CN114018713B - 一种固体推进剂加速老化试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体推进剂加速老化试验装置及方法，试验装置包括：框架，所述框架包括竖直支架和横向支架；夹具连接部，所述夹具连接部设置在所述横向支架上；夹具组件，所述夹具组件与所述夹具连接部连接；所述夹具组件包括上夹具和下夹具，所述上夹具和下夹具均包括固定部分和可动部分，所述固定部分和可动部分之间通过弹性件连接。本发明能够实现定载荷和定应力试验。

Description

一种固体推进剂加速老化试验装置及方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体来说涉及一种固体推进剂加速老化试验装置及方法。

背景技术

固体火箭发动机具有结构简单、维护简便、操作方便、可靠性高、长期贮存性好等优点，在海陆空天等各种武器系统中得到了广泛的应用。在各种导弹武器中，动力装置都在向固体化趋势发展。

固体火箭发动机具有“长期贮存，一次使用”的特殊性，即其长期处于贮存状态。因此对于这类装备而言，它们的发动机的工作状况往往决定着整个武器系统的工作情况。如果预估的寿命长于真实寿命，已经失效的固体火箭发动机会导致发射失败，甚至发生灾难性的爆炸，危及发射平台和人员的安全，严重影响导弹武器的战斗力；如果预估的时间过短，使大批可用固体火箭发动机提前报废、销毁，不但造成巨额的经济损失，而且污染环境。因此研究固体火箭发动机的寿命对于保证武器正常使用具有重要意义。

研究固体火箭发动机的寿命就是要研究固体火箭发动机的老化机理。固体火箭发动机的老化主要是三部分：推进剂的老化、发动机壳体的老化、密封橡胶材料的老化。而在实际贮藏过程中，由于贮藏环境的稳定，发动机壳体的机械性能不会发生显著变化。而密封橡胶材料可以通过定期更换来避免其老化的影响。因此推进剂的老化是影响固体火箭发动机老化的最主要因素。

由于装备固体火箭发动机的武器系统贮存时间长达数年，因此自然贮存试验虽然得到的结果很贴近推进剂实际情况，但是由于其试验周期长，故无法满足预估发动机使用寿命的要求。而根据时—温等效原理，我们可以通过将推进剂进行高温加速老化试验来等效等同常规条件下推进剂的使用寿命，从而达成预估固体火箭发动机寿命的目的。

在国内外已经进行的关于推进剂的高温老化加速试验中，大多进行的是无载荷情况下的推进剂高温加速老化试验。然而，在固体火箭发动机的实际生产制造、加工运输、贮存储藏的过程中，固体火箭发动机始终承受着一定的载荷。因此，无载荷情况下对于推进剂老化机理的相关研究与实际情况有一定的差异程度，不能很好的满足现实需要。随着相关研究的深入，越来越多的研究人员也意识到了无载荷情况下的高温加速试验结果与固体火箭发动机实际贮存老化情况之间的不同与差异。故施加载荷情况下的推进剂高温加速老化试验也在近些年发展起来。

例如，专利文献1提出了一种固体推进剂定应变老化试验夹具，包括上端板、下端板，若干个挂钩，上端板和下端板通过若干个双头有肩螺栓支撑固定，上端板和/或下端板上开设一个以上的矩形窗口，矩形窗口两侧的上端板和下端板上对称开设若干对第二通孔；挂钩包括平板，与平板固接的两个立板，两个立板的自由端向内延伸形成半径为R的弧面钩头；平板上开设与一对第二通孔位置对应的第三通孔；挂钩能够分别上端板与下端板相对固接且能够调整他们之间的距离。

专利文献2提出了一种针对不同尺寸试件可变应变实验装置，上端板及下端板通过穿过通孔的四根平行承重螺柱进行连接，承重螺柱与下端板通过螺母进行固定；上端板与下端板的相对位置通过调节对顶螺母位置确定；将活动夹板两侧的正方形滑块置于上端板及下端板内的凸字形滑道内，根据哑铃型试件两端的尺寸确定活动夹板的位置；螺柱穿过上端板与下端板凸字型中心的通孔及活动夹板下部中心处的通孔进行连接，采用螺母进行固定。本发明解决了在哑铃型试件定应变老化实验中，不同尺寸哑铃型试件需要制作其对应尺寸的实验装置的问题。

专利文献3提出了提供一种固体推进剂的加速老化试验装置，包括设定形状的固体推进剂试样、两个应力接头、夹具、老化室、高温恒温热源、低温恒温热源和模量测量设备。设定形状包括等腰梯形平板状或扇形平板状。两个应力接头分别粘接在固体推进剂试样两侧的腰线，夹具夹持在固体推进剂试样上应力接头所在两侧，用于将固体推进剂试样拉伸至预定位置进行应变无级加载。老化室内设置有测试工装，测试工装用于安装拉伸后的固体推进剂试样，高温恒温热源连接至一个应力接头，低温恒温热源连接至另一个应力接头，高温恒温热源和低温恒温热源分别用于在老化室抽真空后，对固体推进剂试样进行温度无级加载，将固体推进剂试样稳定至恒定温度梯度。模量测量设备用于分别在测试开始后，在设定的不同时间节点，对固体推进剂试样的多个位置进行弹性模量测量并输出测量数据；测量数据用于确定固体推进剂试样的加速老化试验结果。

专利文献1：公开号：CN214121810U；分类号：G01N3/04；

专利文献2：公开号：CN110646582A；分类号：G01N33/22；

专利文献3：公开号：CN113324846A；分类号：G01N3/18。

但是，上述专利文献是施加定应变情况下的试验，不能全面地满足试验需求，尤其是无法实现定载荷情况下的试验。

发明内容

结合申请人在该领域的研究和实际经验，在此提出以下改进的技术方案。

一种固体推进剂加速老化试验装置，包括：

框架，所述框架包括竖直支架和横向支架；

夹具连接部，所述夹具连接部设置在所述横向支架上；

夹具组件，所述夹具组件与所述夹具连接部连接；

所述夹具组件包括上夹具和下夹具，所述上夹具和下夹具均包括固定部分和可动部分，所述固定部分和可动部分之间通过弹性件连接。

根据本发明的一个方面，所述固定部分包括相互垂直的第一部分和第二部分，所述第一部分与固体推进剂试件接触，而所述第二部分上设置有滑轨，在所述可动部分上则设置有与所述滑轨配合的滑轨夹持部。

根据本发明的一个方面，所述固定部分包括相互垂直的第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分均与固体推进剂试件接触，且所述可动部分上开设有孔，所述第二部分穿过所述孔。

根据本发明的一个方面，所述夹具连接部具有两个相对设置的“匸”形部件，两个“匸”形部件固定连接至横向支架，并且两个“匸”形部件之间的距离设置成夹具组件能够悬挂在夹具连接部上。

根据本发明的一个方面，所述“匸”形部件具有一定的长度，夹具组件3能够从两个“匸”形部件的外部被放入两个“匸”形部件之间。

根据本发明的一个方面，所述框架上设置有多组夹具组件。

根据本发明的一个方面，所述下夹具上设置有定载荷。

此外，本发明还提出了一种固体推进剂加速老化试验方法，包含如下步骤：

提供用于夹持固体推进剂试件的夹具组件，所述夹具组件包括上夹具和下夹具，所述上夹具和下夹具均包括固定部分和可动部分，所述固定部分和可动部分之间通过弹性件连接，

将所述固体推进剂试件用上夹具和下夹具进行夹持，

在所述下夹具上施加定载荷。

根据本发明的一个方面，1），测量推进剂试件的初始状态下的宽度W₀和厚度H₀，

2），施加定载荷mg，当推进剂试件的伸长量不变后，测量推进剂试件的伸长量△L以及该时刻推进剂试件的宽度W₁和厚度H₁，

3），通过如下公式

计算出弹簧弹性系数K，

4）在所述定载荷下方放置弹性系数为K的压缩弹簧，其使得所述压缩弹簧处于自然状态，所述压缩弹簧一端接触所述定载荷，另一端抵接固定部件。

由此可见，本发明能够实现定载荷和定应力试验。本发明的进一步优点将在下文结合附图进行的详细说明中得以体现。

附图说明

参考附图描述本发明的示例性实施例，其中：

图1示出了本发明的固体推进剂加速老化试验装置的主视图。

图2示出了本发明的固体推进剂加速老化试验装置的左视图。

图3是下夹具的受力分析示意图。

图4示出了本发明的固体推进剂加速老化试验装置的夹具的立体图。

图5示出了本发明的固体推进剂加速老化试验装置的立体图。

图6示出了本发明的固体推进剂加速老化试验装置的夹具的另一种实施方式的立体图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

参见图1，本发明的固体推进剂加速老化试验装置包括框架1、夹具连接部2、夹具组件3、挂钩4以及载荷5。其中框架1可以包括竖直支架和横向支架，竖直支架和横向支架可以彼此垂直地固定设置。在横向支架上设置有用于与夹具组件3连接的夹具连接部2。夹具连接部2可以采用多种形式，只要能够将夹具组件连接至横向支架上即可。试件可以采用常规的哑铃型试件。

在图1所示的实施例中，夹具连接部2优选地采用由两个相对设置的“匸”形部件，两个“匸”形部件固定连接至横向支架，并且两个“匸”形部件之间的距离设置成可以供夹具组件3能够悬挂在夹具连接部2上。“匸”形部件具有一定的长度，即，在图1中，“匸”形部件沿着垂直于纸面的方向延伸一定长度。夹具组件3能够从两个“匸”形部件的外部被放入两个“匸”形部件之间，从而能够容易地实现夹具组件的取出和放入。

夹具组件3的具体结构将在下文结合图2详细描述。在图1中，在夹具组件3的下端设置有挂钩4，挂钩4上可以放置不同重量的载荷5，从而未设置在夹具组件3中的固体推进剂提供定载荷。

图2示出了本发明的固体推进剂加速老化试验装置的左视图。从图2中可以看出，本发明的夹具组件3由上夹具和下夹具组成。在上夹具和下夹具中设置有固体推进剂试件6，下夹具上则设置有用于与挂钩连接的孔。由此，本发明通过在下夹具上设置载荷5，从而能够实现定载荷情况下的固体推进剂加速老化试验。

进一步地，本发明还提出了针对GAP推进剂的试验方案。GAP推进剂是一种新型的推进剂，由于其优异的性能参数而引起了国内外相关研究人员的关注。其基本配方为在现有的NEPE推进剂配方基础上用GAP替代原有的粘合剂，并添加了CL-20与HMX的共混含能添加剂。CL-20和GAP是两种性能优异的高能推进剂配方新组分。CL-20（六硝基六氮杂异伍兹烷）是一种具有高能量、高密度、高爆压、高爆速特点的新型笼状多硝胺类化合物。CL-20在工业及军事领域的广泛应用，将其引入到固体推进剂中，提高推进剂的能量水平已成为高能固体推进剂研究领域热点。GAP具有生成焓高、密度大、燃气无腐蚀性、特征信号低、燃温低等突出优点，被认为是高能、钝感和低特征信号推进剂的理想粘合剂。虽然国内外已研究出了一些新型GAP推进剂，但是目前尚未系统开展GAP推进剂贮存性能和老化机理的试验研究，对其贮存性能和老化机理尚缺乏深入了解和掌握。为确保采用GAP推进剂的发动机在贮存期间安全可靠，有必要系统开展GAP推进剂贮存性能评估研究。

在针对GAP推进剂的定载荷高温加速老化试验中，出现了夹具脱落、试样断裂等问题，导致基于定载荷的GAP推进剂老化机理难以进行研究和分析。经分析，申请人发现推进剂试样施加定载荷后产生变形，产生定载荷夹具无法有效夹持推进剂试样的现象，初步分析是由于弹性模量较小或施加定载荷水平不同造成的推进剂试样变形后静摩擦力变化引起的推进剂试样脱落。由此进行试样脱落的有限元仿真分析，确定原型夹具试样脱落原因。对下夹具进行受力分析，如图3所示，下夹具受到重力mg、试件提供的支持力F_N以及摩擦力F_f。由于推进剂模量较小原因，载荷施加后，产生了较大形变，且在竖直方向上，重力始终大于摩擦力与支持力的合力，于是推进剂在逐渐变形后脱落。

由此，为了满足试验要求，在推进剂试样变形后，夹具仍然牢固夹持推进剂试样的弧形段，本发明对现有技术中的上夹具和下夹具进行了改进。具体地，参见图2和图4，将上夹具和下夹具设置为可动部分7和固定部分8，并且二者之间采用弹性件9连接。具体地，固定部分8具有相互垂直的第一部分和第二部分，其中第一部分与载荷方向相同，且直接与试件接触。第二部分上设置有滑轨，在可动部分7的对应位置设置有对应的滑轨夹持部，该滑轨夹持部可以与滑轨配合，从而使得可动部分7能够沿着滑轨相对于固定部分8移动。当试件变形时，弹性件9提供拉力，使可动部分7向固定部分8移动，从而保证对试件的夹持。

由此，本发明的试验装置能够提供定载荷情况下的加速老化试验，并且能够防止特别是针对GAP推进剂的夹具脱落问题。

进一步地，参见图5，其示出了本发明的试验装置的立体图。从图5中可以看出，通过设置框架1的尺寸，可以提供多个夹具组件3，从而能够实现多组试验的同时进行，提高试验效率。

当然，以上所述仅仅是可选的技术方案。在实际试验时，可以仅采用一个夹具组件进行试验，而非必须同时采用多组。此外，对于夹具的具体形式也可以设置另外的结构。例如，图6示出了另一种夹具的实现形式。在图6中，在固定部分上不再设置有滑动轨道，而是设置有突出部，在可动部分上则设置有与该突出部配合的孔部，由此可动部分可以在该突出部上移动。该方案能够更好地实现对试件的夹持，因此突出部以及固定部分和可动部分的夹持臂三者能够同时夹持试件。

进一步地，本发明还提出一种在定载荷试验装置的基础上进行定应力试验的方法。

具体地，先在推进剂试件宽度W₀和厚度H₀下施加定载荷mg，当推进剂试件的伸长量不变后，记录推进剂试件的伸长量△L以及该时刻推进剂试件的宽度W₁和厚度H₁，并通过如下公式计算，

计算出弹簧弹性系数K。然后在当前定载荷夹具下部添加弹性系数为K的弹簧，以实现定应力夹具的效果。

其中mg是现有载荷的大小，△L、W₀、H_0、W_1、H₁都是已知的，因此在现有的定载荷夹具的基础上，下面添加一个用公式计算出来弹性系数k的弹簧即可。因此，在推进剂试样变形后，可以实现夹具的外力对拉伸段横截面积变化而变化来保持应力不变，即实现定应力。试件的宽度是指哑铃型试件的中间部分的宽度。

具体地，可以在定载荷夹具下方的载荷下方添加一个能够承受压缩的弹簧，在试验开始时，使得弹簧处于自然状态，一端支撑在固定部位例如地面上或者框架的底座上，另一端则与载荷接触。因此，在试验初期，由于试件尚未被拉伸，弹簧不受力，试件收到mg的力，对应于其初始的尺寸宽度W₀和厚度H₀，随着试件逐渐被拉伸，载荷开始向下移动，此时逐渐收到弹簧的支撑力，直至试件被拉伸到宽度W₁和厚度H₁，此时试件不再被拉伸，且其所受到的载荷变为mg-K×△L，而其所受应力仍然保持不变。

在试验过程中，可以根据需要按照已有的试验数据记录方式来对各项数据进行记录，本文不再详细描述。

上文描述的仅仅是有关本发明的精神和原理的示例性实施方式。本领域技术人员可以明白，在不背离所述精神和原理的前提下，可以对所描述的示例做出各种变化，这些变化及其各种等同方式均被本发明人所预想到，并落入由本发明的权利要求所限定的范围内。

Claims (1)

1.一种固体推进剂加速老化试验方法，其特征在于，所述固体推进剂加速老化试验方法在定载荷试验装置的基础上进行，所述定载荷试验装置包括：

框架，所述框架包括竖直支架和横向支架；

夹具连接部，所述夹具连接部设置在所述横向支架上；

夹具组件，所述夹具组件与所述夹具连接部连接；

所述夹具组件包括上夹具和下夹具，

所述固体推进剂加速老化试验方法包括如下步骤：

1），测量推进剂试件的初始状态下的宽度W₀和厚度H₀，

2），施加定载荷mg，当推进剂试件的伸长量不变后，测量推进剂试件的伸长量△L以及该时刻推进剂试件的宽度W₁和厚度H₁，

3），通过如下公式

计算出弹簧弹性系数K，

4）在所述定载荷下方放置弹性系数为K的压缩弹簧，其使得所述压缩弹簧处于自然状态，所述压缩弹簧一端接触所述定载荷，另一端抵接固定部件。

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