从陆军 TACMS 推进系统喷管故障中吸取的经验教训

译自：NPS-PM-06-044，旨在提供一种故障归零思路。

名词术语缩写

• ARC——大西洋研究公司
• CT——计算机断层扫描
• ECP ——工程变更提案
• F ——华氏度
• FRP—— 全速生产
• FSD——全面开发
• GL——五大湖区
• IAW—— 根据
• LRIP——低速率初始生产
• MICOM——导弹司令部
• MIS——导弹暂行规范
• M/LPA——导弹发射吊舱组件
• NASA—— 美国国家航空航天局
• RDEC——研究开发与工程中心
• RFP ——征求建议书
• SRI——南方研究所
• SRM——固体火箭发动机
• TACMS——战术导弹系统
• UC—— Union Carbide
• WSMR——白沙导弹靶场
• ZCP——铬酸锌腻子

1.引言

本报告最后确定了1992年5月29日，于1991年9月4日在新墨西哥白沙导弹靶场（WSMR）的飞行试验期间的推进系统飞行喷管故障的初步教训。

陆军战术导弹系统（陆军TACMS）推进系统喷管组件（见图1）包括：石墨喉衬（MX-2675）和喉衬隔热层（纤维石MX-4926），由环氧树脂和EA-934粘合剂支撑。

本报告包含了通过对当前和过去、研究、开发和工程中心的陆军TACMS的采访而获得的材料（RDEC），以及与该项目相关的人员；审查由陆军TACMS项目办公室、LTV和南方研究所生成的文件(SRD）；以及关于石墨使用的公开文献。

本报告的目的是彻底消除故障的根源，记录所吸取的教训，并广泛传播信息，以帮助其他项目办事处避免类似事件的发生。本文件无意将责任归咎于任何政府组织或私人承包商。

图1推进段火箭发动机：XM124

2.背景

陆军TACMS惯性制导导弹系统，旨在超出现役农炮和火箭能力的射程内攻击敌人部队（图2）。

图2.陆军TACMS导弹

1985年6月发布了陆军TACMS导弹发射舱组件（M/LPA）和M/LPA与M270发射器集成的唯一来源RFP（RFP）。LTV公司的导弹是M/LPA开发竞争的赢家。1986年3月，公司固定价格合同授予LTV的开发和集成工作。陆军TACMS的研发测试于1988年4月在WSMR开始，到1990年3月结束。随后立即进行了发射测试。

经过研发测试，并于1990年6月完成。1989年2月授予了66枚导弹的少量始生产（LRIP）合同。第二次是104枚导弹，经艾米采购执行小组审查授权，并于1990年2月授予了LTV一份合同。第一批生产的导弹在1990年3月被接收。1990年11月，国防采办委员会批准陆军TACMS全速生产（FRP），第一年的合同授予LTV。

大西洋研究公司（ARC）已经制造了陆军TACM火箭发动机喷管，使用两级石墨，满足导弹临时规范（MIS）29147的化学和机械要求。在FSD和资格鉴定计划阶段，使用了由联合碳化物（UC）公司（指定为TS-1792）制造的石墨材料。TS-1792是石墨的等级，取代了它们的ATJ级。TS-1792是等稳态模压的，具有相对均匀的非二向性材料性能。在FSD交付计划阶段的后期，并持续到LRIP-1和LRIP-2计划阶段，喷管喉衬是使用由大湖碳（GLC）公司（指定为H-489）生产的石墨制造的。表1提供了从ARC生产记录中获得的关于石墨批次机械性能比较的信息。

表1石墨批次性能比较

陆军TACMS固体火箭发动机产品编号是13287245。这张图规定了材料为石墨，符合（IAW）MIS-29147中的标准。MIS-29147，“用于高温应用的石墨成型导弹指令规范”的日期为1979年11月7日，是用于购买石墨的规范。这种军事信息系统，最初是为夏巴拉尔导弹计划开发的。本规范中列出的化学和物理性能（见表2）应符合表观密度、比阻力、晶粒和整个晶粒的抗弯强度以及灰分含量的值。该规范的建议来源是UC生产的ATJ石墨。UC和GLC制造的石墨均符合本规范的要求。

表2机械和物理性能比较

按照MIS规范购买的材料，已经被测试了大约127次。测试开始于1986年9月，用的是厚壁发动机。其中包括总共92个喷管（批次A7C1792）使用UCTS-25819石墨。在92个喷管中，72个已经成功测试，其中19个是在鉴定测试期间。此外，在LRIP-1项目期间，西南亚27次，WSMR 12次，1次静态测试。H-489石墨被用于地面测试静态试验，以验证诺里斯案例的陆军TACMS使用。该试验于1989年10月25日成功进行。基于这一经验，两家供应商的石墨被认为符合发动机喉衬使用，第二批H-489石墨，AOC29012，被交付并用于制造114个喷管。这个批次总共有8台发动机进行了测试。7次测试的结果是，发动机满足了所有的性能要求和/或成功地完成了任务。用这批石墨制造的第八个喷管在飞行测试燃烧失败中使用。发动机，S/N215098，被用于导弹P-1170。

3.飞行讨论

喷管故障

一架陆军TACMS导弹（P-1170）在1991年9月4日从一辆5吨的卡车发射与一个改进的忠诚约翰发射器。在飞行的早期阶段（大约进入燃烧阶段6秒），大量的碎片被喷出从喷管开始（图3）。随后是大约7秒时的少量碎片（图3），以及大约8.5秒时的中等到较大的碎片（图3）。飞行加速度和速度在23秒前才出现异常，在23.2秒时发生减速，遥测数据丢失。在23秒时，热气体（大约5000华氏度）通过燃气进入尾舱区域（图4），并通过破坏电子设备和电缆，毁坏了导弹制导系统的电力。在23.3秒的数据丢失后，导弹继续在弹道上飞行1万英尺。燃烧结束时，导弹螺旋飞向地面，降落在距离目标10英里的地方。

8.5秒后     ， 7秒后，  6秒后

图3 碎片从喷管被喷出

图4尾舱前图执行机构控制

仔细检查回收的残骸，会发现：

1. 在喉衬热防护和出口锥绝热层之间的连接处的喷管上有一个两英寸的孔。燃烧出现为“V”形，“V”的宽部分在出口锥的头部，“V”的尖端刚好在螺纹区域下方。（见图5a)。另一个视图如图5b所示，喷管部分相邻，图5c提供了燃烧孔的内部视图，以及尾部关闭的正面视图。没有喷管的整个固体火箭导弹（SRM）如图6所示（注意出口锥的下侧烧穿）。

图5a 出口锥烧穿

图5b 出口锥组件烧穿

图5c 出口锥烧穿内视图

图6 无喷管出口锥固体火箭发动机

b.所有的石墨喉衬都不见了。

c.喉衬热防护被分解成几块（在撞击时向前喷射入壳体中）。

d.发动机外壳和绝热层材料看起来很正常。

1991年10月10日，与故障发动机同时生产的发动机（S/N215109）在ARC进行静态测试，并满足所有规格要求。测试的结果是：（1）出口锥体的外部没有热点，但是，（2）石墨碎片在静态点火期间大约6秒和不同时间点被喷射出来，与91年9月4日的飞行非常相似。与 TS-1792 相比，喉衬的烧蚀过度。烧蚀发生在喉衬的下游一侧，相距约120度。导弹的出口锥和必要部件被拆卸以安装破坏包，并且铬酸锌腻子的正确安装存在问题。

4.根本原因的讨论

故障发生后，陆军TACMS项目办公室立即下令进行根本原因故障调查。LTV 和 ARC 在 陆军TACMS 项目办公室、RDEC 和技术人员的积极参与下进行了详细分析。为找到故障的根本原因而制定的基本计划包括：

（1）恢复和检查故障部件，

（2）收集和审查视频和遥测数据，

（3）收集和审查喷管制造、检查和处理记录，

（4）审查喷管历史记录，

（5）生成故障树，

（6）根据现有数据的审查消除低概率故障模式，

（7）识别/收集/生成确认或反驳剩余故障模式所需的额外数据、测试和分析，

（8）对候选根本原因进行排序，确定最可能的原因，以及

（9）阻止和实施纠正措施。

收集了残骸，并审查了视频和遥测数据IAW，这是协助确定故障根本原因的基本计划。

过程和检查审查揭示了以下内容：

a.胶粘剂 – 所有使用的胶粘剂均为“A”级（可接受），并符合邵氏硬度要求。所有粘接件，并验证所有粘接件是否存在粘合剂。

b.O形圈-所有O形圈均为“A”级。经验证，O形圈在保质期内，并已按生产程序涂有硅脂。

c.点火器外壳 – 原材料在使用前被验证为可接受，并且原材料物理性能没有显着变化。此外，成型工艺没有变化。零件在加工后按照图纸进行检查和清洁，所有零件都经过了耐压测试。

d.石墨喉衬 – 所有零件均从供应商处收到，并附有合格证书。1979 年 11 月 7 日，所有部件均按照导弹委员会 （MICOM） 规范购买，用于石墨，模制用于高温应用，MIS-29147石墨是从 UC和 GLC 购买的。

e.喉衬隔热层 -FSD喉衬主要由美国自动化公司制造，所有喉衬都是用同一个模具模制而成的。验证并记录了所有部件的比重和密度，没有显著变化。

f.出口锥 – 所有原材料均被确定为可接受，并且成型过程没有变化。验证了所有部件的比重和密度。组装过程没有重大变化。验证胶粘剂的覆盖率并记录所有固化时间。

g.喉衬组件-所有材料均被验证为可接受，并且该过程没有重大变化。在组装前验证了胶粘剂的覆盖率，喉衬组件用EP-56环氧树脂覆盖。所有喉衬在接受前都进行了泄漏检查。

故障审查小组的成员前往 GLC 和 Machined Graphite Products，以更深入地了解故障的可能原因。该团队确定：（1）每块石墨上都清楚地标明了晶粒方向，以及批号和件号，（2）供应的GLC石墨不是各向同性的，主要是由于晶粒的纵横比，（3）样品是从陆军TACMS计划的块的末端采集的，（4）大量石墨是混合器之间按顺序生产的材料清理出来，并且来自同一批次的零件，不得在同一时间或在同一炉中进行石墨化，（5）如果陆军TACMS程序的运输中使用了多块石墨，则机加工的石墨产品无法识别喉衬来自哪块石墨（表示序列化要求），（6）由于在X射线检查过程中发现的缺陷，机加工石墨产品拒绝了另一个程序中大约1%的部件。GLC鼓励从H-489石墨切换到另一种石墨产品（GLC490）。归纳的陆军TACMS喷管故障树见图7。为消除失效模式提供了以下基本原理：

图 7.陆军 TACMS 喷管烧穿故障树

a. 石墨失效
（1）坯料尺寸 – 数据表明坯料尺寸不会显著影响性能。
（2）点火器安装材料符合规定-施加的压力符合设计要求。石墨喉衬无结构损坏。
（3）初始缺陷-大于100个零件的X射线显示无缺陷。

(4) 装配间隙 – 检查记录显示所有尺寸和间隙均符合图纸要求。
（5）装配损坏 – 对过程的审查显示没有任何异常的证据。

b. O型圈失效
（1）出口锥体O型圈涂有铬酸锌腻子（ZCP），所有材料均符合要求。热分析显示，如果没有 ZCP，则 O 形圈或喉衬绝热层温度在 6.0 秒时也不会出现明显的升高。
（2）喉部绝热层O型圈-O型圈测试后存在。材料符合规格。零件之间没有任何流动的迹象。

c. 粘结不足
（1）石墨/绝热层粘结 – 零件之间没有气体流动的迹象。
（2）后封头/绝热层粘合 – 没有零件之间气体流动的迹象。

d.喉衬绝热失效材料符合所有要求。

所有零件均在相同的模具中制造，具有相同的加工参数。测试表明模压强度符合要求。树脂挥发物等于 2% 或更少。缺少倒角对结构没有显著影响。

e. 出口锥体失效 – 对所有加工和检查记录的审查显示没有异常。恢复的硬件没有证据表明故障是在出口锥体中启动的。

f.工艺损坏 -工艺没有重大变化，所有使用的材料都经过验证是可以接受的。在组装之前验证了胶粘剂的覆盖率。喉衬组件用EP-环氧树脂覆盖，验收前所有喉衬都进行了泄漏检查。

ARC对从UC和GLC提供的部件上切割的石墨样品进行了一系列实验室测试。测试结果如表3所示，测试结果清楚地表明，UC提供的石墨具有更大的抗压强度波动，并且GLC批号之间存在很大差异。测试后，ARC使用SAASIII进行热分析。 有限元计算机代码（见图8和图9）。基于70F标称点火数据，使用2、4和6秒的热梯度。

表3.石墨实验室测试结果/从喉衬

图8 喷管热分析

图 9.喉衬外径和表面温度（6秒）

考虑了应力-应变曲线、模量、热膨胀系数和强度。
表 4 提供了 UC 和 GLC 石墨喉衬预示安全系数。显示的数字基于供应商和 ATJ 可变性数据。
结构分析指出，应力状态是喉衬内表面和喉衬下游的压缩应力。该分析还确定，当GLC石墨代替UC ATJ石墨时，安全系数降低了22%。

表 4 石墨喉衬预示安全系数

ARC得出结论，根本原因是石墨喉衬的压缩失效。故障模式场景如图 10 所示。

图10 故障模式场景

ARC 和 LTV 建议并经项目经理批准的纠正措施包括，短期和长期解决方案。短期行动是：

1.停止在发动机交付中使用GLC喉衬。
2. 交付所有带有 UC 喉衬的未来发动机。
3. 喉衬的 100% X 射线。

温度数据。这种担忧是基于SRI为支持美国国家航空航天局（NASA）CASTOR 发动机计划而生成的大量石墨测试数据。他同意推进局应进行独立分析，并进一步建议SRI在环境和高温下进行抗压强度和抗拉强度测试。陆军TACMS项目办公室随后资助了这两项工作。
4.对当前石墨喉部热防护进行弯曲和抗压强度测量。

长期行动是：

1.继续调查以确定石墨喉衬的最小可接受性能。
2.通过序列化单个零件，提高批次追溯能力。
3.修订了陆军TACMS的MIS-29147规范，以包括额外的样品和综合强度。
4.更改图纸以施加石墨喉衬的100%X射线。

1991年10月21日，推进局对ARC分析没有准确界定在静态/飞行试验条件下喉衬的结构完整性表示关切。他们表示，“最小的机械性能数据点，不恰当的高温数据外推，以及ARC分析数据的错误应用，导致了虚构的高安全裕度。推进局建议资助他们进行热结构分析，以确定喉衬中的压力状态和安全系数。

技术管理司司长陆军 TACMS对ARC分析表示保留。他担心，该分析实际上可能不恰当地推断了高点。

测试和进一步分析的意义在于，如果安全裕度被证明不足，在更高的温度下，可能需要石墨以外的另一种材料，并且所有部署的艾米TACMS导弹都可能需要召回。

经过一系列的会议和讨论，1991年11月26日，LTV和ARC提交了所有LRIP II.的信息和返工计划。 以及含有GLC H-489石墨的FSP喷管。他们建议对 35W52、31W27、51W52、49W14 和 49W21 批次的 117 台含有 H-489 石墨的发动机进行返工。他们不建议对含有 H-489 批次 14Y36 和 15Y3 的 LRIP I发动机进行返工。LTV的测试数据和广泛的飞行计划结果证明是可以接受的。此外，93 年 4 月 15 日提交给项目经理和副项目经理的数据显示，总结了所有累积的信息和数据，显示 14Y36 和 15Y3 批次的安全边际为正，超过了结构要求。

陆军TACMS项目经理大卫·马修斯上校（Col David Matthews）指示实施LTV和ARC建议的117台发动机的返工计划。18台发动机将归还给ARC。为了支持测试，已经对两个发动机进行了重新设计。其中46个将在WSMR进行返工，40个将在Weilerbach进行返工，31个将在安尼斯顿陆军仓库进行即时返工；然而，将向Redstone Arsenal提供三个新的后封头套件。后来确定这三批没有运往巴拿马和塞塞卡，将进行返工。

5.有关石墨的一般信息

石墨的性质差异很大，不仅在不同等级之间，而且在批次之间。在给定地块的不同部分之间以及单个区块内的位置和方向之间，可能会发现属性的其他变化。这种广泛的变化，是由于石墨特性对许多变量的敏感性决定的。这些变量包括起始材料、粒径、成型方法、首次烘烤条件和石墨化条件的差异。简而言之，最终石墨产品的性能和均匀性受制造和材料因素的影响很大。

ATJ石墨是一种具有细晶粒的模制石墨，在高达5000°F的温度下具有良好的强度。 它的缺点是脆性强，各向异性，在单件中表现出较大的分布。其用途是耐火结构、砌块、带材和套管。

涉及石墨的规格通常涉及抗拉强度、抗压强度、弯曲强度、弹性模量、热膨胀、导热系数、密度和电阻率。1968 年 6 月 30 日为 NERVA 计划开发的材料数据手册提供了对 ATJ 石墨机械性能的深入了解（见图 11a 和 11b）。

请注意，拉伸强度在大约 4600°F 的温度下会增加，但超过该温度会急剧下降。ATJ石墨的抗压强度、剪切强度、轴承强度和抗弯强度的图表（见图11b）请注意，随着温度升高到5000°F，极限抗压强度会继续增加。 然而，当温度接近5000°F时，极限弯曲强度开始趋于平稳。SRI为NASA进行的测试表明，ATJ 1792的抗压强度在5000°F后开始急剧下降。

图11a ATJ石墨的抗拉强度

图 11b.ATJ石墨的抗压、剪切、承载和抗弯强度

6.导弹用石墨暂行规范（MIS）

MIS-29147是MICOM规范，制定于1979年11月，用于石墨，模制，高温应用。 该规范确定了表观密度、比电阻、弯曲强度和灰分含量的最小值和最大值。 它不满足与抗拉强度、抗压强度、弹性模量或热膨胀相关的要求。 应通过获得一块试板从每个块中取出试样，并从该试板中获得至少三个带有晶粒和穿过晶粒的试样。 MIS-29147 提供了建议的产品 ATJ 石墨，由 Union Carbide Corporation，Carbon Products Division，270 Park Avenue，New York，New York 制造。

MIS-29147于1988年10月13日被取消。 未来的采购将进行IAWMIL G-47316（MI）。 MIS-29147 和 MIL-G-47316（MI） 之间没有技术差异。 MIL-C-47316 （MI） 确实需要首件检查，由 10 个单元组成。陆军 TACMS 图纸编号 13287245 未更改以反映 MIS-29147 的取消。 由于技术要求没有改变，陆军TACMS项目办公室可能决定不承担更改图纸的费用。

MIS 29147 于 1993 年 4 月被 MIS 40130 取代。 表 5 中列出了 MIS 40130 中修订后的化学、电气和机械性能摘要。 表 5 中显示的所有性能均适用于室温。 推荐的石墨材料是目前合格的 ATJ 等级或经批准的等效材料。

表5 MIS-40130 石墨的一些附加信息

7.南方研究院检测

SRI获得了一份合同，以评估ATJ和Great Lakes散装石墨材料的机械、热和物理性能。

7.1 陆军 TACMS

用 ATJ 和五大湖石墨的机械和热评估 拉伸属性：极限强度、弹性模量、应变失效和应力-应变曲线是使用含气拉伸机获得的。使用含气压缩设施测量压缩性能。

为此评估的两种等级的散装石墨是 Union Carbide ATJ 1792 和 Great Lakes Graphite H489 批 51W52.将模制材料静压压缩成 13“x13”x 72“ 的毛坯，其中径向和圆周方向对应于晶粒取向，横晶粒取向为轴向。从每根毛坯中取出三个坯料。ATJ坯是从两个不同的毛坯中取出的，而GL H489坯都是从同一个毛坯中取出的。

表 6 显示了这项工作的测试矩阵。它由顺晶粒和垂直晶粒的机械、热和物理属性组成。选择测试以对应于材料中的关键事件。

表6. ATJ 和 GREAT LAKES石墨的试验阵列

在完全加工的坯料上确定尺寸和重量，以获得块密度。每个试样的块密度都包含在每个坯料的相应机械表中。

在测试方向上，在完全加工的毛坯上测定断裂速度和峰值速度。电阻率与峰值速度的反比关系表明，ATJ材料具有较高的电阻率和较低的峰值速度，而GL材料具有较低的电阻率和较高的峰值速度。在其他条件相同的情况下，这表明 ATJ 是一种更石墨化的材料，而 GLH489 更玻璃化。

计算机断层扫描（CT）扫描均在轴向和径向方向上对两种块状石墨材料进行。CT扫描用于确定材料密度分布，并检测大于20密耳的较大缺陷。扫描样本表明，ATJ坯料的密度变化大于GL坯料的密度变化。ATJ-2 中的强缺陷区指示密度为 1.52 gms/cc。

对所有机械标本进行了X光检查。射线照片通常显示ATJ坯料的密度变化大于GL坯料。然而，X光片也显示每个坯料内的密度与喷管位置有明显的变化。这些表明，单个芯式喷管的位置也可能对喷管性能产生影响。
使用尼康Epiphot显微镜对块状石墨材料进行了显微镜研究。每个坯料的样品都经过环氧树脂浸渍和抛光。ATJ坯的孔隙率在大小和尺寸上似乎比五大湖坯更大。GL材料的最大孔径约为4 mils和大约2 mils.评估软件显微照片还显示，ATJ和GL材料的典型大缺陷尺寸分别约为16.5 mils和9.5 mils。AJT和五大湖碳的显微照片如图12和图13所示。

图12 ATJ 100倍顺晶向显微图

图13 Great Lakes 100倍顺晶向显微图

在室温、2000、4250 和 5000 华氏度下对 ATJ 和 GLH489 块状石墨进行了跨晶界拉伸评估，仅在室温下进行了晶界拉伸试验。试样以 10 Kpsi/min 的速度加载，在适用的情况下以 10 F/秒加热。

表7和表8列出了各个晶粒拉伸评估，这些评估显示了每种材料的良好复制性。ATJ石墨在两种晶粒取向下都比从RT到5000华氏度的五大湖评估产生更高的材料性能（强度和应变失效）。

表 7.ATJ 和 GREAT LAKES 石墨材料在 5000°F下的拉伸评估

表 8.ATJ和 GREAT LAKES 石墨材料在 室温度下的拉伸评估

点评： ATJ 和 H489 材料的顺晶和垂直晶系拉伸性能与表9中的历史石墨和 Graphnol 材料进行了比较。历史比较表明，ATJ坯的产量低于历史材料性能。然而，ATJ门槛的拉伸特性大于H489坯。

拉伸试样的失效分析显示，断裂面是随机的，失效起生侧沿试样的外径。失效位置记录在表 7 和表 8 中，相对于试样的量具中心线。这些数据显示了平衡数量的顶部和底部故障，表明对齐和加载正确。

表 9.石墨和Graphnol材料

调查也显示断裂表面没有异常的证据。

在室温、4250 和 5000 华氏度下对 ATJ 和 GL H489 块状石墨进行了顺晶粒压缩评估。试样以 10 Kpsi/min 加载，并在适用的情况下以 10 F/秒加热。

表10列出了顺晶粒和垂直晶粒的单个压缩评估，这些评估表明每种材料都具有良好的复制性。ATJ石墨在两种晶粒取向下都比从RT到5000华氏度的GL评估具有更高的材料性能。

表 10. ATJ 和 GREAT LAKES 石墨材料在 5000°F 下的压缩评估

将垂直晶粒和顺晶粒的ATJ和H489材料与表11中的历史石墨和Graphnol材料进行了比较，历史材料表明ATJ坯产生低于历史材料特性。这两种材料在 4250 和 5000 华氏度下都具有非常高的压应变，并且仅测试了 150 密耳/英寸的轴向变形。选择此限值是为了在曲线的弹性区域产生最准确的应力-应变。超过选定的限值，校准的应变计产生非线性应变。

表 11. 石墨和Graphnol材料平均曲线的压应力-应变数据汇总

对压缩试件的破坏分析表明，破坏的主要模式是沿45度平面剪切。高温试样没有发生灾难性失效，而是在轴向上产生“塑性”变形，导致不圆周膨胀。

对ATJ和GL H489块状石墨进行了从室温到5000华氏度的热膨胀评估，在石英测试设施中对顺晶（轴向）和垂直晶（径向和圆周）热样品进行了1800华氏度的评估，在石墨测试设施中评估了5000华氏度。

图14和图15显示了垂直晶粒和顺晶粒的单个热膨胀评估，这些评估显示了两种技术之间的良好重复性和良好的一致性。ATJ石墨的热膨胀率低于H489评估的热膨胀率，从RT到5000°Ff两种晶粒取向。

图 14. ATJ石墨到5000F（ATJ-3）的顺和垂直晶体热膨胀

图 15.五大湖石墨在5000°F（GL-3）下的顺和垂直晶粒热膨胀

在图 16 和 17 中，将顺晶粒和垂直晶粒的 ATJ 和 H489 材料与历史上的 ATJ 石墨和 Graphnol 材料进行了比较。历史比较表明，ATJ材料比历史材料具有更大的热膨胀。然而，ATJ材料的膨胀率仍然低于H489材料。

图 16.ATJ 和 GL 石墨与历史石墨和 Graphnol的晶界热膨胀比较

图 17.ATJ 和 GL 石墨与历史石墨和 Graphnol 的跨晶界热膨胀比较

7.2 用于 ATACMS 的 Great Lakes H489 批次 14Y36/15Y3 石墨的机械和热评估

为这项工作评估的散装石墨是Great Lakes Graphite H489 Lot 14Y36/15Y3。材料被静压压缩成 13“x13”x72“的试样，其中径向圆周方向对应于顺晶粒取向，而顺晶界取向为轴向。测试坯料从几个试件之一中移除。没有记录试样中单个钢坯的位置。

这项工作的测试矩阵如表 12 所示。它包括顺晶和垂直晶方向的压缩以及仅垂直晶粒方向的热特性。选择测试温度以对应于材料中的关键事件。

这项工作的程序与上一个题为“ATACMS的ATJ和大湖石墨的机械和热评估”下列出的程序相同。

1992年12月南方研究所SRI-MME-92-1072-7775号报告SRI-MME-92-1072-7775载有该评估的详细情况和评估结果，题为“用于ATACMS的Great Lakes H489 批 14Y36/15Y3石墨的力学和热学评估”。

7.3 总结

与Great Lakes Graphite H489 批51W52相比，Union Carbide ATJ 1972 具有优异的热结构性能，尽管这是一个较差的 ATJ 等级。据报道，与历史材料相比，H489具有典型的质量。两种材料在4250和5000华氏度处都具有非常高的压应变，这些压应变超过了在纯变形载荷环境中可能的应变。典型的“无缺陷ATJ”可能仅基于纯热/应力载荷具有可接受的性能。其他产品具有优越的性能，但这些产品价格昂贵。

与 Great Lakes H489 Lot 51W52 石墨材料相比，Great Lakes H489 Lot 14Y36/15Y3 石墨具有稍硬的抗压性能。然而，与五大湖材料相比，ATJ（ATACMS）材料仍然具有更大的抗压刚度和强度。所有材料在4250,4500和5 000F处具有非常高的压应变。这些应变到故障，远远超过纯变形载荷环境中应变，是可能在的。

表 12.试验阵列 GREAT LAKES H489 批 14Y36/15Y3 石墨材料

热膨胀评估表明，这批 GL H489 材料相当于历史上的 GL H489 批次 52W52 材料。然而，ATJ材料的膨胀率仍然低于GL H489材料。

8. 调查结果摘要

对粘合剂、O形圈、点火器封口、石墨喉衬、喉部隔热层、出口锥体和喉部组件的喷管故障进行了全面的过程和检查审查。未发现异常。然而，石墨喉衬（GLC）的机械性能明显低于FSD中使用的石墨。样品取自制造的喉衬，测试证实了这种差异。

飞行失败的根本原因是石墨喉衬的压缩失效。已采取的纠正措施包括：（1）停止使用GLC喉衬，（2）当前发动机与UC发动机一起交付，（3）喉衬的100%X射线，（4）对UC和GLC发动机进行了弯曲和综合强度测量，以及（5）发动机返工计划正在进行中，将更换所有可疑的GLC石墨喉衬。

推进局在研发计划（1986-1988）的早期阶段没有进行独立分析。喷管故障后，推进局（RDEC）的任务是在喉衬中进行独立的应力和安全系数。RDEC的推进局认为，他们应该在项目早期就由主承包商及其分包商执行的工作。

与陆军TACMS计划相关的各种个人没有提供任何迹象表明在选择该规范之前进行了详细分析，以了解其对陆军TACMS计划的适用性。众所周知，石墨的性质差异很大，不仅在不同等级之间，而且在不同批次之间。在单个区块内的位置和方向之间可能会发现属性的其他变化。处理石墨的供应商规格表通常涉及其性能范围（拉伸强度、抗压强度、弯曲强度、弹性模量、热膨胀、导热系数、密度和电阻率）。MIS-29147仅涉及表观密度、比电阻、弯曲强度和灰分含量。它确实提供了一个建议的来源，即由 UC 制造的 ATJ 石墨。

对MICOM人员的采访表明，从UC ATJ石墨喉衬到GLC喉衬的转换是为了节省每个发动机14.75美元。此外，还指出，在GLC 489被用于生产发动机之前，没有对其进行发动机表面测试。ARC 的任何静态测试都是在 固体火箭发动机（SRM）的 FCA 和 PCA 之后进行的。

许多人证实，SRM喷管始终是导弹最关键的部件之一。例如，1988 年 10 月 12 日在 Redstone Arsenal 对 陆军 TACMS SRM 进行了环境温度静态测试。完成静态测试后对发动机出口锥体的检查显示，出口锥壁上有热气体燃烧。调查得出的结论是，出口锥性能下降的主要原因是随后进行的评估发生了变化，并改变了材料和工艺以纠正问题。

MIS-29147 是一种涵盖一种模制石墨的规范，该规范是为 Chaparral 导弹计划开发的。

潘兴项目办公室前配置管理主管Charlie Borum先生对潘兴导弹系统与石墨使用有关的SRM喷管故障提供了有趣的见解。潘兴火箭发动机制造商决定改用更好等级的石墨。详细的热结构分析被认为是不必要的。潘兴经历了发动机烧毁。根本原因调查结果显示，问题在于较新/改进的石墨的弹性模量发生变化，导致屈曲，为烧穿提供了空间。

经过政府和承包商的广泛分析和测试，MIS-40130，导弹司令部规格材料规格石墨，等静压成型于1993年4月27日被接受用于陆军TACMS计划飞弹。除了调整技术要求外，MIS-40130还消除了旧规范中发现的管理漏洞。例如，合格产品的制造方法或工艺、制造来源或制造或加工设施搬迁的任何重大变化均应要求作为新产品进行认证。此外，还修改了识别和标记、块序列化和工艺等测试程序和管理程序，以消除故障调查中发现的问题。MIS-40130 的副本作为附录 C 附上。

9. 结论

陆军TACMS飞行喷管故障有两个主要原因。主要原因是：

1.MIS-29147 是为 Chaparral Missile 系统编写的一份写得很差的规范，从技术上讲，该规范是不完整的，因为它主要涉及弯曲强度。显然，没有人参与规范编写过程，也不了解石墨的复杂性，也没有人了解陆军TACMSSRM的特性。例如，MIS-29147中建议的石墨来源是UC ATJ石墨。UC ATJ石墨的性能远远超出了规范要求。GLC Graphite H-489 的特性更接近规范的要求。然而，批次之间的可变性引发了安全边际问题。

2.承包商在改用另一种（更便宜的）石墨之前根本没有进行充分的分析RDEC的任务是对主承包商和分包商正在进行的工作进行独立评估，其中涉及关键部件/工艺，如石墨喉衬、粘合剂等。然而，本报告作者得出的结论是，他们参与该计划可能无法阻止1991年9月4日的飞行失败。做出这一声明的理由是：（1）RDEC负责编写MIS，并将根据规范的措辞向项目办公室提供支持，（2）GLC石墨符合规范并节省了成本，（3）只要石墨符合规范，图纸就不需要LTV提交工程变更提案（ECP）来更换石墨供应商，（4）RDEC对石墨的了解不多。

石墨的固有特性表明，验收测试需要来自石墨块内多个位置的多个样品。（MIS-29147 要求从一块板中测试三个样品，并且选择标准更多地集中在平均值而不是极端值上）。

众所周知，石墨的特性差异很大，不仅在不同等级之间，而且在不同批次之间，因此必须高度重视样品的测试和X射线检查。

应定期审查规范，以确定它们是否仍然适用于基于新技术突破、任务要求变化和新标准的纳入的特定计划。

MIS-40130，等静压成型石墨材料规范使石墨技术要求与陆军TACMS火箭发动机喷管的要求保持一致，实施了更全面的测试程序，以识别和消除边际石墨的使用，并堵住了更换供应商以节省几美元的管理漏洞。后者是通过要求制造方法、制造来源或制造或加工设施搬迁的任何变化作为新产品来实现的。

10. 经验教训

(1)在处理关键部件/材料时，承包商不应在完成设计阶段后，未经责任工程师进行审查而武断地更换新材料，即使现有规范的编写方式允许替代。有限元分析和材料测试是验证材料要求的必要条件。

在FSD期间，应确定规范的充分性（即确保规范符合要求）。

(2)RDEC的任务是对主承包商和分包商正在执行的工作进行独立评估。应有高素质的技术人员参与监测、分析和观察承包商关于选择高度关键的导弹部件/材料的测试/决定。但是，如果他们要执行此功能，则必须响应 ProjectOffice 计划。
（3）涉及高度关键的零件/工艺（如石墨喉衬）的官方图纸，应进行来源控制，或者要求规范重新认证为新产品，主要是由于制造、制造来源、制造场地或加工设施的搬迁等的变化。政府应要求主承包商进行非常详细的分析，以证明变更的合理性，高素质的技术人员应进行独立分析。在选择关键制造工艺组件时，少量成本节约绝不能成为压倒一切的因素。
（4）配置管理必须通过供应商序列化或至少提供物料批次可追溯性，或至少提供物料批次控制和批次可追溯性。
（5）石墨是一种复杂的材料。新的/不同的规格是每个武器系统应用所必需的。

附录省略