CN103091364A - 一种火工药剂高温环境适应性试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火工药剂高温环境适应性试验方法，该方法采用新型火工药剂性能随温度变化测试方法、火焰感度试验法以及压力—时间（P-t）曲线试验法对火工药剂经历预示高温环境前后的物理、化学、爆炸状态进行试验并对试验结果进行对比分析，依此综合分析火工药剂的高温环境适应性，对火工药剂高温环境适应性分析更加全面、准确，适应于各类火工药剂高温环境适应性分析。本发明不仅可以对火工药剂经历任何预示高温环境的物理性能、化学性能及爆炸性能变化进行有效分析，还可以间接分析火工装置在预示高温环境条件下的适应性，具有很好的通用性和指导性。

Description

一种火工药剂高温环境适应性试验方法

技术领域

本发明涉及一种火工药剂高温环境适应性试验方法，通过试验的方法获得火箭、导弹、飞船、卫星等飞行器中火工装置的火工药剂在某一高温环境条件下的适应能力，包括物理性能、化学性能、爆炸性能，属于火工品技术领域。

背景技术

火工药剂是火工装置专用的特种含能材料，它的作用是接受火工装置换能元件给出的微弱刺激能量，发生快速化学反应，释放燃烧、爆燃或爆炸能量，使火工装置实现解锁、分离、展开、驱动、切割等预定功能。火工药剂是一类性能极为特殊的含能材料，对比其他种类的含能材料，火工药剂不仅是炸药序列中最为敏感的含能材料，还具有独特的爆炸、燃烧特征，火工药剂高温环境适应性是指火工药剂在某一个预示高温环境条件下适应能力。

过去，火工装置经历高温环境不超出40℃，其内部火工药剂的环境温度要求也仅局限于40℃范围内。随着深空探测技术的迅速发展，一些飞行器开始面临预示高于100℃的高温环境，甚至更为恶劣，为此，飞行器系统对火工装置提出了更高的热环境温度要求，这实质上是对火工药剂的高温环境适应性提出了更高要求。随着高温环境的加严，火工药剂独特的爆炸、燃烧特征显得倍受关注，一方面超出了现有高温环境验证试验有关标准的适应范围，另一方面为试验人员测试分析火工药剂高温环境适应性增加了危险性，因此，如何安全、简单、有效地分析各类火工药剂在高于100℃的高温环境适应性，成为了一项技术难点。

对于现有分析方法，主要通过采用GJB737.1-89《火工品药剂试验方法真空安定性试验压力传感器法》对火工药剂在经历范围为100℃~150℃高温环境后的安定性变化进行分析，其控温时间为48小时，合格判据是热分解产气量不大于2ml。该方法仅能从热分解反应角度分析火工药剂化学性能的高温环境适应能力，尚不能对火工药剂的物理性能、爆炸性能进行高温环境适应性分析。对于火箭、导弹、飞船、卫星等飞行器中火工装置而言，不仅需要分析火工药剂化学性能的高温环境适应性，也需要分析火工药剂物理性能和爆炸性能的高温环境适应性，为此，需要发明一种火工药剂高温环境适应性试验方法，使得能够从火工药剂物理性能、化学性能、爆炸性能三个角度出发，全面分析火工药剂对某一个预示高温环境的适应能力。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种火工药剂高温环境适应性试验方法，该方法能够对火工药剂高温环境适应性进行全面、准确分析，通用性强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种火工药剂高温环境适应性试验方法，步骤如下：

（A）对同批次火工药剂进行取样、分装；

（B）采用火工药剂性能随温度变化测试方法对火工药剂的物理性能和化学性能在预示高温环境下的适应性进行试验，具体方法如下：

（a）将由盖子、坩埚、加热块和热电偶组成的差示扫描量热仪放置在密闭环境内，称取0.5mg火工药剂试样和等量参比物轻放于敞开的坩埚中；

（b）打开差示扫描量热仪，设定火工药剂试样的加热起始温度和加热终止温度，加热块从加热起始温度以5℃/min的变温速率给火工药剂试样和参比物进行升温直至升温至加热终止温度；

（c）利用热电偶测试火工药剂试样和参比物的温度并显示在差示扫描量热仪的控制终端上，然后根据差示扫描量热仪控制终端上的显示温度，每隔10℃利用高清数码相机对火工药剂试样进行拍摄一次，并按顺序记录每张照片所对应的温度；

（d）利用高清数码相机连续拍摄的照片对比分析火工药剂试样颜色、体积、颗粒大小等物理性能随温度的变化情况，同时利用差示扫描量热仪测试的热分解曲线分析火工药剂试样化学性能随温度的变化情况；

（e）得到火工药剂在预示高温环境下的物理性能和化学性能试验结果；

（C）利用火焰感度试验导火索法测定压实状态火工药剂试样在常温临界点火距离的火焰感度和预示高温临界点火距离的火焰感度，将常温和预示高温条件下临界点火距离的火焰感度数据进行线性化处理，得到火焰感度变化百分比；

（D）利用点火压力－时间曲线测定法测定常温和预示高温条件下压实状态火工药剂试样的压力—时间曲线，将常温和预示高温条件下临界点火距离的压力—时间曲线进行线性化处理得到压力峰值平均值变化百分比；

（E）根据步骤（C）得到的火焰感度变化百分比和步骤（D）得到的压力峰值平均值变化百分比测定火工药剂爆炸性能在预示高温环境下的适应性。

本发明与现有技术相比的有益效果：与传统的单一方法相比，该新方法采用新型火工药剂性能随温度变化测试方法、火焰感度试验法以及压力—时间（P-t）曲线试验法对火工药剂经历预示高温环境前后的物理、化学、爆炸状态试验并对试验结果进行对比分析，依此综合分析火工药剂的高温环境适应性，对火工药剂高温环境适应性分析更加全面、准确，适应于各类火工药剂高温环境适应性分析。本发明不仅可以对火工药剂经历任何预示高温环境的物理性能、化学性能及爆炸性能变化进行有效分析，还可以间接分析火工装置在预示高温环境条件下的适应性，具有很好的通用性和指导性。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为火工药剂性能随温度变化测试方法的实现原理图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明做进一步说明。

在采用本发明的试验方法进行试验之前，先采用故障模式影响分析（FMEA）方法初步分析火工药剂在预示高温环境下的失效模式，并根据分析结果重点找出对火工药剂有显著影响、且有可能导致火工装置失效或生存能力下降的影响因素，形成故障树，从理论上分析影响火工药剂在预示高温环境下适应能力的主要因素，并为试验分析提供了理论指导。

（A）试验前，对同批次火工药剂进行取样、分装，包括松散药剂、模拟火工装置内部压实装药的取样与分装。

（B）采用火工药剂性能随温度变化测试方法对火工药剂的物理性能和化学性能在预示高温环境下的适应性进行试验。该方法主要采用高清数码相机和差示扫描量热仪相结合的方法测试并分析火工药剂的物理性能和化学性能随温度变化情况。如图2所示,其实现过程如下：

(a)试验前，将差示扫描量热仪的盖子1敞开，并将装有火工药剂试样和参比物的两个坩埚4均敞开，称取0.5mg火工药剂试样2和等量参比物3轻放于敞开的坩埚4中，既可以使火工药剂试样处于被高清数码相机监测状态，也可以保证火工药剂试样和参比物处于相同的热环境，不影响DSC仪器准确测试火工药剂的起始分解温度和起始分解时间、最大分解温度和峰温时间等热力学参数;

(b)然后将DSC仪器放置在密闭空间环境内，保持无通风状态，保证火工药剂试样及参比物的热环境严格按照DSC设备仪器预先设定的升温速率升温或降温速度降温，设定火工药剂试样的起始加热温度和结束加热温度，设定火工药剂试样经历的最高温度要比药剂的爆发点至少低30℃，最低温度不限，保证火工药剂性能随温度变化连续测试实验人员的安全。

(c)试验时，将DSC仪器的加热速率或降温速率设定为5℃/min，加热块5按照预先设定的变温速率5℃/min从起始温度给火工药剂试样2和参比物3加热或降温，既便于火工药剂试样均匀受热，又给高清数码相机操作人员预留足够拍照时间，热电偶6测试火工药剂试样2和参比物3的温度并反馈显示在DSC仪器的终端显示界面上；火工药剂试样应分为松散、压实两种状态进行实验，通过测试松散火工药剂试样反应药剂本身性能随温度变化情况，通过测试模拟火工装置中压实状态的火工药剂反应火工装置随温度变化情况。对于松散状态，火工药剂试样的最佳重量为0.5mg，试验过程中，火工药剂在松散状态条件下，在110℃前颜色变化还不明显，到110℃时开始颜色变浅，到160℃时可明显观测到小部分药剂变成棕黄色，到180℃时大部分药剂变成棕黄色，到200℃时基本全部变成棕黄色，由此可观测出该火工药剂松散状态下随温度升高颜色、颗粒大小等物理性能变化情况。对于压实状态，火工药剂的装药方法及药量应根据火工装置的实际情况而定，一来可以准确测试火工药剂物理、化学性能随温度变化情况，二来可以准确模拟测试火工装置的火工装药物理、化学性能随温度变化情况，火工药剂在压实状态下，在110℃高温前颜色未变，到110℃时开始出现颜色变化，到160℃时可明显观测到压实药剂表面颜色变成浅棕黄色，到180℃时变成深棕黄色，并发生体积膨胀、出现明显鼓包、裂纹的现象，由此可观测出该火工药剂压实状态下的颜色、装药密度、表观形貌等物理性能变化情况，可间接反应火工装置内部装药随温度变化情况。

(d)通过DSC仪器的终端显示界面监控火工药剂试样的温度状态，并采用每隔10℃通过高清数码相机7拍摄一次火工药剂试样的照片，并按顺序记录照片所对应的温度状态，保证连续拍摄的照片与拍摄时温度一一对应，拍摄照片时，应使高清数码相机7精准对焦于火工药剂试样2，并保持相机的位置、焦距等拍摄状态不变，保证拍摄的照片具有可对比性。

(e)最后，通过DSC仪器测试的热分解曲线分析火工药剂的化学性能变化情况，通过高清数码相机连续拍摄的照片对比分析火工药剂的颜色、体积、颗粒大小等物理性能变化情况，从物理、化学两个角度综合评定火工药剂性能随温度变化情况。

C）利用火焰感度试验导火索法测定压实状态火工药剂试样在常温临界点火距离的火焰感度和预示高温临界点火距离的火焰感度，将常温和预示高温条件下临界点火距离的火焰感度数据进行线性化处理，得到火焰感度变化百分比；

其方法原理是在火焰感度仪中将导火索的燃烧火焰作用于火工药剂试样上，测定使试50%发火时的火焰喷射距离，以此表征试样的火焰感度。通过该方法分别测定常温条件、经历预示环境温度条件后试验的火焰感度，并进行数据对比处理，以变化百分比表征发火敏感性变化程度，并以变化百分比不大于5%作为火工药剂发火安定性合格判据；

测定的压实药剂分为A组合B组：A组（31发）压实药剂在常温下进行火焰感度试验，得到一个数值a；B组(31发)压实药剂经历预示温度环境后（如高温100℃储存2天后），再对压实药剂进行火焰感度试验，得到一个数值b。最后将a和b比较，得到一个变化百分比，试验结果如表1所示：

表1装有某火工药剂的压力药筒火焰感度试验结果

（D）利用点火压力－时间曲线测定法测定常温和预示高温条件下压实状态火工药剂试样的压力—时间曲线，将常温和预示高温条件下临界点火距离的压力—时间曲线进行线性化处理得到压力峰值平均值变化百分比；

点火压力－时间曲线测定测试模拟火工装置内部压实装药试样的压力—时间（p-t）曲线，其方法原理是对装在测压容器内的火工药剂试样施加规定的激发能量，模拟火工装置发火后产生的气体压力作用在压力传感器上，使其输出一个和压力变化相对应的电信号，经放大器放大信号后，由记录系统处理并给出p-t曲线。通过该方法测试并记录经历常温和预示高温条件各10个试样的压力峰值，将常温和预示高温环境两种环境温度条件下的压力峰值平均值进行比对处理，以变化百分比表征爆炸威力变化程度，并以变化百分比不大于5%作为火工药剂爆炸威力安定性合格判据。

测定的压实药剂分为A组合B组：A组（10发）压实药剂在常温下进行压力试验，得到一组数值（10个）并求平均值a；B组（10发）压实药剂经历预示温度环境后（如高温100℃储存2天后），再对压实药剂进行压力试验，得到一组数值（10个）并求平均值b。最后将a和b比较，得到一个压力变化百分比，试验结果如表2所示：

表2模拟组件温循前后P-t试验数据统计分析

（E）根据火工药剂经历预示高温环境过程的颜色、体积、颗粒大小变化情况分析物理性能高温环境适应性；根据火工药剂经历预示高温环境过程的热力学参数（起始分解温度、最大分解温度和峰温时间）分析火工药剂的化学性能高温环境适应性；根据模拟火工装置内部压实装药试样经历常温和预示高温环境的火焰感感度变化百分比、压力峰值变化百分比分析火工药剂爆炸性能高温环境适应性；同时参照火工药剂失效模式与性能影响因素的理论分析结果，对物理性能适应性、化学性能适应性和爆炸性能适应性试验结果进行对比分析，得出火工药剂在高温环境条件下能否适应的试验结论。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种火工药剂高温环境适应性试验方法，其特征在于步骤如下：

（A）对同批次火工药剂进行取样、分装；

（B）采用火工药剂性能随温度变化测试方法对火工药剂的物理性能和化学性能在预示高温环境下的适应性进行试验，具体方法如下：

（a）将由盖子（1）、坩埚（4）、加热块（5）和热电偶（6）组成的差示扫描量热仪放置在密闭环境内，称取0.5mg火工药剂试样（2）和等量参比物（3）轻放于敞开的坩埚（4）中；

（b）打开差示扫描量热仪，设定火工药剂试样（2）的加热起始温度和加热终止温度，加热块（5）从加热起始温度以5℃/min的变温速率给火工药剂试样（2）和参比物（3）进行升温直至升温至加热终止温度；

（c）利用热电偶（6）测试火工药剂试样（2）和参比物（3）的温度并显示在差示扫描量热仪的控制终端上，然后根据差示扫描量热仪控制终端上的显示温度，每隔10℃利用高清数码相机（7）对火工药剂试样（2）进行拍摄一次，并按顺序记录每张照片所对应的温度；

（d）利用高清数码相机（7）连续拍摄的照片对比分析火工药剂试样（2）颜色、体积、颗粒大小等物理性能随温度的变化情况，同时利用差示扫描量热仪测试的热分解曲线分析火工药剂试样（2）化学性能随温度的变化情况；

（e）得到火工药剂在预示高温环境下的物理性能和化学性能试验结果；

（C）利用火焰感度试验导火索法测定压实状态火工药剂试样在常温临界点火距离的火焰感度和预示高温临界点火距离的火焰感度，将常温和预示高温条件下临界点火距离的火焰感度数据进行线性化处理，得到火焰感度变化百分比；

（D）利用点火压力－时间曲线测定法测定常温和预示高温条件下压实状态火工药剂试样的压力—时间曲线，将常温和预示高温条件下压实状态火工药剂试样的压力—时间曲线进行线性化处理得到压力峰值平均值变化百分比；

（E）根据步骤（C）得到的火焰感度变化百分比和步骤（D）得到的压力峰值平均值变化百分比测定火工药剂爆炸性能在预示高温环境下的适应性。

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