定应力老化下固体火箭发动机界面力学性能退化及寿命评估方法

doi:10.7527/S1000-6893.2026.33185

材料工程与机械制造

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定应力老化下固体火箭发动机界面力学性能退化及寿命评估方法

孙海涛¹^,², 戴凡皓¹^,²(), 袁杰红¹^,², 周坤林¹^,², 李道奎¹^,², 申志彬¹^,²

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.天地往返高效运输技术全国重点实验室，长沙 410073

收稿日期:2025-12-03 修回日期:2025-12-31 接受日期:2026-04-15 出版日期:2026-04-21 发布日期:2026-04-20
通讯作者: 戴凡皓 E-mail:fanhao919@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(12372203)

Method for evaluating interfacial mechanical property degradation and service life of solid rocket motors under constant-stress aging

Haitao SUN¹^,², Fanhao DAI¹^,²(), Jiehong YUAN¹^,², Kunlin ZHOU¹^,², Daokui LI¹^,², Zhibin SHEN¹^,²

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.State Key Laboratory of High-Efficiency Reusable Aerospace Transportation Technology，Changsha 410073，China

Received:2025-12-03 Revised:2025-12-31 Accepted:2026-04-15 Online:2026-04-21 Published:2026-04-20
Contact: Fanhao DAI E-mail:fanhao919@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12372203)

摘要/Abstract

摘要：

粘接界面长期贮存老化是影响固体火箭发动机结构可靠性的关键问题。现有高温加速老化试验难以真实反映服役状态下界面的时变应力场，对界面性能衰减规律的预测存在局限。为此，在接近实际贮存温度下开展了多应力水平挂载老化试验，获取最大抗拉强度、最大伸长率和有效断裂能等力学参数；建立了考虑时间-应力耦合效应的指数型老化动力学模型，并引入Zhukov理论描述性能变化速率与老化应力之间的定量关系。结果表明：高应力条件下最大抗拉强度在老化前10 d内即下降至初始值的约60%，有效断裂能降至初始值的约1/3；低应力条件下性能衰减幅度明显减缓，表现出显著的应力依赖性与时间累积效应。进一步结合立式贮存发动机有限元仿真提取了衬层界面von Mises应力历程，将所建老化模型与服役应力相匹配，预测该粘接界面的安全贮存寿命约为8.4 a。该方法可定量表征界面老化过程，为界面寿命评估提供依据，并为发动机结构安全性分析与贮存可靠性设计提供参考。

关键词: 固体火箭发动机, 粘接界面, 老化, 扯离试验, 寿命评估

Abstract:

Long-term storage-induced aging of the bonded interface in Solid Rocket Motors （SRMs） is a critical factor influencing structural integrity and service reliability. Conventional high-temperature accelerated aging tests cannot realistically reproduce the stress-time coupled fields experienced under actual service conditions， leading to limitations in predicting interfacial property degradation. Multi-level constant-stress aging tests were conducted under temperature conditions close to practical storage environments， and key mechanical parameters including maximum tensile strength， maximum elongation and effective fracture energy were extracted. An exponential aging kinetics model incorporating time-stress coupling was developed， wherein the Zhukov relation was introduced to quantitatively describe the dependence of degradation rate on the applied stress level. The results indicate that， under high-stress conditions， the maximum tensile strength decreases to approximately 60% of its initial value within the first 10 d of aging， while the effective fracture energy drops to nearly 1/3. In contrast， the degradation under low-stress conditions is significantly slower， demonstrating pronounced stress dependence and cumulative time effects. By further integrating finite element simulations of a vertically stored SRM， the Mises stress history along the liner propellant interface was extracted and coupled with the proposed aging model. The predicted safe storage life of the bonded interface is approximately 8.4 a. The proposed method enables quantitative characterization of interfacial aging behavior and provides a reliable basis for service life assessment， offering valuable guidance for structural safety analysis and storage reliability design of SRMs.

Key words: solid rocket motor, bonded interface, aging, peel test, life assessment

中图分类号:

V435

孙海涛, 戴凡皓, 袁杰红, 周坤林, 李道奎, 申志彬. 定应力老化下固体火箭发动机界面力学性能退化及寿命评估方法[J]. 航空学报, 2026, 47(17): 433185.

Haitao SUN, Fanhao DAI, Jiehong YUAN, Kunlin ZHOU, Daokui LI, Zhibin SHEN. Method for evaluating interfacial mechanical property degradation and service life of solid rocket motors under constant-stress aging[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(17): 433185.

图/表 21

图 1

图 2

表1

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

表2

老化模型拟合结果

老化应力/MPa	$σ m = σ m 0 e x p (- K σ t)$			$ε m = ε m 0 e x p (- K ε t) + ε m 0'$				$G f = G f 0 e x p (- K G t) + G f 0'$
老化应力/MPa	$σ m 0$ /MPa	$K σ$	拟合优度R²	$ε m 0$ /%	$K ε$	$ε m 0'$ /%	R²	$G f 0$	$K G$	$G f 0'$	R²
0.02	1.05	0.002 869	0.811 5	19.65	0.030 87	10.35	0.812 2	17.41	0.032 44	6.59	0.818 9
0.04	1.05	0.004 988	0.802 1	19.65	0.067 92	10.35	0.973 8	17.41	0.045 11	6.59	0.836 7
0.06	1.05	0.011 33	0.861 7	19.65	0.193 1	10.35	0.924 3	17.41	0.117 5	6.59	0.896 1
0.08	1.05	0.024 39	0.947 1	19.65	0.266 6	10.35	0.959 6	17.41	0.241 4	6.59	0.948 1

表2

表3

性能变化速率常数拟合结果

$K$	$A *$ /10^-3	$E a 293.15 /$ （J·mol^-1）	$γ 293.15$	$c$	R²
$K σ$	0.969 7	0.162 6	38.27	1	0.987 6
$K ε$	0.184 1	0.847 9	12.83	0.271 8	0.977 2
$K G$	9.080 0	0.275 3	37.59	1	0.963 1

表3

图 10

表4

表5

表6

药柱Prony 级数系数

级数	$E i$ /MPa	$τ i$
1	0.631 7	5.55
2	0.446 5	55.5
3	0.444 2	555.0

表6

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

参考文献 24

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方向	弹性模量/（10⁴ MPa）	泊松比	剪切模量/GPa
x	2.93	0.166	26.0
y	6.66	0.164	7.75
z	2.80	0.073	7.75

部件	弹性模量/MPa	泊松比	密度/（g·cm^-3）	热膨胀系数/（10^-5 ℃^-1）
绝热层	6.50	0.490	1.1	13.0
衬层，药柱	E（t）	0.498	1.8	7.8

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老化应力/MPa	老化时间/d
0.02	17，37，43，49，55
0.04	8，14，26，41，46
0.06	6，16，25，29，37
0.08	4，8，19，22，28

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