CN104820083B - 一种大尺寸nepe推进剂装药贮存寿命的预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸NEPE推进剂装药贮存寿命的预估方法。本发明公开的大尺寸NEPE推进剂贮存寿命的预估方法步骤如下：步骤一，开展恒定压力载荷单温度加速试验，包括制作恒定压力载荷下NEPE推进剂加速老化试件和开展单温度应力水平温度加速寿命试验；步骤二，研究NEPE推进剂装药老化过程性能变化规律；步骤三，确定NEPE推进剂装药失效模式；步骤四，开展不同温度不同压力的加速寿命试验，预估NEPE推进剂装药贮存寿命。该方法通过加载压力，模拟大尺寸NEPE推进剂贮存时承受的自重，提出了一种温度‑压力双应力作用下获得NEPE推进剂性能变化规律，并以最大抗拉强度为失效参量，评定NEPE推进剂贮存寿命的方法。

Description

一种大尺寸NEPE推进剂装药贮存寿命的预估方法

技术领域

本发明属于火炸药技术领域，主要涉及大尺寸NEPE推进剂装药贮存寿命的预估方法，尤其涉及恒定加载压力条件下，采用不同温度应力水平的加速寿命试验方法，以最大抗拉强度为失效参量评定NEPE推进剂的贮存寿命。

背景技术

硝酸酯增塑的聚醚推进剂(NEPE推进剂)是美国于上世纪70年代末、80年代初发展起来的新一代固体推进剂，这种推进剂综合了双基推进剂和复合推进剂的优点，是目前能量性能和力学性能优异的新型推进剂，代表着高能固体推进剂的发展方向。NEPE推进剂作为一种以高聚物粘合剂为弹性基体、参杂有氧化剂和金属燃料等组分的复合材料，在长贮过程中会发生缓慢的物理、化学变化，导致能量、力学、燃烧等性能发生变化，影响固体火箭发动机的安全性、可靠性及贮存寿命。目前，战略导弹使用的NEPE推进剂多为大尺寸装药，直径甚至达到1.4m，重量超过1×10³kg，位于底部的装药承受极大的压力，这种自重载荷会导致装药力学性能下降、药柱破裂，同时使分解产生的气体不易逸出，自催化分解加剧，严重影响大尺寸NEPE推进剂的安全使用和贮存寿命。与此同时，双基推进剂采用安定剂含量降至50％作为安全贮存寿命终点，复合推进剂以力学性能失效为关键参量，已分别建立了加速寿命试验方法，而NEPE推进剂的加速寿命试验目前只进行了单温度应力的寿命预估研究，未考虑自重产生的诱发压力对NEPE推进剂贮存寿命的影响。因此，在大尺寸NEPE推进剂贮存过程中，在考虑自重载荷的情况下，建立NEPE推进剂寿命评估方法，为推进剂的设计、贮存和使用时的可靠性和安全性提供理论依据。

发明内容

大尺寸NEPE推进剂装药在长期贮存过程中，位于底部的装药承受极大的 压力，这部分装药在长贮过程中一方面高聚物缓慢降解，引起力学性能降低，另一方面自重载荷作用下使分解产生的气体不易逸出，自催化分解加剧，同时发生力学松弛，力学性能降低。针对大尺寸NEPE推进剂贮存过程中存在的问题，本发明提供一种可模拟大尺寸NEPE推进剂贮存时承受的自重载荷，以最大抗拉强度作为力学老化特征参量，评定装药质量超过300kg的大尺寸NEPE推进剂装药的贮存期限的方法。该方法根据力学性能老化变化的规律性，结合老化反应动力学规律，提出以最大抗拉强度为特征参量，采用不同温度加速试验的方法，评定大尺寸NEPE推进剂装药贮存寿命的方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种大尺寸NEPE推进剂装药贮存寿命的预估方法，其特征在于，

1.开展恒定压力载荷加速试验

①根据装药质量，制作恒定压力载荷下NEPE推进剂加速老化试验件

试验所用压力加载装置由3部分组成：支撑单元、压力加载单元、样品盒装置。

支撑单元由底座、垫块、支架、立柱、大固定螺母组成。立柱安装于底座上，用于支撑和固定压力加载单元的盖板；支架安装于底座中央，用于固定加载单元的加压柱。垫块位于样品盒底部，便于紧固卡安装。

压力加载单元由盖板、立柱孔、导向柱孔、导向柱、弹簧、加压柱组成。加压柱底面位于样品盒上方，导向柱底面位于加压柱上端面，标定好弹性系数的弹簧安装于导向柱上。盖板的立柱孔装配于立柱上，使盖板作用于弹簧上，同时导向柱安装于盖板导向柱孔内。

样品盒装置由样品盒、样品盒盖板、样品、样品盒底板、紧固卡、螺钉、小固定螺母、排气孔、螺钉孔组成。样品盒底板位于样品盒内底部，样品装在样品盒内，样品盒盖板位于样品盒内上部，样品盒侧面开有排气孔，便于装药老化释放气体，防止过渡累积导致自催化反应过于强烈而引发燃烧爆炸等安全事故。紧固卡分别位于样品盒上下，紧固卡两端分别有两个螺钉孔，用螺钉通过螺钉孔和小固定螺母进行螺接，用于紧固样品盒底板和样品盒盖板，使样品保持恒定压力。

NEPE推进剂制作成坯药或试片。样品盒底板置于样品盒底部，试样方坯药块或试片装入样品盒，盖上样品盒盖板。紧固卡配合螺钉、小固定螺母固定样品盒底板和样品盒盖板，作为预制试件。

将预制试件放在压力加载单元加压柱下端面，根据模拟载荷重量弹簧弹性系数计算绝对形变量，对样品盒盖板施加压力，以获得制定压力。压力通过弹簧及加压柱将压力传导给样品盒盖板，进而作用于推进剂试样，达到预定压力之后，停止加压，并通过紧固卡配合螺钉、小固定螺母紧固样品盒底板和样品盒盖板，制成试验件。

②单温度应力水平温度加速寿命试验

试验件放到50℃～85℃范围内一恒定温度的安全型恒温水浴试验箱中加速老化。按时间间隔取出试验件，自然冷至室温后，从压力加载装置取出带有紧固卡的样品盒，放于防静电塑料袋内密封保管。每个温度压力应力水平组合取样完成后，取出样品盒中的试样，进行相关性能测试。

2.研究NEPE推进剂装药性能变化规律

通过热加速老化试验，获得恒定压力单一温度条件下各种性能随温度的变化规律。

①能量性能：爆热随老化时间的变化规律

能量性能按照“GJB 772A-97方法701.1绝热法”测定爆热。

②静态力学性能：最大抗拉强度、最大伸长率随老化时间的变化规律

力学性能按照“GJB 770B-2005方法413.1最大抗拉强度、断裂强度、最大伸长率和断裂伸长率单向拉伸法”测量哑铃型老化试样的最大抗拉强度、最大 伸长率。

③燃烧性能：燃速随老化时间的变化规律

按照“GJB 770B-2005方法706.1靶线法”测定NEPE老化试样燃速。

④安定性:安定剂含量随老化时间的变化规律

按照“GJB 770B-2005方法210.1中定剂溴化法”测定NEPE老化试样的安定剂含量。

3.确定NEPE推进剂装药失效模式

对比温度-压力载荷作用下NEPE推进剂老化性能退化规律，力学性能最大抗拉强度、最大伸长率变化最为显著，是NEPE推进剂的主要失效模式。最大抗拉强度表现出明显的变化规律适合作为失效参量。

4.开展不同温度不同压力下的加速寿命试验，预估NEPE推进剂装药贮存寿命

l和k分别是温度和压力的加速应力水平数，温度第i个水平与压力j个水平的搭配为一组加速应力水平组合(i，j)，正常应力水平组合为(0，0)，温度和压力的应力水平组合共有l×k个，在l×k个水平组合下各安排一个寿命试验，或者仅对部分水平组合各安排一个寿命试验，但应不少于5组，选取方式为以下两个方案：

第一方案

第二方案

根据选定的温度-压力组合条件分别开展加速寿命试验。各组合条件按时间间隔取出试验件，自然冷至室温后，从压力加载装置取出带有紧固卡的样品盒，放于防静电塑料袋内密封保管。每个温度压力应力水平组合取样完成后，取出样品盒中的试样，进行最大抗拉强度测试，得到最大抗拉强度随时间的变化规律，从而获得最大抗拉强度下降到指定技术指标的时间，即为该推进剂在该应力水平组合下的安全贮存期L(T,P)。

采用温度-压力双因素寿命预估计算式(见公式1)。

ln L(T,P)＝lnA–n lnP+B/T (1)

式中：

L(T,P)——安全贮存期。

T——老化温度的数值，单位为(℃)。

P——自重引起的压强，单位为(MPa)。

A、B、n——系数。

将不同温度压力应力水平组合相应的安全贮存期L(T,P)代入公式(1)进行回归，求得回归方程，得到正常贮存条件下的贮存寿命。

本发明的大尺寸NEPE推进剂装药贮存寿命的预估方法，有益效果体现在以下几方面：

(1)针对大尺寸NEPE推进剂装药，提供了一种加载不同恒定压力下大尺 寸NEPE推进剂进行热加速老化的方法。

(2)提出了一种温度-压力双应力作用下获得NEPE推进剂装药失效参量和贮存寿命的方法。

(3)提出采用最大抗拉强度作为模拟NEPE推进剂自重载荷作用下热加速老化的失效参量，预估推进剂使用寿命。

附图说明

附图1压力加载装置示意图。

1-底座，2-垫块，3-支架，4-样品盒，5-立柱，6-加压柱，7-导向柱，8-弹簧，9-盖板，10-大固定螺母，11-紧固卡，12-样品盒盖板，13-样品，14-排气孔，15-样品盒底板。

附图2盖板示意图。

16-立柱孔，17-导向柱孔。

附图3样品盒装配示意图。

18-螺钉，19-小固定螺母。

附图4样品盒装配剖面示意图。

附图5样品盒底板示意图。

附图6样品盒盖板示意图。

附图7紧固卡示意图。

20-螺钉孔。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

1.开展恒定压力载荷加速试验

①模拟300kg装药量，制作NEPE推进剂加速老化试验件

压力加载装置示意图见图1，盖板示意图见图2，样品盒装配示意图见图3， 样品盒装配剖面示意图见图4，样品盒底板示意图见图5，样品盒盖板示意图见图6，紧固卡示意图见图7。

压力加载装置由3部分组成：支撑单元、压力加载单元、样品盒装置。

支撑单元由底座、垫块、支架、立柱、大固定螺母组成。立柱安装于底座上，用于支撑和固定压力加载单元的盖板；支架安装于底座中央，用于固定加载单元的加压柱。垫块位于样品盒底部，便于紧固卡安装。

压力加载单元由盖板、立柱孔、导向柱孔、导向柱、弹簧、加压柱组成。加压柱底面位于样品盒上方，导向柱底面位于加压柱上端面，标定好弹性系数的弹簧安装于导向柱上。盖板的立柱孔装配于立柱上，使盖板作用于弹簧上，同时导向柱安装于盖板导向柱孔内。

样品盒装置由样品盒、样品盒盖板、样品、样品盒底板、紧固卡、螺钉、小固定螺母、排气孔、螺钉孔组成。样品盒底板位于样品盒内底部，样品装在样品盒内，样品盒盖板位于样品盒内上部，样品盒侧面开有排气孔，便于装药老化释放气体，防止过渡累积导致自催化反应过于强烈而引发燃烧爆炸等安全事故。紧固卡分别位于样品盒上下，紧固卡两端分别有两个螺钉孔，用螺钉通过螺钉孔和小固定螺母进行螺接，用于紧固样品盒底板和样品盒盖板，使样品保持恒定压力。

NEPE推进剂制作成120×25×60～70mm方坯药或120×25×10mm试片。样品盒底板放于样品盒底部，试样方坯药块或试片装入样品盒，盖上样品盒盖板。紧固卡配合螺钉、小固定螺母固定样品盒底板和样品盒盖板，作为预制试件。

将预制试件放在压力加载单元加压柱下端面，根据模拟载荷重量弹簧弹性系数计算绝对形变量，对样品盒盖板施加压力，以获得300kg老化压强1MPa。压力通过弹簧及加压柱将压力传导给样品盒盖板，进而作用于推进剂试样，达到预定压力之后，停止加压，并通过紧固卡配合螺钉、小固定螺母紧固样品盒底板和样品盒盖板，制成试验件。

②单温度应力水平温度加速寿命试验

试验件放到75℃/1MPa安全型恒温水浴试验箱中加速老化。

按时间间隔取出试验件，自然冷至室温后，从压力加载装置取出带有紧固卡的样品盒，放于防静电塑料袋内密封保管。每个温度压力应力水平组合取样完成后，取出样品盒中的试样，进行试燃速、爆热、安定剂含量、力学性能、热爆炸临界温度等性能测试。

2.研究NEPE推进剂装药性能变化规律

下面以75℃/1MPa测试结果为例，详细说明各个性能的变化情况。

①能量性能：爆热

能量性能按照“GJB 772A-97方法701.1绝热法”测定爆热。结果列于表1。数据表明，原始试样的爆热为5907kJ·kg^-1，老化42天后测得爆热为5779kJ·kg^-1，可见试验区间内，随老化时间的延长，爆热没有明显变化。

表1 75℃/1MPa爆热性能数据

②静态力学性能

力学性能按照“GJB 770B-2005方法413.1最大抗拉强度、断裂强度、最大伸长率和断裂伸长率单向拉伸法”测量哑铃型老化试样的最大抗拉强度、最大伸长率。静态极限力学性能采用INSTRON4505型万能试验机测试，试验温度为20℃，结果列于表2。由表2可以看出，NEPE推进剂老化后，最大抗拉强度(σ_m)由原始值0.612MPa降低至0.357MPa，下降了41.7％，最大伸长率由118％降到68.0％，变化率为42.4％。因此，随老化时间的延长，NEPE呈现最大抗拉强度、最大伸长率显著降低。

表2 75℃/1MPa老化试样静态力学性能试验数据

③燃烧性能：燃速

按照“GJB 770B-2005方法706.1靶线法”测定NEPE试样燃速，结果列于表3。6.86MPa所测试样燃速在9.60～9.51mm/s内小幅波动，没有发生显著变化，即随老化时间的延长燃速变化不大。

表3 75℃/1MPa老化试样燃速数据表(6.86MPa)

④安定性:安定剂含量

按照“GJB 770B-2005方法210.1中定剂溴化法”测定NEPE老化试样的安定剂含量。所测试样安定剂含量结果见表4。

表4 75℃/1MPa老化试样安定剂含量数据表

表4数据表明，75℃老化42天时间范围内，随时间的延长，安定剂含量基本不变。

3.确定失效模式

通过75℃/1MPa 42天的加速老化试验，研究了温度-压力对NEPE推进剂能量、力学、燃烧、安全特性等的影响，以老化性能数据变化，获得温度-压力载荷作用下NEPE推进剂老化性能退化规律，见表5。

表5 75℃/1MPa温度-压力载荷作用下NEPE推进剂老化性能退化规律

总结以上，力学性能的变化是NEPE推进剂的主要失效模式。最大抗拉强度、最大伸长率变化显著，并且最大抗拉强度表现出明显的变化规律适合作为失效参量。

4.开展不同温度不同压力下的加速寿命试验，预估NEPE推进剂装药贮存寿命

NEPE推进剂在55～75℃，0.5～1.5MPa范围内开展加速老化试验，选择温度压力双因素应力水平组合如下，见表6。

表6 温度-压力加速试验方案

各温度-压力条件下力学性能跟踪测量数据见表7，最大抗拉强度与原始最大抗拉强度比值列于表8。

表7 不同温度-压力条件下最大抗拉强度试验结果

表8不同温度-压力条件下最大抗拉强度变化百分数(相对值)

将最大抗拉强度下降至原始值的85％作为指定的技术指标，就获得NEPE推进剂在不同温度-压力组合条件下的安全贮存期L(T,P)。

各组合条件下所对应的安全贮存期L(T,P)见表9。

表9各组合条件下所对应的安全贮存期L(T,P)

通过“温度-压力”(T-P)模型(公式1)，将各组合条件下所对应的安全贮存期代入公式(1)，

ln L(T,P)＝lnA–n lnP+B/T (1)

用matlab数学软件进行回归，求得回归方程如下：

ln L(T,P)＝–25.64–0.526lnP+12408/T

根据回归方程，NEPE推进剂在25℃、2MPa恒定压力下，预估贮存寿命为

L＝11.53年。

Claims (1)

1.一种大尺寸NEPE推进剂装药贮存寿命的预估方法，其特征在于，按下列步骤进行：

步骤一：开展恒定压力载荷单温度加速试验，包括制作恒定压力载荷下NEPE推进剂加速老化试件和开展单温度应力水平温度加速寿命试验；

①制作恒定压力载荷下NEPE推进剂加速老化试验件

试验所用压力加载装置由3部分组成：支撑单元、压力加载单元、样品盒装置；

支撑单元由底座[1]，垫块[2]，支架[3]，立柱[5]，大固定螺母[10]组成；立柱[5]安装于底座[1]上，支架[3]安装于底座[1]中央，垫块[2]位于样品盒[4]底部；

压力加载单元由盖板[9]，立柱孔[16]，导向柱孔[17]，导向柱[7]，弹簧[8]，加压柱[6]组成；加压柱[6]底面位于样品盒[4]上方，导向柱[7]底面位于加压柱[6]上端面，弹簧[8]安装在导向柱[7]上；盖板[9]的立柱孔[16]装配于立柱[5]上，导向柱[7]安装于盖板导向柱孔[17]内；

样品盒装置由样品盒[4]，样品盒盖板[12]，样品[13]，样品盒底板[15]，紧固卡[11]，螺钉[18]，小固定螺母[19]，排气孔[14]，螺钉孔[20]组成；样品盒底板[15]位于样品盒[4]内底部，样品[13]装在样品盒[4]内，样品盒盖板[12]位于样品盒[4]内上部，排气孔[14]位于样品盒[4]侧面；紧固卡[11]分别位于样品盒[4]上下，紧固卡[11]两端分别有两个螺钉孔[20]，用螺钉[18]通过螺钉孔[20]和小固定螺母[19]进行螺接；

制作试样流程：将NEPE推进剂制作成坯药或试片，样品盒底板置于样品盒内底部，试样方坯药块或试片装入样品盒，盖上样品盒盖板，紧固卡配合螺钉、小固定螺母固定样品盒底板和样品盒盖板，作为预制试件；将预制试件放在压力加载单元加压柱下端面，根据模拟载荷重量弹簧弹性系数计算绝对形变量，对样品盒盖板施加压力，以获得制定压力，压力通过弹簧及加压柱将压力传导于样品盒盖板，进而作用于推进剂试样，达到预定压力之后，停止加压，并通过紧固卡配合螺钉、小固定螺母紧固样品盒底板和样品盒盖板，制成试验件；

②开展单温度应力水平温度加速寿命试验

将试验件放到单温度的试验箱中加速老化，按相同时间间隔取出试验件，自然冷至室温后，从试验件中取出试样；

步骤二：研究NEPE推进剂装药老化过程性能变化规律

通过热加速老化试验，研究恒定压力单一温度条件下各种性能随老化时间的变化规律；

①能量性能：爆热随老化时间的变化规律

能量性能按照“GJB 772A-97方法701.1绝热法”测定NEPE老化试样爆热

②静态力学性能：最大抗拉强度、最大伸长率随老化时间的变化规律

力学性能按照“GJB770B-2005方法413.1最大抗拉强度、断裂强度、最大伸长率和断裂伸长率单向拉伸法”测量哑铃型老化试样的最大抗拉强度、最大伸长率；

③燃烧性能：燃速随老化时间的变化规律

按照“GJB 770B-2005方法706.1靶线法”测定NEPE老化试样燃速；

④安定性:安定剂含量随老化时间的变化规律

按照“GJB 770B-2005方法210.1中定剂溴化法”测定NEPE老化试样的安定剂含量；

步骤三：确定NEPE推进剂装药失效模式

对比温度-压力载荷作用下NEPE推进剂老化性能退化规律，最大抗拉强度、最大伸长率变化最为显著，是NEPE推进剂的主要失效模式；最大抗拉强度表现出明显的变化规律，适合作为失效参量；

步骤四：开展不同温度不同压力的加速寿命试验，预估NEPE推进剂装药贮存寿命

试验方案如下：l和k分别是温度和压力的加速应力水平数，温度第i个水平与压力j个水平的搭配为一组加速应力水平组合(i，j)，正常应力水平组合为(0，0)，温度和压力的应力水平组合共有l×k个，在l×k个水平组合下各安排一个寿命试验，或者仅对部分水平组合各安排一个寿命试验，但应不少于5组，选取方式为以下两个方案：

第一方案

第二方案

根据选定的温度-压力组合条件分别开展加速寿命试验，各组合条件按时间间隔取出试验件，自然冷至室温后，从压力加载装置取出带有紧固卡的样品盒，放于防静电塑料袋内密封保管，每个温度压力应力水平组合取样完成后，取出样品盒中的试样，进行最大抗拉强度测试，得到最大抗拉强度随时间的变化规 律，从而获得最大抗拉强度下降到指定技术指标的时间，即为NEPE推进剂在该应力水平组合下的安全贮存期L(T，P)；

采用温度-压力双因素寿命预估计算式(见公式1)

ln L(T，P)＝lnA–n lnP+B/T (1)

式中：

L(T，P)——安全贮存期；

T——老化温度的数值，单位为(℃)；

P——自重引起的压强，单位为(MPa)；

A、B、n——系数；

将不同温度压力应力水平组合对应的安全贮存期L(T，P)代入公式(1)进行回归，求得回归方程，代入正常贮存条件下的温度、压力，得到正常贮存条件下的贮存寿命。