CN110082258B - 复合固体推进剂药浆流速测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合固体推进剂药浆流速测试装置及测试方法，在三个粘度杯的外壳上分别套装有保温夹套。压力输出管道为各粘度杯提供压力。在压力输出管道上安装有压力变送器和精密减压阀。该压力变送器的信号输出端通过数据线与计算机的信号输入端连接。电子天平的信号输出端通过数据线与计算机的信号输入端连接。采用周期性测试的方法，依次获取推进剂药浆在各采样周期的流速，直至得到的推进剂药浆在该周期内药浆质量的平均值小于1g/min。本发明重现加压固化生产工艺条件，模拟中能固体火箭发动机多个型号的加压浇注工艺，应用该药浆流速实验模型以检测药浆随固化反应流动性的变化趋势，给出高固含量高粘度药浆流速和压固化的准确时间。

Description

复合固体推进剂药浆流速测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及复合固体推进剂药浆流动性能测试领域，具体是一种在加压条件下测试固含量≥85％、粘度≥2000Pa·s的推进剂药浆流速的装置及推进剂药浆流速的表征方法。
背景技术
复合推进剂加压固化过程是指推进剂药浆在浇注工艺完毕后，继续施加一个恒定的压力，并一直保持到推进剂药柱完全固化的工艺过程。在固化结束后以恒定的速率卸去加载的压力，其目的是消除推进剂药柱在制造时所产生的应力应变，提高发动机装药质量可靠性。目前已在假药发动机上完成了加压固化工艺试验，验证了加压固化工艺的可行性。但对于前后翼、复杂结构的燃烧室，由于加压固化过程推进剂渗漏、燃烧室安全脱模等安全问题，无法给出固体推进剂药浆准确的加压固化开始时间，因此开展一种表征加压固化下推进剂药浆流速方法，确定安全范围内的加压固化开始时间是整个加压固化工艺的重点所在。
目前在多型号发动机推进剂药浆流动性能测试实验中，没有对应的检测手段对高固含量高黏度的复合推进剂药浆进行不同压力下流速测试。通常对推进剂药浆流动性能测试采用哈克粘度计法，测试对象为对刚混合完成后的推进剂药浆。该法为常压下检测，剪切速率低测试范围窄，受制于哈克粘度计扭矩量程无法对固化反应一段时间(＞5h)后高粘度药浆进行测试，不能解决目前生产中遇到的问题。
由于复合固体推进剂药浆是一种具有高固含量高粘稠性液体，且一直伴随固化反应发生，直接对加压条件下的固体推进剂药浆流速的测试方法，目前在国内外文献中均没有报道。
公开的固体推进剂药浆流动性表征测试方法有航天标准QJ1813.1-2005复合固体推进剂药浆粘度和使用期测定方法第1部分：压杆落球粘度计法、QJ1813.2-2005复合固体推进剂药浆粘度和使用期测定方法第2部分：旋转粘度计法，这两种测试方法均是对常压状态下推进剂药浆粘度进行测试，测试范围较窄，不适用于固化反应后推进剂药浆的流动性测试要求。
在《推进技术》1993年6月第3期中陈福连介绍了关于复合固体推进剂批次间性能差异的研究(报告之二：药浆的粘度分析)，采用公式计算推进剂药浆粘度，给出了理论条件下药浆粘度的计算方法，但受实际颗粒粒径粒貌及混合均匀性影响，计算值与实际值存在较大差异。
美国ASTM标准ASTM D7042-2014 Standard Test Method for DynamicViscosity and Density of Liquids by Stabinger Viscometer(and the calculationof Kinematic Viscosity)介绍了采用运动粘度计(和动粘度计算)测定液体动态粘度和密度的试验方法，是对常压条件下液体粘度的测试方法，无法满足加压条件测试。
美国ASTM标准ASTM D5481-2013 Standard Test Method for MeasuringApparent Viscosity at High-Temperature and High-Shear Rate by MulticellCapillary Viscometer采用多孔毛细管粘度计在高温高剪切下测量表面粘性的标准试验方法，是将待测样品从毛细管中挤出进行测试，由于推进剂药浆具有高固含量，其含有的大量固体颗粒易堵塞毛细管，且高剪切过程推进剂易发生爆炸，不适用此标准。
发明内容
为克服现有技术中存在的测试精度低的不足，本发明提出了一种复合固体推进剂药浆流速测试装置及测试方法。
本发明提出的复合固体推进剂药浆流速测试装置包括压力发生器、压力变送器、三个保温夹套、三个粘度杯、粘度杯支架、电子天平、恒温水浴箱和计算机，其中：所述三个粘度杯分别为第一粘度杯、第二粘度杯和第三粘度杯；各所述粘度杯均放置在所述粘度杯支架上。所述保温夹套分别套装在各所述粘度杯的外壳上。
所述压力发生器的压力输出管道分别与所述第一粘度杯、第二粘度杯和第三粘度杯连通，为各粘度杯提供压力。在所述压力输出管道上安装有压力变送器和精密减压阀。该压力变送器的信号输出端通过数据线与计算机的信号输入端连接。电子天平的信号输出端通过数据线与计算机的信号输入端连接。
将所述保温夹套分别套装在各所述粘度杯的外壳上时，第一粘度杯保温夹套的进水口通过管路与恒温水浴箱的出水口连通；该第一粘度杯保温夹套的出水口与第二粘度杯保温夹套的进水口连通；该第二粘度杯保温夹套的出水口与第三粘度杯保温夹套的进水口连通；该第三粘度杯保温夹套的出水口与恒温水浴箱的回水口通过管路连通。
各所述保温夹套的内表面与各粘度杯壳体外表面之间的间距为1mm。
本发明提出的测试方法：
步骤1，进样。将推进剂药浆分别装入的所述粘度杯中，并使推进剂药浆表面与粘度杯内沿平齐。
步骤2，设定测试参数。
所述的测试参数包括将压力发生器提供的推进剂药浆流速压力和恒温水浴箱提供的水浴温度。
设定压力发生器的压力控制在2.5MPa；
设定恒温水浴箱的温度为50±0.1℃。
步骤3，参数调整
通过压力发生器向各所述粘度杯内加压至2.50MPa，并调整该精密减压阀精度为0.01Mpa。压力数值稳定30s后，打开粘度杯底部出料口的封口胶带，准备测试。
将恒温水浴箱中加热至50±0.1℃的水循环送至保温夹套中并保持30min。通过水浴使样品的温度与推进剂加压固化生产中的温度相同；所述推进剂加压固化生产的温度为50℃。
步骤4，测试。
采用周期性测试的方法，依次获取推进剂药浆在各采样周期的流速，直至得到的推进剂药浆在该周期内药浆质量的平均值小于1g/min。
所述采样周期的时长为1min；各周期的间隔时间为1h。
所述周期性测试的具体过程是：
获取第一个采样周期剂药浆的流速：
点击计算机计时，打开压力变送器。压力发生器提供的压力通过精密减压阀和压力变送器，分别对所述三个粘度杯内的推进剂药浆施加2.50MPa的压力，使各所述三个粘度杯内的推进剂药浆通过出料口滴落至放置在电子天平上的称量纸上，通过电子天平将称量结果实时传送至计算机。
当所述第一个采样周期结束后，关闭计算机软件计时按钮，同时关闭压力变送器。读取三个粘度杯内的推进剂药浆在同一个采样周期滴落在称量纸上的药浆质量，并取得到的三个粘度杯滴落在称量纸上的药浆质量的平均值。该平均值即为当前采样周期推进剂药浆的流速。
1h后，重复所述获取第一个采样周期推进剂药浆的流速的过程，获取第二个采样周期推进剂药浆的流速的过程。
每间隔1h后，重复所述获取第一个采样周期推进剂药浆的流速和获取第二个采样周期剂药浆的流速的过程。直至得到的推进剂药浆在该周期内药浆质量的平均值小于1g/min。
本发明为研究发动机加压固化准确时机提供技术支持，提升固体火箭发动机装药性能和质量可靠性。
本发明具有如下特点：
1、装置设计符合实际生产工艺条件。出料口孔径(2mm)与浇注及固化工艺条件吻合，控温系统能够确保药浆在工艺温度条件下(50±0.1℃)测试，压力生成及控制系统(精确至0.01MPa)模拟加压条件，按实际生产工艺设计装置，能够确保实验测试数据的准确性；
2、确定准确加压固化工艺时间。粘度杯内推进剂药浆流动的驱动力为自身重力和外界压力，出料口药浆压力P＝ρgh+P1(ρ为药浆密度，h为药浆在粘度杯内高度，P1为外加压力)，通过将压力与电子天平单位时间内质量读数结合，得出在该压力下推进剂药浆的流速大小，为加压固化工艺提供数值参考，当在工艺压力范围内，药浆流速低于目标设定值，此时为加压固化工艺准确开始时间；
3、该装置压力调控精准度高，联用电子天平和计算机数据采集准确，具有可靠性高，测试周期短(每批样品测试1min)的优点，且进样和清理样品方便，可循环操作。
试验证明，本发明通过所述复合固体推进剂药浆流速实验测试装置，重现加压固化生产工艺条件，能够模拟中能固体火箭发动机多个型号的加压浇注工艺，应用该药浆流速实验模型以检测药浆随固化反应流动性的变化趋势，给出高固含量高粘度药浆流速和压固化的准确时间。
本发明通过对发生固化反应的药浆进行压力2.5MPa下流速测试，找出随时间、压力变化药浆流速的变化趋势，确定了在压力2.5MPa下当药浆流速小于1g/min的时间为临界值，最终以固化反应48h后为开始加压固化时间。目前以该时间确定的加压固化工艺，既消除了安全隐患，检测过程中无药浆渗漏情况发生，又能够消除推进剂药柱在制造时所产生的应力应变，提高固体火箭发动机整体装药质量，对确保多个型号导弹武器的发射成功性具有积极意义。
附图说明
图1是加压条件下推进剂药浆流速测试装置示意图。
图中：1、压力发生器；2、精密减压阀；3、压力变送器；4、加压孔；5、密封盖；6、保温夹套；7、粘度杯；8、出料口；9、粘度杯支架；10、电子天平；11、恒温水浴箱；12、计算机。
具体实施方式
本实施例是一种加压条件下推进剂药浆流速测试装置，包括压力发生器1、压力变送器3、保温夹套6、三个粘度杯7、粘度杯支架9、电子天平10、恒温水浴箱11和计算机12，其中：
所述三个粘度杯7分别为第一粘度杯、第二粘度杯和第三粘度杯；所述第一粘度杯、第二粘度杯和第三粘度杯均放置在所述粘度杯支架9上。所述保温夹套6有三个，分别套装在各所述粘度杯的外壳上，分别形成第一粘度杯保温夹套、第二粘度杯保温夹套和第三粘度杯保温夹套。各所述保温夹套的内表面与各粘度杯壳体外表面之间有1mm的间距。
第一粘度杯保温夹套的进水口通过管路与恒温水浴箱11的出水口连通；该第一粘度杯保温夹套的出水口与第二粘度杯保温夹套的进水口连通；该第二粘度杯保温夹套的出水口与第三粘度杯保温夹套的进水口连通；该第三粘度杯保温夹套的出水口与恒温水浴箱11的回水口通过管路连通。
所述压力发生器1的压力输出管道分别与所述第一粘度杯、第二粘度杯和第三粘度杯连通，为各粘度杯提供压力。在所述压力输出管道上安装有压力变送器3和精密减压阀2。该压力变送器的信号输出端通过数据线与计算机12的信号输入端连接。
电子天平10的信号输出端通过数据线与计算机12的信号输入端连接。
各所述粘度杯为涂四粘度杯。在各所述粘度杯的密封盖5上有加压孔4；在各所述粘度杯的底部有安装有出料口8，所述出料口的口径为2mm。
计算机用于采集测试时间和流下样品质量，计算药浆流动速度。
本实施例还提出了一种利用所述推进剂药浆流速测试装置进行加压条件下推进剂药浆流速测试的方法，具体过程是：
步骤1，进样。将推进剂药浆分别装入的所述粘度杯7中，并使推进剂药浆表面与粘度杯7内沿平齐，盖上密封盖5。
步骤2，设定测试参数。
所述的测试参数包括将压力发生器1提供的推进剂药浆流速压力和恒温水浴箱11提供的水浴温度。
设定压力发生器1的压力控制在2.5MPa；
设定恒温水浴箱11的温度为50±0.1℃。
步骤3，参数调整
通过压力发生器1向各所述粘度杯内加压至2.50MPa，并调整该精密减压阀2精度为0.01Mpa。压力数值稳定30s后，打开粘度杯底部出料口的封口胶带，准备测试。
将恒温水浴箱11中加热至50±0.1℃的水循环送至保温夹套6中并保持30min。通过水浴使样品的温度与推进剂加压固化生产中的温度相同；所述推进剂加压固化生产的温度为50℃。
步骤4，测试。
采用周期性测试的方法，获取推进剂药浆在各采样周期流速的变化。所述采样周期的时长为1min。具体过程是：
获取第一个采样周期剂药浆的流速：
点击计算机12计时，打开压力变送器3。压力发生器1提供的压力通过精密减压阀2和压力变送器3，分别对所述三个粘度杯7内的推进剂药浆施加2.50MPa的压力，为该推进剂药浆向下流动提供驱动力，使各所述三个粘度杯内的推进剂药浆通过出料口8滴落至放置在电子天平10上的称量纸上，通过电子天平10将称量结果实时传送至计算机12。
当所述第一个采样周期结束后，关闭计算机软件计时按钮，同时关闭压力变送器3。读取三个粘度杯内的推进剂药浆在同一个采样周期滴落在称量纸上的药浆质量，并取得到的三个粘度杯滴落在称量纸上的药浆质量的平均值。该平均值即为当前采样周期推进剂药浆的流速。
间隔1h后，重复所述获取第一个采样周期推进剂药浆的流速的过程，获取第二个采样周期推进剂药浆的流速的过程。
每间隔1h后，重复所述获取第一个采样周期推进剂药浆的流速和获取第二个采样周期剂药浆的流速的过程。依次获取其余各采样周期推进剂药浆的流速，直至得到的推进剂药浆在该周期内药浆质量的平均值小于1g/min。

Claims (3)

1.一种测试复合固体推进剂药浆流速的方法，其特征在于，使用复合固体推进剂药浆流速测试装置进行测试，所述复合固体推进剂药浆流速测试装置包括压力发生器、压力变送器、三个保温夹套、三个粘度杯、粘度杯支架、电子天平、恒温水浴箱和计算机，其中：所述三个粘度杯分别为第一粘度杯、第二粘度杯和第三粘度杯；各所述粘度杯均放置在所述粘度杯支架上；所述保温夹套分别套装在各所述粘度杯的外壳上；所述粘度杯的底部安装有出料口；所述电子天平位于粘度杯支架下部，出料口的正下方；
所述压力发生器的压力输出管道分别与所述第一粘度杯、第二粘度杯和第三粘度杯连通，为各粘度杯提供压力；在所述压力输出管道上安装有压力变送器和精密减压阀；该压力变送器的信号输出端通过数据线与计算机的信号输入端连接；电子天平的信号输出端通过数据线与计算机的信号输入端连接；
测试复合固体推进剂药浆流速的具体过程是：
步骤1，进样；将推进剂药浆分别装入的所述粘度杯中，并使推进剂药浆表面与粘度杯内沿平齐；
步骤2，设定测试参数；
所述的测试参数包括将压力发生器提供的推进剂药浆流速压力和恒温水浴箱提供的水浴温度；
设定压力发生器的压力控制在2.5MPa；
设定恒温水浴箱的温度为50±0.1℃；
步骤3，参数调整
通过压力发生器向各所述粘度杯内加压至2.50MPa，并调整该精密减压阀精度为0.01Mpa；压力数值稳定30s后，打开粘度杯底部出料口的封口胶带，准备测试；
将恒温水浴箱中加热至50±0.1℃的水循环送至保温夹套中并保持30min；通过水浴使样品的温度与推进剂加压固化生产中的温度相同；所述推进剂加压固化生产的温度为50℃；
步骤4，测试；
采用周期性测试的方法，依次获取推进剂药浆在各采样周期的流速，直至得到的推进剂药浆在该周期内药浆质量的平均值小于1g/min；
所述采样周期的时长为1min；各周期的间隔时间为1h；
所述周期性测试的具体过程是：
获取第一个采样周期剂药浆的流速：点击计算机计时，打开压力变送器；压力发生器提供的压力通过精密减压阀和压力变送器，分别对所述三个粘度杯内的推进剂药浆施加2.50MPa的压力，使各所述三个粘度杯内的推进剂药浆通过出料口滴落至放置在电子天平上的称量纸上，通过电子天平将称量结果实时传送至计算机；
当所述第一个采样周期结束后，关闭计算机软件计时按钮，同时关闭压力变送器；
读取三个粘度杯内的推进剂药浆在同一个采样周期滴落在称量纸上的药浆质量，并取得到的三个粘度杯滴落在称量纸上的药浆质量的平均值；该平均值即为当前采样周期推进剂药浆的流速；
1h后，重复所述获取第一个采样周期推进剂药浆的流速的过程，获取第二个采样周期推进剂药浆的流速的过程；
每间隔1h后，重复所述获取第一个采样周期推进剂药浆的流速和获取第二个采样周期剂药浆的流速的过程；直至得到的推进剂药浆在该周期内药浆质量的平均值小于1g/min。
2.如权利要求1所述测试复合固体推进剂药浆流速的方法，其特征在于，在所述复合固体推进剂药浆流速测试装置中，将所述保温夹套分别套装在各所述粘度杯的外壳上时，第一粘度杯保温夹套的进水口通过管路与恒温水浴箱的出水口连通；该第一粘度杯保温夹套的出水口与第二粘度杯保温夹套的进水口连通；该第二粘度杯保温夹套的出水口与第三粘度杯保温夹套的进水口连通；该第三粘度杯保温夹套的出水口与恒温水浴箱的回水口通过管路连通。
3.如权利要求1所述测试复合固体推进剂药浆流速的方法，其特征在于，在所述复合固体推进剂药浆流速测试装置中，各所述保温夹套的内表面与各粘度杯壳体外表面之间的间距为1mm。
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