CN112504029B - 一种固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法，解决现有固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命难以评估的难题。该方法包括：步骤一、对固体双基推进剂进行安定性试验和评估，得到安全加速老化温度上限范围；步骤二、通过多个温度应力水平及同一温度应力水平多个子样的加速老化试验，获得能够表征固体双基推进剂老化程度的老化敏感参量，根据老化敏感参量得到固体双基推进剂的老化活化能；步骤三、确定加速贮存试验温度，根据得到的老化活化能和确定的加速贮存试验温度计算加速系数和加速等当老化时间；步骤四、开展加速贮存试验，进行内弹道性能试验，将得到试验结果与技术要求等进行对比分析，完成产品的加速贮存寿命评估。

Description

一种固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法
技术领域
本发明涉及液体火箭发动机领域，具体涉及一种固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法，用于指导加速老化试验的实施及贮存寿命评估。
背景技术
某型发动机为泵压式常规推进剂液体火箭发动机，该液体火箭发动机使用火药起动器完成系统起动并快速进入稳定工作阶段。火药起动器一般由电爆管、点火药盒、火药装药和起动器等四部分组成，其工作原理为电爆管通电工作点燃点火药盒，点火药盒点燃火药装药，火药装药燃烧产生高温高压的火药燃气，经喷管喷出驱动涡轮，为发动机提供初始动力源。该火药起动器的火药装药采用固体双基推进剂，根据研制需要，需对其贮存寿命进行研究和评估。目前，一般可采用高温加速老化试验在较短时间内预估产品的贮存寿命，高温加速老化应选取适宜的温度，确保能够在较短时间内预估产品贮存寿命，又应保证高温加速老化下产品的失效模式与自然贮存状态下一致。
针对双基推进剂的加速老化试验研究，主要侧重于安全寿命研究，结果表明双基推进剂的安全寿命一般在40年以上，试验方法为GBJ770B方法506.1《预估安全贮存寿命热加速老化法》，具体试验温度为65℃、75℃、85℃和95℃。但是，在面向产品性能方面的研究，处于起步阶段，没有成熟的方法可供使用或参考。在部分型号研制中，采用GJB736.8《火工品试验方法71℃试验法》对固体小火箭类(工作原理及结构设计与火药起动器类似)产品进行加速老化试验，结果内装火药装药出现了裂纹，分析认为该方法不适用于固体小火箭(火药起动器)类产品。因此有必要开展相应的研究工作，获得有效的加速老化试验方法，用于指导产品贮存寿命评估。
发明内容
本发明的目的是解决现有固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命难以评估的难题，提供一种固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法，该方法显著缩短了试验验证周期，降低了试验验证费用。
为实现以上发明目的，本发明技术方案是：
一种固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法，包括以下步骤：
步骤一、对固体双基推进剂进行安定性试验和评估，得到安全加速老化温度上限范围，确保加速老化试验的安全；
步骤二、在步骤一得到的安全加速老化温度上限范围内，通过多个温度应力水平及同一温度应力水平多个子样的加速老化试验，获得能够表征固体双基推进剂老化程度的老化敏感参量，根据老化敏感参量得到固体双基推进剂的老化活化能；
步骤三、确定加速贮存试验温度，根据得到的老化活化能和确定的加速贮存试验温度计算加速系数和加速等当老化时间；
步骤四、根据步骤三确定的加速系数和加速等当老化时间，开展加速贮存试验，进行内弹道性能试验，将得到试验结果与技术要求等进行对比分析，完成产品的加速贮存寿命评估。
进一步地，步骤二中，通过多个温度应力水平及同一温度应力水平多个子样的加速老化试验，获得热分解温度、质量、玻璃化温度、力学性能、密度、爆热和燃速的性能变化规律，获得能够表征固体双基推进剂老化程度的老化敏感参量。
进一步地，步骤二中，在步骤一得到的安全加速老化温度上限范围内，开展不少于三个温度水平、每温度水平不少于8个取样点的加速老化试验。
进一步地，步骤二中，加速老化试验的温度分别为80℃、70℃、60℃和50℃。
本发明技术方案与现有技术相比，具有如下优点：
本发明提供一种固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法，解决了固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估难题，该方法显著缩短了试验验证周期，降低了试验验证费用。
附图说明
图1为本发明固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法的实施流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
针对没有加速贮存试验方法可供使用的现状，本发明提供一种基于活化能的固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法，解决了固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估难题，显著缩短了试验验证周期，降低了试验验证费用。本发明方法以经典的阿伦尼乌斯方程为理论模型，在安全加速老化温度上限范围内，通过多温度水平、多子样的研究，确定表征老化程度的老化敏感参量和老化活化能，进而确定加速贮存试验温度和加速系数，计算加速等当老化时间。在此基础上，开展具体的加速贮存试验，进行内弹道性能试验和加速贮存寿命评估。
如图1所示，本发明固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法具体包括以下步骤：
步骤一、对固体双基推进剂进行安定性试验和评估，得到安全加速老化温度上限范围，使得加速老化试验温度范围在满足安定性试验和评估的要求范围内，确保加速老化试验的安全；
SFM-1推进剂安定性评估试验参考标准为GJB770B之方法505.1《安定性、相容性和预估安全寿命热减量法》。
取少量SFM-1推进剂试样装于标准减量瓶中，然后放入计划采用的加速老化试验最高温度环境(本实例中加速老化最高温度为90℃)中，持续观察减量瓶中SFM-1推进剂试样状态，以SFM-1推进剂在90℃下发生自燃的时间判定SFM-1推进剂的安定性。
本实例中，SFM-1推进剂在90℃下30天未发生自燃。根据GJB736.1，温度每升高10℃，反应速率上升至少2.7倍，即90℃下老化1天，至少等当于80℃下2.7天，70℃下7.3天，60℃下19.7天，50℃下53.1天。90℃下60天未自燃，则可保证80℃下81天，70℃下219天，60℃下591天，50℃下1593天，同样不会发生自燃，SFM-1推进剂安定性良好，可以在不超过90℃的温度下开展高温加速老化试验；
步骤二、在步骤一得到的安全加速老化温度上限范围值内，通过多个温度应力水平及同一温度应力水平多个子样的加速老化试验，获得热分解温度、质量、玻璃化温度、力学性能、密度、爆热、燃速等性能变化规律，确定能够表征固体双基推进剂老化程度的老化敏感参量，根据老化敏感参量得到固体双基推进剂的老化活化能；
该步骤中，开展不少于三个温度水平、每温度水平不少于8个取样点的固体双基推进剂的高温加速老化工作，监测热分解温度、质量、玻璃化温度、力学性能、密度、爆热、燃速的变化，获得其性能变化规律，根据试验结果确定能表征老化程度的灵敏参量和对用的老化活化能，具体过程如下：
对SFM-1推进剂开展高温加速老化试验，试验温度选择为80℃、70℃、60℃和50℃，定期取样进行性能测试；
对老化后的试样开展压缩力学性能测试，获得SFM-1推进剂压缩强度随老化时间的变化规律；
对老化后试样开展动态力学分析，获得SFM-1推进剂玻璃化转变温度随老化时间的变化规律；
对老化后试样开展爆热测试，获得SFM-1推进剂爆热随老化时间的变化规律；
对老化后试样开展燃速测试，获得SFM-1推进剂燃速随老化时间的变化规律；
对老化后试样开展密度测试，获得SFM-1推进剂密度随老化时间的变化规律；
在70℃、80℃和90℃下监测试样质量随老化时间的变化，获得SFM-1推进剂热失重率随老化时间的变化；
该步骤中，力学性能GJB770B之方法415.1《抗压强度压缩法》、密度QJ917A-97《复合固体推进剂及衬层、绝热材料的密度测定方法》、爆热QJ1359-1988《复合固体推进剂爆热测试方法恒温法》、燃速QJ912-85《复合固体推进剂药条燃速的水下声发射测定方法》；力学性能指标主要是抗压强度MPa；爆热表征单位质量固体推进剂的能量水平，一定量的试样放入密闭定容的氧弹中点燃，测出内筒中水的温升值，再根据热系统的热容量，计算出试样的爆热值，单位为KJ/Kg或KJ/mol；
试验结果表明，老化过程中，SFM-1推进剂的压缩强度、玻璃化转变温度、爆热、燃速、密度随老化时间无明显变化，热失重率随老化时间呈指数增加，由此确定热失重率为SFM-1推进剂的老化敏感参量；
推进剂在不同温度下热失重率Rw不同，温度越高，时间越长，热失重率Rw越大，热失重率Rw可按下式计算得到：
Figure BDA0002807335520000051
式中：mi-温度T下时间为ti时试样质量，g；m0-试样的初始质量，g；Rw是时间t和温度T的函数；
Rw＝f(T，t)
以指数函数y＝aekx对热失重率与时间的关系进行拟合，拟合结果见表1。
表1
序号 温度/℃ 拟合关系式 相关系数
1 90 y＝0.5944e<sup>0.02136x</sup> 0.977
2 80 y＝0.5495e<sup>0.00654x</sup> 0.993
3 70 y＝0.2369e<sup>0.00383x</sup> 0.931
根据阿伦尼乌斯方程：
Figure BDA0002807335520000052
对lnk和1/T进行线性拟合，拟合计算参数如表2所示。
表2
表2失重率拟合计算参数
Figure BDA0002807335520000061
拟合方程的斜率即为活化能与气体常数的比值，进而计算得到该推进剂的分解老化活化能Ea＝89.32kJ/mol，相关系数为0.9803；
步骤三、确定加速贮存试验温度，根据得到的老化活化能和确定的加速贮存试验温度，计算加速系数和加速等当老化时间，在此基础上，开展具体的加速贮存试验和加速贮存寿命评估；
加速贮存试验温度综合考虑结构应力影响、试验安全性、可靠性和试验周期，在试验验证得到的加速机理一致的温度范围内进行选取，加速贮存温度选定后，计算根据
Figure BDA0002807335520000062
计算加速等当老化时间，r(Ti～T0)为温度Ti对应于温度T0的加速系数；Ti为第i个试验温度，T0为常温，
Figure BDA0002807335520000063
为与同等老化程度的常温贮存时间
Figure BDA0002807335520000064
对应的加速老化时间，称为等当老化时间；
Figure BDA0002807335520000065
为自然贮存温度，一般取实际贮存环境温度中值；
本发明中取55℃，根据得到的老化活化能和确定的加速贮存试验温度，计算加速系数
Figure BDA0002807335520000066
Figure BDA0002807335520000067
式中：Ea—老化活化能，kJ/mol；
T0—试样自然贮存温度，本项目中选取为20℃；
Ti—选取的加速老化温度，本项目中选取为55℃。
计算得到55℃相对于20℃的加速系数r＝49.8，即说明，SFM-1推进剂装药在55℃下老化1天，等当于20℃下老化49.8天；
步骤四、根据步骤三确定的加速系数和加速等当老化时间，开展加速贮存试验，进行内弹道性能试验，将得到试验结果与技术要求等进行对比分析，完成产品的加速贮存寿命评估。
内弹道性能试验为固体小火箭常规发火及性能测试试验，一般按照GJB770B-2005《火药试验方法》之704.1《压力-时间曲线和推力-时间曲线发动机静止试验法》进行试验和数据处理，对于本发明，试验主要进行压力测试，得到压力-时间曲线。
技术要求一般明确了产品验收温度水平点和性能范围要求，是产品的最低使用要求，每种产品的具体量值范围不同，一般实施过程中均要求加速老化试验后结果与技术要求直接对比，判断满足情况。

Claims (4)

1.一种固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对固体双基推进剂进行安定性试验和评估，得到安全加速老化温度上限范围，确保加速老化试验的安全；
步骤二、在步骤一得到的安全加速老化温度上限范围内，通过多个温度应力水平及同一温度应力水平多个子样的加速老化试验，获得能够表征固体双基推进剂老化程度的老化敏感参量，根据老化敏感参量得到固体双基推进剂的老化活化能；
步骤三、确定加速贮存试验温度，根据得到的老化活化能和确定的加速贮存试验温度计算加速系数和加速等当老化时间；
步骤四、根据步骤三确定的加速系数和加速等当老化时间，开展加速贮存试验，进行内弹道性能试验，将得到试验结果与技术要求进行对比分析，完成产品的加速贮存寿命评估。
2.根据权利要求1所述的固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法，其特征在于：步骤二中，通过多个温度应力水平及同一温度应力水平多个子样的加速老化试验，获得热分解温度、质量、玻璃化温度、力学性能、密度、爆热和燃速的性能变化规律，获得能够表征固体双基推进剂老化程度的老化敏感参量。
3.根据权利要求2所述的固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法，其特征在于：步骤二中，在步骤一得到的安全加速老化温度上限范围内，开展不少于三个温度水平、每温度水平不少于8个取样点的加速老化试验。
4.根据权利要求3所述的固体双基推进剂小火箭加速贮存寿命评估方法，其特征在于：步骤二中，加速老化试验的温度分别为80℃、70℃、60℃和50℃。
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