Structural integrity of composite solid propellant based on carboxyl-terminated polybutadiene binder

Abstract

Los motores de cohetes de propulsante sólido de material compuesto se almacenan habitualmente durante largos períodos de tiempo. A lo largo de este periodo de almacenamiento en el polvorín, los motores sufren diversos proce-sos de degradación o daño, comúnmente denominados como envejecimiento, los cuales suponen el origen de defectos, tales como grietas, en el propulsante. Estos envejecimientos que se dan a lo largo de la vida del motor tienen su causa en procesos químicos, promovidos por la exposición a altas temperaturas, a humedad o a oxidantes atmosférico; y procesos mecánicos, tales como las vi-braciones en los transportes, las deformaciones inducidas debidas al propio peso del grano o a tensiones de origen térmico provocadas por los ciclos día-noche o las estaciones del año, por ejemplo. Los motores de este tipo de propulsantes utilizados en aplicaciones de defensa tienen un tiempo de vida útil recomendado por el fabricante. Sin em-bargo, debido a su alto coste las naciones se ven incentivadas a optimizar su vida útil, de manera que su vida en servicio real se suele alargar al máximo posible. Esta optimización requiere un equilibrio delicado entre la rentabilidad y la fiabilidad operativa. Para evaluar la idoneidad operativa de un motor, es habitual la implementación de un conjunto de pruebas, conocidas, en su con-junto, como programa de vigilancia. Estos programas de vigilancia definen las pruebas a realizar, las metodo-logías de análisis de datos y establecen los criterios de decisión. En España, la Subdirección de Sistemas Terrestres del Instituto Nacional de Técnica Aero-espacial (INTA) es la responsable de los ensayos de laboratorio para la vigilan-cia de motores de propulsante de material compuesto. Un aspecto crítico que afecta la vida útil de los motores de propulsante sólido es la aparición de grietas en el seno del grano. La geometría del grano se diseña para lograr un perfil de empuje predeterminado durante la combustión. La presencia de grietas altera la superficie de quemado durante el vuelo del cohete, poniendo en peligro su operatividad. Es por ello, por lo que se reconoce que la evaluación de la integridad estructural del propulsante del motor es de suma importancia. Sin embargo, debido al complejo comportamiento mecánico y a fractura de este tipo de materiales, actualmente faltan procedimientos estandarizados para evaluar su comportamiento en fractura. La razón principal es que aún no existe un consenso sobre cuál es el parámetro de control o el enfoque de la mecánica de la fractura para evaluar la respuesta mecánica de estos materiales. Los propulsantes sólidos de material compuesto están formados por múltiples constituyentes con respuestas mecánicas muy diferentes: partículas cerámicas oxidantes con comportamiento elástico lineal, combustible metálico con com-portamiento mecánico elasto-plástico y la matriz elastomérica que actúa como aglutinante y con respuesta mecánica hiperviscoelástica. A pesar de esta varie-dad, generalmente se acepta que el comportamiento mecánico de estos mate-riales se rige principalmente por la matriz elastomérica, que suele ser el cons-tituyente minoritario. La evaluación del comportamiento a fractura de los propulsantes sólidos de material compuesto en España es un área de investigación reciente y aún no está plenamente integrada en los programas de vigilancia actuales. Este hecho, sumado a la propia complejidad del problema, genera un área de interés para la investigación, de manera que se establece el objetivo de esta tesis en la eva-luación del comportamiento mecánico y a fractura bajo tres tipos de envejecimientos acelerados (mecánico, térmico y por ozono) de un propul-sante sólido procedente del motor de aceleración de cohetes de dos etapas....