CN103604905A - 一种凝胶推进剂燃烧燃速测试方法 - Google Patents

一种凝胶推进剂燃烧燃速测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种凝胶推进剂燃烧性能测试方法，该方法由以下步骤完成：直接取制备好的凝胶推进剂作为被测试样，将试样注入内径8mm～10mm的一端封口的薄壁直塑料管中制成待测药管，将待测药管固定在燃烧室药架上，在未封口的一端上放置点火药，用镍铬丝固定，并用包覆剂进行端面包覆；将绑好待测药管的燃烧室药架放入水下声发射燃速仪中测试燃烧速度，计算平均燃速、燃速压强指数和燃速温度敏感系数。该方法简单易操作，测试周期短，可快速、准确地测试凝胶推进剂的燃烧性能。

Description

一种凝胶推进剂燃烧燃速测试方法
技术领域
本发明涉及一种凝胶推进剂燃烧燃速测试方法。
背景技术
推进剂的燃烧速度是指单位时间内沿固体推进剂表面的法线方向上固相消失的距离，简称固体推进剂的燃速。它决定着固体推进剂能量的释放速度，也是计算固体推进剂其它燃烧性能（燃速压强指数、燃速温度敏感系数、侵蚀比等）的核心参量。无论燃烧时压强、初温、气流速度等影响因素的变化，最终都将反映在燃速的变化上。此外，它还直接影响火箭发动机的弹道性能、飞行速度和工作稳定性等。因此，固体推进剂的燃速是武器所要求的重要性能参数之一，研究燃速及燃速受影响因素的变化规律，可以为固体火箭发动机和装药设计者提供重要的设计参数。
凝胶推进剂是由固体推进剂演变而成的一种新型化学推进剂，它是以少量凝胶剂或增稠剂，将约为其用量3～1000倍（质量分数）液体粘合剂组分（氧化剂或燃烧剂或二者的混合物）凝胶化，液体粘合剂组分可占总重量分数20%～50%，它是将大量的常规固体推进剂组分均匀地悬浮于体系中形成一种非液非固、可逆的、触变的、牛顿假塑性流体，可直接灌装发动机或贮箱内不需要固化，凝胶推进剂同时拥有液体推进剂和固体推进剂的优良性能，是一种高性能推进剂，与液体推进剂相比凝胶推进剂不但降低了燃烧泄露的风险，还可以控制其流量，与固体推进剂相比，凝胶推进剂的撞击、摩擦和静电火花感度都较好，不存在裂纹问题。从性质上看，凝胶推进剂有较高的质量比冲和密度比冲，因此，凝胶推进剂作为新型特种推进剂，在军事领域和民用航天领域具有广泛的应用前景，是目前研究的热点。
目前凝胶推进剂燃烧性能测试工作主要在发动机或缩比发动机上进行，该方法虽然可以更加客观地反应凝胶推进剂实际工作中的一些性能参数，但存在测试周期长、原材料消耗大、试验成本高等弊端，并不适用于基础研究工作，在凝胶推进剂配方研究初期，需要通过燃烧性能对某个配方组分进行初步筛选，需要一种快速有效的凝胶推进剂燃烧性能测试方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种高效、快速的凝胶推进剂燃速测试方法，该方法可以解决传统的凝胶推进剂燃速测试方法中存在的测试周期长、操作步骤繁琐、测试需要大量样品的问题。
本发明实现过程如下：
一种凝胶推进剂燃烧性能的测试方法，包括以下步骤：
（1）直接取制备的凝胶推进剂作为被测试样；
（2）将试样注入内径8mm～10mm的一端封口的薄壁直塑料管中，用真空泵设备对塑料管进行抽真空处理，制成待测药管；
（3）进行燃速温度敏感系数测试时，将被测药管放入高低温箱内静置30分钟后测试；
（4）将待测药管固定在燃烧室药架上，在未封口的一端上方放置Ф5×2mm或5×5×2mm的固体推进剂作为点火药，绑直径0.3mm镍铬丝固定，并用包覆剂进行端面包覆；
（5）将绑好待测药管的燃烧室药架放入水下声发射燃速仪的燃烧室中，调整水面高低，设定初始温度和压强，启动点火按钮进行燃速测试；
（6）记录测试结果，排气，排水，取出燃烧室药架并清洁；
（7）对于同一种样品，在每一固定温度、压强点下重复进行5次测试，利用格拉布斯Grubbs法剔除异常数据后取平均值作为单点燃速的最终测试结果；
（8）进行燃速压强指数测试时，初始温度不变，设定不同初始压强，重复上述（1）至（7）步骤，计算燃速压强指数；
（9）进行燃速温度敏感系数测试时，初始压强不变，设定不同初始温度，重复上述（1）至（7）步骤，计算燃速温度敏感系数。
上述步骤（1）中，采用在推进剂生产过程中或实验室中手工混合的凝胶推进剂作为样品。
上述步骤（2）中采用管壁厚度小于0.5mm，内径5mm的薄壁直塑料管，管的长度为50mm-200mm。将凝胶推进剂直接注入塑料管内，对于有些不易流动的凝胶推进剂样品，通过充压装置将其挤入塑料管内，凝胶推进剂注入塑料管后用真空泵设备对塑料管内部进行抽真空处理，排出气泡。最终处理后的凝胶推进剂上表面与塑料管相平，确保高度与塑料管长度一致，采用塑料管的长度作为测试过程中试样的有效长度参与燃速计算。
上述步骤（4）中，采用Ф5×2mm或5×5×2mm大小的双基或复合类固体推进剂作为点火药。作为点火药的固体推进剂的高度不计入燃速测试的有效长度。采用直径为0.3mm的镍铬丝作为点火丝，它两端固定在燃烧室药架的铜柱上，中间与点火药块紧密接触。选用醋酸纤维和丙酮混合后调成的糊状物作为包覆剂，起端面包覆的作用，对于在水下不易被点燃的试样可以采用黑火药、双基火药和丙酮混合后调成的糊状物作为包覆剂。
上述步骤（5）中，采用符合国家军用标准《GJB 770B-2005 方法706.2 燃速 水下声发射法》要求的水下声发射法燃速测试仪器。
本发明采用规定圆柱直径下的线性燃速表示法表示凝胶推进剂的燃烧速度大小。
本发明具有以下有益效果：（1）本发明直接采用凝胶推进剂进行燃速及燃速压强指数、燃速温度敏感系数测试，几乎可达到“在线测试”的程度，极大程度地缩短了推进剂燃烧性能的研制、生成周期，尤其适用于凝胶推进剂配方的基础研究阶段。（2）与传统的凝胶推进剂燃烧性能测试方法相比，本发明只需少量被测试样就能完成测试，有效地避免了在推进剂试样制备工艺中对最小投料量的限制，适用于对还不能进行大规模生产的新型高能量密度材料燃烧性能的测试；（3）本发明使用水下声发射燃速测试方法，在所有的水下声发射燃速测试装置中均可实现，在测试过程中参照相关的国家军用标准执行。装药容器选用普通硬质塑料管，测试前期的准备工作也相对简捷、方便，易于在行业中得到推广。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
将内径为10mm的薄壁直塑料管精确地截取至100mm长度，并用胶布将其一端封闭，然后将凝胶推进剂注入其中，进行抽真空处理，制成待测药管。将待测药管固定在燃烧室药架上，在未封口的一端上放置Ф5×2mm或5×5×2mm的固体推进剂作为点火药，用直径0.3mm镍铬丝固定，使点火丝与点火药紧密接触。进行燃速温度敏感系数测试时，将被测药管放入高低温箱内静置30分钟后方可测试。用包覆剂进行端面包覆，完全封闭点火丝与点火药的接触面；将绑好待测药管的燃烧室药架放入水下声发射燃速仪的燃烧室中，调整水面（温度小于0℃时用CaCl2溶液）高低，设定初始温度和压强，待燃烧室内压强和液体温度都满足要求后，启动点火按钮进行燃速测试。测试完毕后，读取燃烧时间和测试压力，记录测试结果，排气，排水，取出燃烧室药架并清洁，完成本次测试。
单点燃速测试是在规定条件下，依次重复测试，以每组5个有效测定值（若有可疑数据，经舍弃后，不得少于4个测定值），按照如下的方法得出测试结果：
单个试验燃速计算：                                                
Figure 444897DEST_PATH_IMAGE001
                             （1）
m个试样的平均燃速计算：                   （2）
燃速的标准偏差计算：
Figure 905889DEST_PATH_IMAGE003
              （3）
燃速的相对标准偏差（变异系数）计算：       （4）
燃速置信区间计算：
Figure 891303DEST_PATH_IMAGE005
                        （5）
以上式中：
Figure 713766DEST_PATH_IMAGE006
—第i个试样的燃速的数值，单位为毫米每秒（mm/s）；
Figure 980799DEST_PATH_IMAGE007
—第i个试样有效长度的数值，单位为毫米（mm）；
Figure 412655DEST_PATH_IMAGE008
—燃尽第i个试样长度
Figure 81534DEST_PATH_IMAGE007
所需的时间的数值，单位为秒（s）;
Figure 573433DEST_PATH_IMAGE009
—平均燃速的数值，单位为毫米每秒（mm/s）；
Figure 327762DEST_PATH_IMAGE010
—恒定压强、温度下的试样燃速的标准偏差的数值，单位为毫米每秒（mm/s）；
Figure 64774DEST_PATH_IMAGE011
—燃速的标准偏差；
Figure 588160DEST_PATH_IMAGE012
—燃速的数值，单位为毫米每秒（mm/s）；
Figure 250960DEST_PATH_IMAGE013
—0.05，危险率；
Figure 492585DEST_PATH_IMAGE014
—
Figure 767709DEST_PATH_IMAGE015
检验法的值，详见下表。
Figure 510460DEST_PATH_IMAGE016
对于同一种样品，在每一固定温度、压强点下应该重复进行5次测试，利用格拉布斯（Grubbs）法剔除异常数据后取平均值作为单点燃速的最终测试结果。
在一定温度下测试各个压强下的燃速值，按照下式计算燃速压强指数（采用维耶里经验方程计算）：
                                              （6）
Figure 94030DEST_PATH_IMAGE018
                          （7）
Figure 592007DEST_PATH_IMAGE019
                             （8）
以上式中：
Figure 363654DEST_PATH_IMAGE020
—常数项的数值，单位为（mm/[s·(MPa)n]）;
Figure 281669DEST_PATH_IMAGE021
—试验压强的数值，单位为兆帕（MPa）；
—第i个试样的试验压强的数值，单位为兆帕（MPa）。
在一定压强下测试各个所需温度下的燃速值，与燃速压强指数的计算方法类似，可按照下式计算燃速温度敏感系数：
Figure 516658DEST_PATH_IMAGE023
                                       （9）
Figure 223321DEST_PATH_IMAGE024
                         （10）
Figure 661256DEST_PATH_IMAGE025
                        （11）
以上式中：
—常数项，单位为毫米每秒（mm/s）；
Figure 189650DEST_PATH_IMAGE027
—燃速温度敏感系数，单位为每摄氏度（1/℃）；
Figure 303100DEST_PATH_IMAGE028
—试验温度的数值，单位为摄氏度（℃）；
—参考温度的数值，单位为摄氏度（℃）；
Figure 685595DEST_PATH_IMAGE030
—i点试验温度的数值，单位为摄氏度（℃）。
实施例1
对某配方纳米铝粉凝胶推进剂在室温条件，7MPa下测得燃速数值如下：
Figure 747091DEST_PATH_IMAGE031
经格拉布斯法取舍后得出4个有效数据，由式（2）计算得平均燃烧速度12.559mm/s，由式（3）计算得标准偏差Su=0.0864，由式（4）计算得相对标准偏差（变异系数）Cv=0.69%，由式（5）得该压强下的燃烧速度可表示为12.559±0.137mm/s。
实施例2
对某种手工混合制备的凝胶推进剂，在室温条件下测试初始压强分别为4MPa，7MPa，10MPa，13MPa的燃烧速度，由式（2）计算得平均燃烧速度，具体数值如下表所示：
Figure 31442DEST_PATH_IMAGE032
将表中的数值代入式（7），计算得燃速压强指数为0.560，代入式（8）计算得常数项为3.621。按照式（6），该配方凝胶推进剂在4～13MPa范围内的燃速—压强关系可表示为U=3.621P0.560。
实施例3
对某种高能凝胶推进剂，初始压强恒定为7MPa，测试试样初始温度分别为－40℃,20℃和50℃的燃烧速度，由式（2）计算得平均燃烧速度，具体数值如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
将表中的数值代入式（10），计算得压强为7MPa时该凝胶推进剂的燃速温度敏感系数为9.551×10-4/℃。参考温度T 0取为20℃，代入式（8）计算得对应的常数项为1.289。按照式（9），该配方凝胶推进剂在7MPa下，参考温度T 0为20℃时的燃速—初始温度关系可表示为u=1.289e0.000955(T-20)。

Claims (10)

1.一种凝胶推进剂燃烧性能的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）直接取制备的凝胶推进剂作为被测试样；
（2）将试样注入内径8mm～10mm的一端封口的薄壁直塑料管中，用真空泵设备对塑料管进行抽真空处理，制成待测药管；
（3）进行燃速温度敏感系数测试时，将被测药管放入高低温箱内静置30分钟后测试；
（4）将待测药管固定在燃烧室药架上，在未封口的一端上方放置Ф5×2mm或5×5×2mm的固体推进剂作为点火药，绑直径0.3mm镍铬丝固定，并用包覆剂进行端面包覆；
（5）将绑好待测药管的燃烧室药架放入水下声发射燃速仪的燃烧室中，调整水面高低，设定初始温度和压强，启动点火按钮进行燃速测试；
（6）记录测试结果，排气，排水，取出燃烧室药架并清洁；
（7）对于同一种样品，在每一固定温度、压强点下重复进行5次测试，利用格拉布斯Grubbs法剔除异常数据后取平均值作为单点燃速的最终测试结果；
（8）进行燃速压强指数测试时，初始温度不变，设定不同初始压强，重复上述（1）至（7）步骤，计算燃速压强指数；
（9）进行燃速温度敏感系数测试时，初始压强不变，设定不同初始温度，重复上述（1）至（7）步骤，计算燃速温度敏感系数。
2.根据权利要求1所述的凝胶推进剂燃烧性能测试方法，其特征在于：步骤（1）中，采用在推进剂生产过程中或实验室中手工混合的凝胶推进剂作为样品。
3.根据权利要求1所述的凝胶推进剂燃烧性能测试方法，其特征在于：步骤（2）中采用管壁厚度小于0.5mm，内径5mm的薄壁直塑料管，管的长度为50mm-200mm。
4.根据权利要求1所述的凝胶推进剂燃烧性能测试方法，其特征在于：步骤（2）中，将凝胶推进剂直接注入塑料管内，对于有些不易流动的凝胶推进剂样品，通过充压装置将其挤入塑料管内，凝胶推进剂注入塑料管后用真空泵设备对塑料管内部进行抽真空处理，排出气泡。
5.根据权利要求1所述的凝胶推进剂燃烧性能测试方法，其特征在于：步骤（2）中，最终处理后的凝胶推进剂上表面与塑料管相平，确保高度与塑料管长度一致，采用塑料管的长度作为测试过程中试样的有效长度参与燃速计算。
6.根据权利要求1所述的凝胶推进剂燃烧性能测试方法，其特征在于：步骤（4）中，采用Ф5×2mm或5×5×2mm大小的双基或复合类固体推进剂作为点火药。
7.根据权利要求1所述的凝胶推进剂燃烧性能测试方法，其特征在于：步骤（4）中，作为点火药的固体推进剂的高度不计入燃速测试的有效长度。
8.根据权利要求1所述的凝胶推进剂燃烧性能测试方法，其特征在于：步骤（4）中，采用直径为0.3mm的镍铬丝作为点火丝，它两端固定在燃烧室药架的铜柱上，中间与点火药块紧密接触。
9.根据权利要求1所述的凝胶推进剂燃烧性能测试方法，其特征在于：步骤（4）中，选用醋酸纤维和丙酮混合后调成的糊状物作为包覆剂，起端面包覆的作用，对于在水下不易被点燃的试样采用黑火药、双基火药和丙酮混合后调成的糊状物作为包覆剂。
10.根据权利要求1所述的凝胶推进剂燃烧性能测试方法，其特征在于：步骤（5）中，采用符合国家军用标准《GJB 770B-2005 方法706.2 燃速 水下声发射法》要求的水下声发射法燃速测试仪器。
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