为寿命预估的表征参数。硝酸酯的缓慢分解影响推进剂的安全储存，安定剂可抑制硝酸酯的自催化分解，因此采用高温加速老化方法获得不同温度下安定剂变化曲线，然后外推至自然温度，再按照安定剂最低含量作为失效判据预估其寿命。

为深入开展固体推进剂老化机理研究，将老化过程中推进剂的微观、细观结构参数与宏观力学性能建立关系，研究者们从凝胶分数、交联密度、“脱湿”程度等方面研究其对推进剂力学性能的影响，取得了一定的研究成果[23-25]。然而当前研究中，不同温度下性能表征参数老化曲线一致即认为老化机理的一致性，未能从机理上建立微、细观结构参数与宏观力学的理论依据，且研究结果普适性较差，并未在工程上得到大范围的认可和推广应用。此外，研究者也开展了一些推进剂力-热耦合加速试验研究，但是试验条件与自然贮存条件的一致性存在一定差异，试验结果的普适性有待进一步研究。

2.3.3 粘接界面

界面粘接结构的失效十分复杂，它是由多种老化机理相互耦合导致的[26-31]。在界面粘接失效的研究中，老化表征参数基本上还是选取强度、刚度等参数，并从这些参数的变化中寻找潜在的共性规律。但是对于推进剂/衬层界面而言，这些参数并不能完全的反映其结构的老化过程，容易使得最后对老化的评估以及寿命的预测结果出现偏差，目前还没有能够准确表征推进剂/衬层粘接结构性能变化的模型和方法。

2.4 预估寿命的工作重点

(1)发展固体发动机健康监检测技术，开发发动机环境、外部、内部全面监检测系统，获取发动机寿命评估基础数据[32-34]。

在材料级试验时，试验室条件与发动机实际环境载荷存在诸多差异，如方坯试件与药柱实际应力分布存在差异、单向拉伸和药柱实际多向受力状态存在差异、试件自然老化与发动机药柱在相对封闭环境老化存在差异，这些差异在加上材料本身的非均质、载荷的不确定性，使得发动机寿命评估预估模型存在较大的不确定性。下一步研究中，应通过环境参数监测系统获得发动机贮存、运输和使用中的温湿度、加速和化学物数据，通过内窥镜、超声、工业CT等外部传感器系统检测获得发动机表观、内部、界面数据，同时开发新型内部应力、应变、气氛等传感器系统嵌入发动机内部，实施监测发动机状态，获得发动机内部(壳体、药柱、界面等部位)力学、化学以及缺陷随贮存条件变化数据。

(2)通过失效模式统计分析、结合监检测数据明确失效判据；开展失效机理研究，通过微观理化分析、老化机理辨识、细观分析、结合宏观监检测参数，获得发动机老化性能表征参数及老化驱动参数，建立发动机老化性能表征模型[17,25,32,35]。

进行服役固体发动机主要失效模式统计分析，确定固体发动机贮存薄弱环节，利用发动机监检测数据，统计分析失效边界值，明确发动机失效判据。确定主要失效模式对应的老化机理，辨识推进剂或粘接面上发生的主要的老化机理，建立化学迁移/反应模型。建立作为老化函数的化学状态参数与非线性粘弹力学性能的细观结构表征参数(包括高分子结构、颗粒聚集结构和填料-基体相合作用结构)关系式，将化学状态参数转换为强度、延伸率等力学参数，获得表征发动机老化性能的关键参数以及老化驱动参数。利用发动机监检测获得的固体发动机药柱界面及表面的强度、延伸率、累积损伤等性能随贮存条件(温度、湿度、时间)变化数据，建立发动机老化性能表征模型。

(3)开展模拟发动机部组件、缩比发动机以及发动机整机监检测和加速老化试验，结合服役发动机自然贮存监检测数据，建立老化驱动模型，并通过试验验证贮存寿命预估模型[35-37]。

开展推进剂方坯、发动机部组件、缩比发动机、全尺寸发动机在贮存条件下的自然贮存试验；在自然贮存的基础上，在不同自然贮存阶段对推进剂方坯、发动机部组件、缩比发动机、全尺寸发动机适时开展加速老化试验；横向层面上分析方坯、部组件、缩比发动机、全尺寸发动机老化性能表征参数以及表征参数随时间变化差异，修正老化性能表征模型；时间层面上分析自然贮存试验与加速老化试验老化驱动模型及参数变化差异，建立老化驱动可靠度寿命预估模型；最后，利用现有多发自然贮存产品开展地面点火或飞行试验，验证固体火箭发动机贮存寿命预估模型的准确性。

3 发动机寿命预估存在的问题

固体火箭发动机寿命评估工作经过了多年攻关，基础研究工作也取得了大量成果，有效指导了部队固体火箭发动机延寿整修工作，带来了巨大的经济效益。但同时也要看到，在基础理论研究、老化机理和规律认识、整机加速试验方法研究等方面还存在认识不清、方法普适性不强、推广应用困难等问题。从安全使用角度，尚有如下问题急需研究解决。

(1)寿命评估对象信息不全面，无法体现全系统模型信息和全寿命履历信息。

在固体火箭发动机贮存延寿过程中，虽然也强调了发动机全寿命周期载荷谱信息的采集，但无法实现载荷信息与贮存延寿之间的紧密结合，设计/仿真环节与装备的交付、贮存、使用环节相对脱离；尚未建成统一架构、通信通畅、数据完备的武器系统信息体系，研制方、生产厂家、使用部队之间无法共享产品履历信息，发动机贮存延寿工作针对一个批次或一个型号发动机，无法实现对单个导弹发动机结合履历信息的寿命评定，个体寿命评估服从于一个批次，有可能出现个体寿命低于批次寿命的情况，带来发动机安全使用的隐患。

(2)寿命评估方法普适性差，整机加速老化试验方法和模型尚不统一。

发动机加速老化试验方法已成为共识，但加速老化试验温度、加速因子和老化速率不统一，研究成果通用性差，尚未形成标准。基于基础技术研究，每个型号都单独开展整机加速老化试验，同直径系列、同类型推进剂型号发动机都分别进行整机加速老化试验，甚至每一型发动机延寿的研究都需要从推进剂、界面方坯的加速老化试验开始进行。因此，亟需构建固体火箭发动机贮存延寿综合仿真评估系统，以各类非金属材料方坯老化试验为基础，建立底层材料性能老化数据库，综合集成各类寿命评估方法和模型，以及结构、流场、燃烧等多学科仿真手段，结合单台发动机在部队使用期间的载荷履历，实现对单台发动机贮存老化性能的综合评估。

(3)长期贮存后发动机性能评估依然延用新研产品指标体系。

目前判断贮存发动机是否合格或失效的判据仍是出厂时的性能指标要求，而不是考虑长期贮存后的性能指标。为保持发动机全寿命周期的可靠性，性能指标一般都留有较大余量。随着贮存时间的增长，发动机的性能会有所变化，可靠性会下降，甚至可能超出设计指标，但是仍然可能满足使用要求。因此，有必要开展贮存后性能指标的研究工作，给出长期贮存后满足部队使用和可靠性要求的指标体系，开展伤情缺陷及参数劣化条件下固体火箭发动机性能评估方法研究，为长期贮存发动机性能仿真评估提供技术支撑。

(4)贮存延寿研究数据利用分散、异构，缺乏统一规划利用。

目前，发动机型号贮存延寿和基础技术研究形成了大量数据和知识，这些宝贵的数据分散在各型号研制方，彼此间不能互联互通，开展了大量重复性工作，造成人力物力资源浪费。因此，有必要开展贮存延寿数据深度挖掘研究，将分散、离散、异构的发动机整机、复合材料壳体、推进剂、粘接界面、密封圈等贮存延寿数据进行分析整理，建立集成化数据模型，开展固体火箭发动机贮存寿命关键影响因素分析、潜在关联分析、时序模式分析以及失效模式预测，提出面向对象的混合知识库，构建基于知识工程的发动机寿命评估系统。

4 结束语

固体火箭发动机寿命是决定导弹寿命的主要因素，但其寿命预估是一个世界性难题，科学评估发动机寿命是保证固体导弹最大程度发挥效能和安全使用的前提。我国在固体发动机寿命评估工作取得了初步成果，但尚不能满足固体发动机寿命评估时效性和精确性的迫切需求。随着大量固体火箭发动机即将到寿，未来工作中，应加大投入，统筹布局。一方面充分利用现有贮存延寿数据的基础上，拓展利用新技术对固体发动机开展健康监检测工作，建立发动机寿命评估数据库；一方面深入开展发动机老化机理研究，对比建立材料级、部组件级、整机级加速试验以及自然贮存试验差异化模型，明确失效判据，完善寿命预估模型。