CN109655397A - 一种固体推进剂可靠贮存寿命预估方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种固体推进剂可靠贮存寿命预估方法,包括试验和评估参数选择、样品制备与预老化、初始性能测试与分析、高温加速试验与数据分析、可靠贮存寿命预估等步骤。试验和评估参数选择中确定老化敏感参量、参考温度、加速温度、失效临界值、试验时间和样品数量；样品制备与预老化时，进行预加速老化；初始性能测试与分析时，求出老化敏感参量的均值和标准差；高温加速试验与数据分析时，求出老化动力学参数；可靠贮存寿命预估时，得到老化敏感参量置信下限预测方程，确定可靠贮存寿命。本发明以与现行一般贮存寿命评估方法相当的试验量，实现了固体推进剂可靠贮存寿命评估。

Description

一种固体推进剂可靠贮存寿命预估方法

技术领域

本发明总体地属于固体推进剂可靠贮存寿命预估技术领域，具体地涉及一种固体推进剂可靠贮存寿命预估方法。

背景技术

固体推进剂作为一种材料，不仅要求给出基于性能退化的贮存寿命预估值，还经常要求给出一定可靠度下的贮存寿命或性能下限；现有技术中,固体推进剂的贮存寿命预估只考虑了老化速度常数从高温外推常温的误差,未考虑性能参量作为随机变量的统计分布特性，故而其虽然可以给出一定置信度的贮存寿命下限，还不能视作可靠贮存寿命。

为评估可靠贮存寿命，必须将性能参量作为随机变量处理；大量研究表明，性能测试结果是随机变量，满足正态分布规律；研究还表明，同一配方和工艺制得的固体推进剂等高分子材料的性能统计分布参数中，表示数据散布的参量标准差基本恒定，可视为不受老化影响；因此，可以将老化初始阶段所测性能的标准差作为老化后的标准差，用于预估一定置信度α下的性能置信下限；对照发动机设计所要求的固体推进剂的性能失效临界值，就可以给出贮存寿命预估结果；此时，对于这类以性能退化数据为基础的评估，置信度α即是可靠度P。

发明内容

本发明的目的是提供一种固体推进剂可靠贮存寿命预估方法,该方法以性能退化数据为基础，将性能视为随机变量，根据该随机变量的衰减规律，预估一定可靠度下的贮存寿命。

本发明的技术方案为：一种固体推进剂可靠贮存寿命预估方法，包括以下步骤：

a)、试验和评估参数选择与制定：制定固体推进剂可靠贮存寿命预估所涉及的老化敏感参量，选择和确定评估试验中的参考温度、加速温度、失效临界值、试验时间和样品数量；

b)、样品制备与预老化：制作样品并进行封装，对样品进行预加速老化；

c)、初始性能测试与分析：取不少于9个子样进行性能的测试，求出老化敏感参量的平均值和标准差；

d)、高温加速试验与数据分析：进行系列温度下的恒定温度加速试验，定期取样进行性能测试，根据老化敏感参量随时间变化数据，求出老化动力学参数；

e)、可靠贮存寿命预估：根据老化敏感参量的平均值和标准差、老化动力学参数，得到常温贮存时预定置信度下老化敏感参量置信下限随贮存时间变化的预测方程和曲线，再根据性能失效临界值确定可靠贮存寿命预估值。

进一步的，上述步骤a)中：

老化敏感参量设为X，X为单向力学性能参量；

参考温度设为T_S，是根据固体推进剂长期贮存环境条件确定的日常贮存温度，T_S不低于推进剂实际长期贮存环境的平均温度和推进剂要求的长期贮存温度范围的中值；

加速试验温度包括最低加速试验温度、最高加速试验温度和加速试验温度的加速间隔，最低加速试验温度和最高加速试验温度之间的所有加速试验温度加速间隔均为等间隔温度，相邻两个加速试验温度之间的间隔不小于5℃，最低加速试验温度与参考温度T_S之间的间隔不超过最高加速试验温度和最低加速试验温度之间的间隔；

失效临界值是发动机设计性能指标除以安全系数获得的数值；

试验时间包括试验截止时间和各加速温度下的取样间隔时间，以保证在试验截止时样品在每个加速试验温度下的老化敏感参量X的变化程度基本相当，且试验截止时老化敏感参量X低于失效临界值；每个加速试验温度下取样次数不少于8次，按照等时间间隔设置取样点；

样品数量根据加速试验温度间隔多少和各温度取样点以及初始性能测试来确定。

更进一步的，上述步骤b)的具体方法为：将固体推进剂样品切制成120mm×120mm×30mm片状试样，然后将所有试样分别进行抽气封装，置于步骤1)制定的最低加速试验温度下预加速老化7天。

还进一步的，上述步骤c)的具体方法为：取不少于9个经步骤b)预加速老化后的试样，测试其老化敏感性能，得到老化敏感参量初始值的测试数据X_0,I，按照下式(1)求出老化敏感参量初始值的平均值X₀和标准差σ：

还进一步的，上述步骤d)的具体方法为：按照步骤a)中所设定的温度参数进行各加速温度下的恒定温度加速试验，并定期取样进行老化敏感性能测试，得到各加速温度下老化敏感参量X随时间变化数据，对X进行数学变换，使f(X)随时间t呈线性下降，按照下式求出各加速温度下的老化速度常数K：

f(X)＝f(X₀)-Kt

根据加速温度T与老化速度常数K的关系，按照下式(2)，求得老化活化能E和指前因子Z：

K＝Ze^-E/RT 式(2)

式(2)中，R为摩尔气体常数，单位为J·K^-1·mol^-1。

还进一步的，上述步骤e)的具体方法为：首先确定预估可靠度P，即置信度α；根据X₀和标准差σ，按照公式计算置信度α时敏感参量初始值的置信下限，其中u为置信度α时的正态分布分位数，可从正态分布分位数表中查得；将参考温度T_S代入公式，求得参考温度下的老化速度常数K_S；根据发动机设计要求的性能失效临界值P_C，按照下式(3)求得可靠度P下贮存寿命预估值：

进一步的，上述所述步骤a)的老化敏感参量包括力学性能、药条燃速、安定剂或防老剂含量、热效应特征参量和安全性特征参量中的一个或多种的组合。

本发明的方法可应用于易老化的高分子材料可靠贮存寿命预估中。

本发明的有益技术效果是：根据固化完全的推进剂在老化前后性能测试数据离散程度不变的实验事实，采用预老化后消除后固化的推进剂进行测试确定性能标准差，从而实现以与现行贮存寿命评估方法相当的试验量，实现了现行贮存寿命评估方法不能实现的固体推进剂可靠贮存寿命评估。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

以TDI为固化剂的某丁羟推进剂，贮存环境温度为10℃～25℃，已知其老化规律为抗拉强度、模量增大，伸长率降低，其他性能基本不变；发动机设计要求的最大伸长率为50％，安全系数1.5。通过高温加速试验预估其90％可靠度下的贮存寿命。

步骤一、试验和评估参数制定与选择，确定老化敏感参量、参考温度、加速温度、失效临界值、试验时间和样品数量。

根据已知老化规律，确定以单向拉伸最大伸长率ε_m(20℃，100mm/min)为老化敏感参量；根据贮存环境温度，温度波动不大，以贮存温度上限25℃作为参考温度,即T_S＝298.15K；据相关标准，丁羟推进剂最高加速试验温度为80℃，故以80℃作为最高加速试验温度；最低加速温度不高于最高加速温度与参考温度的均值，故最高加速试验温度定为50℃；加速温度水平定为4个，各加速温度之间等间隔设置，则加速温度定为：80℃，70℃，60℃和50℃；根据发动机设计指标和安全系数，老化敏感参量失效临界值X_C＝50％/1.5＝33％；根据试验截止时老化敏感参量要低于失效临界值，且各温度下试验截止时老化敏感参量基本相当的要求，据前期加速老化经验，将80℃，70℃，60℃和50℃加速试验截止时间分别定为8周、18周、41周和100周，各温度下取样次数8～10次，从高温到低温，取样次数依次增加；每次取5个子样；根据前面确定的试验方案，本试验需要准备120mm×120mm×30mm推进剂试片200件，包含备份。

步骤二、样品制备与预老化，制作样品并封装，进行预加速老化。

按照200件120mm×120mm×30mm推进剂试片的需求，准备推进剂方坯，切制成符合要求的试样，采用防静电袋密封包装，放入最低加速温度50℃下预老化7天，之后取出在密封干燥器内室温存放24小时。

步骤三、初始性能测试与分析，求出老化敏感参量的平均值和标准差。

从密封干燥器内取出9个试样，在20℃下进行100mm/min拉速的单向拉伸力学性能测试，得到最大伸长率ε_m如表1。求得老化敏感参量初始值的平均值X₀＝52.7％，标准差σ＝2.11％。

表1老化敏感参量测试数据及统计分析结果

步骤四、高温加速试验与数据分析，求出老化动力学参数。

按照试验方案开展各加速温度下的恒定温度加速试验和取样测试老化敏感参量，得到结果如表2；对表2数据进行分析如表3，各老化温度下老化敏感参量取对数与时间具有良好的线性下降关系。

表2高温加速老化敏感参量监测数据

表3老化敏感参量随时间变化的线性回归与检验结果

按照公式ln(X)＝ln(X₀)-Kt求出各加速温度下的老化速度常数K，并根据加速温度T与老化速度常数K的关系，按照公式lnK＝lnZ-E/RT，求得老化活化能E和指前因子Z如表4。

表4老化敏感参量随时间变化的线性回归与检验结果

步骤五、可靠贮存寿命预估，得到老化敏感参量置信下限预测方程，确定可靠贮存寿命预估值。

根据任务要求，预估可靠度90％时的贮存寿命，首先按照公式计算置信度α＝90％时敏感参量初始值的置信下限，从表1知X₀＝52.7％，σ＝2.11％，正态分布分位数表中差得u₉₀＝1.282，故

将参考温度T_S＝298.15K代入公式，据表4数据求得lnK_S＝lnZ-E/RT＝26.68-10599/298.15＝-8.87，故参考温度下的老化速度常数K_S＝exp(-8.87)＝1.41×10^-4(％)。

根据发动机设计要求的性能失效临界值X_C＝33％，按照下式求得可靠度90％时贮存寿命预估值：

即该推进剂90％可靠度贮存寿命预估结果为24.6年。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种固体推进剂可靠贮存寿命预估方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)、试验和评估参数选择与制定：制定固体推进剂可靠贮存寿命预估所涉及的老化敏感参量，选择和确定评估试验中的参考温度、加速温度、失效临界值、试验时间和样品数量；

b)、样品制备与预老化：制作样品并进行封装，对样品进行预加速老化；

c)、初始性能测试与分析：取不少于9个子样进行性能的测试，求出老化敏感参量的平均值和标准差；

d)、高温加速试验与数据分析：进行系列温度下的恒定温度加速试验，定期取样进行性能测试，根据老化敏感参量随时间变化数据，求出老化动力学参数；

e)、可靠贮存寿命预估：根据老化敏感参量的平均值和标准差、老化动力学参数，得到常温贮存时预定置信度下老化敏感参量置信下限随贮存时间变化的预测方程和曲线，再根据性能失效临界值确定可靠贮存寿命预估值。

2.如权利要求1所述的固体推进剂可靠贮存寿命预估方法，其特征在于，所述步骤a)中：

老化敏感参量设为X，X为单向力学性能参量；

参考温度设为T_S，是根据固体推进剂长期贮存环境条件确定的日常贮存温度，T_S不低于推进剂实际长期贮存环境的平均温度和推进剂要求的长期贮存温度范围的中值；

加速试验温度包括最低加速试验温度、最高加速试验温度和加速试验温度的加速间隔，最低加速试验温度和最高加速试验温度之间的所有加速试验温度加速间隔均为等间隔温度，相邻两个加速试验温度之间的间隔不小于5℃，最低加速试验温度与参考温度T_S之间的间隔不超过最高加速试验温度和最低加速试验温度之间的间隔；

失效临界值是发动机设计性能指标除以安全系数获得的数值；

试验时间包括试验截止时间和各加速温度下的取样间隔时间，以保证在试验截止时样品在每个加速试验温度下的老化敏感参量X的变化程度基本相当，且试验截止时老化敏感参量X低于失效临界值；每个加速试验温度下取样次数不少于8次，按照等时间间隔设置取样点；

样品数量根据加速试验温度间隔多少和各温度取样点以及初始性能测试来确定。

3.如权利要求2所述的固体推进剂可靠贮存寿命预估方法，其特征在于，所述步骤b)的具体方法为：将固体推进剂样品切制成120mm×120mm×30mm片状试样，然后将所有试样分别进行抽气封装，置于步骤1)制定的最低加速试验温度下预加速老化7天。

4.如权利要求3所述的固体推进剂可靠贮存寿命预估方法，其特征在于，所述步骤c)的具体方法为：取不少于9个经步骤b)预老化后的试样，测试其老化敏感性能，得到老化敏感参量初始值的测试数据X_0,I，按照下式(1)求出老化敏感参量初始值的平均值X₀和标准差σ：

5.如权利要求4所述的固体推进剂可靠贮存寿命预估方法，其特征在于，所述步骤d)的具体方法为：按照步骤a)中所设定的温度参数进行各加速温度下的恒定温度加速试验，并定期取样进行老化敏感性能测试，得到各加速温度下老化敏感参量随时间变化数据，对X进行数学变换，使f(X)随时间t呈线性下降，按照下式求出各加速温度下的老化速度常数K：

f(X)＝f(X₀)-Kt

根据加速温度T与老化速度常数K的关系，按照下式(2)，求得老化活化能E和指前因子Z：

K＝Ze^-E/RT 式(2)

式(2)中，R为摩尔气体常数，单位为J·K^-1·mol^-1。

6.如权利要求5所述的固体推进剂可靠贮存寿命预估方法，其特征在于，所述步骤e)的具体方法为：首先确定预估可靠度P，即置信度α；根据X₀和标准差σ，按照公式计算置信度α时敏感参量初始值的置信下限其中u为置信度α时的正态分布分位数，可从正态分布分位数表中查得；将参考温度T_S代入公式求得参考温度下的老化速度常数K_S；根据发动机设计要求的性能失效临界值P_C，按照下式(3)求得可靠度P下贮存寿命预估值：

7.如权利要求1所述的固体推进剂可靠贮存寿命预估方法，其特征在于，所述步骤a)的老化敏感参量包括力学性能、药条燃速、安定剂或防老剂含量、热效应特征参量和安全性特征参量中的一个或多种的组合。

8.如权利要求1-7所述的固体推进剂可靠贮存寿命预估方法，其特征在于，它应用于易老化的高分子材料可靠贮存寿命预估中。