CN114550846A - 基于单一温度的高温加速老化试验的推进剂寿命预估方法 - Google Patents

基于单一温度的高温加速老化试验的推进剂寿命预估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于单一温度的高温加速老化试验的推进剂寿命预估方法，包括如下步骤：仅在单一温度的高温下进行推进剂的高温加速老化试验，针对推进剂进行力学性能、贮存安全性、内弹道性能和物理性能共四个方面的寿命预估，并且选取这四个方面的试验所得的寿命最小值为该温度下的寿命预估数值，由该温度下的寿命预估数值计算得到推进剂贮存温度下的寿命预估数值。本发明通过在单个高温下进行加速老化试验，并进进行该温度下的基于多个参数的多维度寿命预估，通过计算来反推出贮存温度下的寿命，试验时间短，节省人力物力，且能保证准确度。此外，本发明还提出仅选取失效判据点之前的试验数据即可，从而使寿命预估更加准确。

Description

基于单一温度的高温加速老化试验的推进剂寿命预估方法
技术领域
本发明整体上属于固体火箭发动机技术领域，具体涉及基于单一温度的高温加速老化试验的推进剂寿命预估方法。
背景技术
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。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。研究固体火箭发动机的寿命对于保证武器正常使用，维护国家安全和稳定具有重要意义。
研究固体火箭发动机的寿命就是研究固体火箭发动机的老化。由于固体火箭发动机壳体、喷管等材料可以在贮存期更换，因此固体火箭发动机的寿命主要取决于固体推进剂的老化。针对固体推进剂这种粘弹性材料，根据时-温等效原理，国内外通常开展推进剂的高温加速老化试验研究推进剂的老化规律，从而预估寿命。
目前国内研究人员大多按照《QJ 2328A-2005 复合固体推进剂高温加速老化试验方法》，采用老化敏感参数进行寿命预估，然而应用该方法存在以下问题：（1）采用该标准需要3~5个加速老化温度，因此需要消耗较多的推进剂试样，并且老化时间较长，约一年或一年半之久才能完成整个试验进行寿命预估，该方法无法应用于需要在更短时间内使用更少的试样进行推进剂寿命预估的情况；（2）虽然该标准提出了老化性能参数可以是单向拉伸性能、药条燃速、安定剂的消耗量等参数，但是这些仅仅是理论上的描述，在工程实际试验中，行业内研究人员仍然仅采用力学性能对推进剂进行寿命预估，由于采用单一维度对寿命进行预估，可能存在预估值误差较大的情况。
在专利文献中，西安近代化学研究所提出了多项专利申请，涉及不同情况下的推进剂寿命预估。例如，专利文献1提出了一种基于自重诱发压力条件下NEPE推进剂贮存寿命的预估方法，其中开展恒定应力载荷下不同温度的加速试验，研究NEPE推进剂装药老化过程性能变化规律，确定NEPE推进剂装药失效模式，进而预估NEPE推进剂装药贮存寿命。该方法提供了一种加载恒应力模拟自重载荷进行热加速老化的方法，采用了拉伸强度作为模拟NEPE推进剂自重载荷作用下热加速老化的失效参量。然而，如前所述，专利文献1仍然需要采用多个温度来进行试验。
又如，西安近代化学研究所提出的专利文献2中，公开了一种大尺寸NEPE推进剂装药贮存寿命的预估方法，其与专利文献1中的方法存在相同之处，同样要采用多个温度来进行试验。
在专利文献3中，公开了利用近红外光谱测试单一温度情况的安定剂含量来预估推进剂的贮存安全性寿命。其中，温度参数的获取需要前期获得四种加速老化温度的加速试验，并且仅从安定剂的单一角度进行了贮存安全性寿命预估。
湖北航天化学技术研究所提出的专利文献4中，公开了一种固体推进剂可靠贮存寿命预估方法，通过在多个温度下的试验数据来预估一定可靠度下的贮存寿命。该方法同样需要在多个温度下来进行试验，耗时耗力。
专利文献1：CN 104792964 A，分类号：G01N 33/22；
专利文献2：CN 104820083 A，分类号：G01N 33/22；
专利文献3：CN 106226266 A，分类号：G01N 21/359；
专利文献4：CN 109655397 A，分类号：G01N 17/00。
发明内容
结合发明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。
一种基于单一温度的高温加速老化试验的推进剂寿命预估方法，包括如下步骤：
仅用单一温度作为试验温度，进行推进剂的高温加速老化试验，
针对推进剂进行力学性能、贮存安全性、内弹道性能和物理性能共四个方面的寿命预估，并且选取这四个方面的试验所得的寿命最小值为该单一温度下的寿命预估数值，
由该单一温度下的寿命预估数值计算得到推进剂贮存温度下的寿命预估数值。
根据本发明的一个方面，
在选取试验数据时，只选取失效判据点之前的试验数据。
根据本发明的一个方面，
所述单一温度为选自65-80℃中的任一温度值。
根据本发明的一个方面，
所述推进剂是GAP类推进剂。
根据本发明的一个方面，
所述推进剂进行力学性能是最大延伸率作为预估参数，贮存安全性能寿命预估选用推进剂中的安定剂含量作为预估参数，而内弹道性能寿命预估则选用静态燃速作为预估参数，物理性能寿命预估选用推进剂密度作为预估参数。
根据本发明的一个方面，
安定剂采用N-甲基-对硝基苯胺和2-硝基二苯胺两种。
根据本发明的一个方面，
在贮存安全寿命预估中，试验数据筛选原则为：
（1）消耗较慢的安定剂，在试验温度下，相对变化不超过10%，即认为安定剂含量不变，
（2）删除保持不变的试验数据，选择剩下的试验数据进行分析，并且老化试验数据点必须在三个以上方可进行寿命预估计算。
根据本发明的一个方面，
在内弹道性能寿命预估和物理性能寿命预估中，试验数据筛选原则为：
（1）在燃速或密度的相对变化不超过预定值时，认为燃速或密度不变；
（2）删除保持不变的试验数据，选择剩下的试验数据进行分析，并且老化试验数据点必须在三个以上方可进行寿命预估计算。
根据本发明的一个方面，
内弹道性能寿命预估和物理性能寿命预估中：
（1）无可用数据时，对应的性能满足设计要求；
（2）有可用数据分析的情况下，选取合适的数学模型，根据提供的对应性能的判据，进行试验温度下的寿命计算，作为预估数值。
根据本发明的一个方面，
由该温度下的寿命预估数值计算得到推进剂贮存温度下的寿命预估数值包括：
将在试验温度下的寿命
Figure 844834DEST_PATH_IMAGE001
与加速系数
Figure 674250DEST_PATH_IMAGE002
相乘得到推进剂贮存温度下的寿命，即
Figure 904112DEST_PATH_IMAGE003
加速系数
Figure 70651DEST_PATH_IMAGE002
采用如下公式进行计算：
Figure 430088DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 571350DEST_PATH_IMAGE005
是推进剂贮存环境下的寿命，
Figure 649028DEST_PATH_IMAGE006
是推进剂贮存环境中的温度，
Figure 415996DEST_PATH_IMAGE001
是 推进剂试验温度下的寿命，
Figure 895518DEST_PATH_IMAGE007
是试验温度，
Figure 971797DEST_PATH_IMAGE002
是试验温度
Figure 536770DEST_PATH_IMAGE007
相对于贮存温度
Figure 841850DEST_PATH_IMAGE006
的加 速系数，
Figure 175879DEST_PATH_IMAGE008
为推进剂的表观活化能，R为摩尔气体常数。
综合上述技术方案可知，本发明具有以下有益技术效果：
（1）以往推进剂寿命预估需要3~5个加速老化温度，并且足够多的老化时间点，耗时耗材。本发明通过在单个高温下进行加速老化试验，并进进行该温度下的寿命预估，通过计算来反推出贮存温度下的寿命，试验时间短，节省人力物力，且能保证准确度。
（2）以往在推进剂寿命预估的试验数据选取中，一般都选全部老化时间点的试验数据进行预估。然而，当推进剂性能达到失效判据后，性能变化剧烈。因此，本方法提出只需要选取失效判据点之前的试验数据即可，寿命预估更加准确。
（3）以往推进剂寿命预估只进行力学性能的寿命预估，缺少多维度的寿命预估。本方法从力学性能、贮存安全性能、内弹道性能和物理性能的多维度进行寿命预估，结果更加准确。
附图说明
参考附图描述本发明的示例性实施例，其中：
图1是本发明的基于高温加速老化试验的推进剂寿命预估方法的流程图。
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。
图1是本发明的基于高温加速老化试验的推进剂寿命预估方法的流程图。参见图1，本发明的寿命预估方法仅在单个温度下进行高温加速老化试验，然后选取多个参数来对推进剂进行寿命预估。优选地，经过发明人的多次试验，发现对于本发明的整个试验及预估而言，优选的试验参数为：温度选择为70℃，老化取样时间点不低于10个，取样间隔时间不得低于一周，推进剂优选采用GAP类推进剂。GAP类推进剂是包含以GAP（聚叠氮缩水甘油醚）为粘合剂的推进剂。本发明基于下述考虑：70℃是该类推进剂可以进行高温加速老化试验的最高温度，该温度下的老化时间较短，并且不会造成高温与常温的老化机理不一致和安全事故等问题。
当然，本领域技术人员知晓，针对不同类型的推进剂，可以采用不同的高温老化温度，70℃在此作为示例性的温度给出，而并非唯一可行的温度。由于仅进行单个温度下的高温加速老化试验，该温度的选择可以在70℃的基础上浮动，例如可以为71℃、72℃、73℃、74℃、75℃、69℃、68℃、67℃、66℃等。一般地，针对推进剂而言，可以选用65℃-80℃中的任意温度值。
在此温度下，针对预定时间的取样来分别进行力学性能、贮存安全性、内弹道性能和物理性能的寿命预估，并且选取这四个方面的试验所得的寿命最小值为该温度下的寿命预估数值。
具体地，力学性能寿命预估选用推进剂中的最大延伸率作为预估参数，贮存安全性能寿命预估选用推进剂中的安定剂含量作为预估参数，而内弹道性能寿命预估则选用静态燃速作为预估参数，物理性能寿命预估选用推进剂密度作为预估参数。
进一步地，本发明还提出，在选取试验数据时，只选取失效判据点之前的试验数据，而非像传统的试验方法一样选取全部的数据，由此能够提高寿命预估的精度。
随后，通过本发明的换算公式来计算得到贮存环境温度下的寿命预估数值。
具体地，对于力学性能试验，根据标准《GJB770B-2005火药试验方法 413.1》中的规定进行。
具体地，力学性能预估方案为：根据以往的高温加速试验数据表明，对于该类推进剂应选取最大延伸率作为老化参数。对试验温度下的试验数据选取合适的数学模型（线性、对数和指数），根据最大延伸率下降到失效判据时进行试验温度下的寿命计算，作为预估数值。
具体地，安定剂含量测试根据《GJB 770B-2005 方法216.1 硝酸酯、安定剂和增塑剂 气相气谱法》进行。在本发明中，安定剂可以选用任何现有的安定剂。优选地，安定剂采用MNA（N-甲基-对硝基苯胺）和2-NDPA（2-硝基二苯胺）两种。
具体地，在贮存安全寿命预估中，按照行业惯例，一般取安定剂下降了50%作为失效判据。当采用两种安定剂时，本发明提出取消耗较慢的安定剂消耗了50%为失效判据，则对应的失效时间为贮存寿命值。
在贮存安全寿命预估中，本发明提出试验数据筛选原则为：
（1）消耗较慢的安定剂，在老化温度下，相对变化不超过10%，即认为安定剂含量不变，
（2）删除保持不变的试验数据，选择剩下的试验数据进行分析，并且老化试验数据点必须在三个以上（包括三个）方可进行寿命预估计算。
贮存安全性预估方案为：
（1）无可用的试验数据时，认为在贮存期间不会发生贮存安全事故，安定剂满足设计要求。
（2）存在可用试验数据时，对试验温度下的试验数据选取合适的数学模型（线性、对数和指数），根据消耗较慢的安定剂含量下降了50%进行试验温度下的寿命计算，作为预估数值。
具体地，燃速测试根据《GJB770B-2005 火药试验方法706.2 燃速 水下声发射法》进行。在本发明中，燃速测试采用70℃、7MPa进行测试。
具体地，对于内弹道性能预估，先进行燃速数据筛选，筛选原则为：
（1）当燃速相对变化不超过10%，认为燃速不变；
（2）删除保持不变的试验数据，选择剩下的试验数据进行分析，并且老化试验数据点必须在三个以上（包括三个）方可进行寿命预估计算。
根据燃速筛选原则，燃速预估寿命预估步骤：
（1）无可用数据时，燃速满足设计要求；
（2）有可用数据分析的情况下，选取合适的数学模型（线性、对数和指数），根据提供的燃速判据，进行70℃下的寿命计算，作为预估数值。
具体地，密度测试根据《GJB770B-2005火药试验方法401.2 密度 液体 静力称量法》进行。
具体地，对于物理性能预估，先进行密度数据筛选，筛选原则为：
（1）当密度相对变化不超过5%，认为密度不变；
（2）删除保持不变的试验数据，选择剩下的试验数据进行分析，并且老化试验数据点必须在三个以上（包括三个）方可进行寿命预估计算。
根据密度筛选原则，密度预估寿命预估步骤：
（1）无可用数据时，密度满足设计要求；
（2）有可用数据分析的情况下，选取合适的数学模型（线性、对数和指数），根据提供的密度判据，进行70℃下的寿命计算，作为预估数值。
当得到试验温度下的力学性能、贮存安全性能寿命、内弹道性能寿命和物理性能寿命预估值后进行比较分析，选取最小值作为70℃下的寿命值。
在此基础上，将在试验温度下的寿命
Figure 658944DEST_PATH_IMAGE001
与加速系数
Figure 711214DEST_PATH_IMAGE002
相乘得到推进剂贮存温度 下的寿命，具体如公式（1）：
Figure 757667DEST_PATH_IMAGE003
（1）
试验温度相对于贮存温度下的加速系数
Figure 585684DEST_PATH_IMAGE002
采用如下公式进行计算：
Figure 364284DEST_PATH_IMAGE004
（2）
其中，
Figure 28483DEST_PATH_IMAGE005
是推进剂贮存环境下的寿命，
Figure 550731DEST_PATH_IMAGE006
是推进剂贮存环境中的温度，
Figure 734719DEST_PATH_IMAGE001
是 推进剂试验温度下的寿命，
Figure 684221DEST_PATH_IMAGE007
是试验温度，如上所述，优选为70℃，
Figure 570137DEST_PATH_IMAGE002
是试验温度
Figure 896076DEST_PATH_IMAGE007
相 对于贮存温度
Figure 698685DEST_PATH_IMAGE006
的加速系数，
Figure 819088DEST_PATH_IMAGE008
为推进剂的表观活化能，根据行业测试数值一般取96- 107KJ/mol，R为摩尔气体常数，数值为
Figure 457879DEST_PATH_IMAGE009
。
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 (10)

1.一种基于单一温度的高温加速老化试验的推进剂寿命预估方法，其特征在于，包括如下步骤：
仅用单一温度作为试验温度，进行推进剂的高温加速老化试验，
针对推进剂进行力学性能、贮存安全性、内弹道性能和物理性能共四个方面的寿命预估，并且选取这四个方面的试验所得的寿命最小值为该单一温度下的寿命预估数值，
由该单一温度下的寿命预估数值计算得到推进剂贮存温度下的寿命预估数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在选取试验数据时，只选取失效判据点之前的试验数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述单一温度为选自65-80℃中的任一温度值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，
所述推进剂是GAP类推进剂。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，
所述推进剂进行力学性能是最大延伸率作为预估参数，贮存安全性能寿命预估选用推进剂中的安定剂含量作为预估参数，而内弹道性能寿命预估则选用静态燃速作为预估参数，物理性能寿命预估选用推进剂密度作为预估参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
安定剂采用N-甲基-对硝基苯胺和2-硝基二苯胺两种。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
在贮存安全寿命预估中，试验数据筛选原则为：
（1）消耗较慢的安定剂，在老化温度下，相对变化不超过10%，即认为安定剂含量不变，
（2）删除保持不变的试验数据，选择剩下的试验数据进行分析，并且老化试验数据点必须在三个以上方可进行寿命预估计算。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
在内弹道性能寿命预估和物理性能寿命预估中，试验数据筛选原则为：
（1）在燃速或密度的相对变化不超过预定值时，认为燃速或密度不变；
（2）删除保持不变的试验数据，选择剩下的试验数据进行分析，并且老化试验数据点必须在三个以上方可进行寿命预估计算。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
内弹道性能寿命预估和物理性能寿命预估中：
（1）无可用数据时，对应的性能满足设计要求；
（2）有可用数据分析的情况下，基于数学模型，根据提供的对应性能的判据，进行试验温度下的寿命计算，作为预估数值。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，
由该单一温度下的寿命预估数值计算得到推进剂贮存温度下的寿命预估数值包括：
将在试验温度下的寿命
Figure 956269DEST_PATH_IMAGE001
与加速系数
Figure 301799DEST_PATH_IMAGE002
相乘得到推进剂贮存温度下的寿命，即
Figure 232584DEST_PATH_IMAGE003
加速系数
Figure 234038DEST_PATH_IMAGE002
采用如下公式进行计算：
Figure 495255DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 242762DEST_PATH_IMAGE005
是推进剂贮存温度下的寿命，
Figure 970547DEST_PATH_IMAGE006
是推进剂贮存温度，
Figure 318352DEST_PATH_IMAGE001
是推进剂试验温度 下的寿命，
Figure 524205DEST_PATH_IMAGE007
是试验温度，
Figure 890333DEST_PATH_IMAGE002
是试验温度
Figure 789019DEST_PATH_IMAGE007
相对于贮存温度
Figure 561803DEST_PATH_IMAGE006
的加速系数，
Figure 446713DEST_PATH_IMAGE008
为推 进剂的表观活化能，R为摩尔气体常数。
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