一種火工藥劑高溫環境適應性試驗方法

2023-10-08 01:34:39

專利名稱：一種火工藥劑高溫環境適應性試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種火工藥劑高溫環境適應性試驗方法，通過試驗的方法獲得火箭、飛彈、飛船、衛星等飛行器中火工裝置的火工藥劑在某一高溫環境條件下的適應能力，包括物理性能、化學性能、爆炸性能，屬於火工品技術領域。
背景技術：
火工藥劑是火工裝置專用的特種含能材料，它的作用是接受火工裝置換能元件給出的微弱刺激能量，發生快速化學反應，釋放燃燒、爆燃或爆炸能量，使火工裝置實現解鎖、分離、展開、驅動、切割等預定功能。火工藥劑是一類性能極為特殊的含能材料，對比其他種類的含能材料，火工藥劑不僅是炸藥序列中最為敏感的含能材料，還具有獨特的爆炸、燃燒特徵，火工藥劑高溫環境適應性是指火工藥劑在某一個預示高溫環境條件下適應能力。過去，火工裝置經歷高溫環境不超出40°C，其內部火工藥劑的環境溫度要求也僅局限於40°C範圍內。隨著深空探測技術的迅速發展，一些飛行器開始面臨預示高於100°C的高溫環境，甚至更為惡劣，為此，飛行器系統對火工裝置提出了更高的熱環境溫度要求，這實質上是對火工藥劑的高溫環境適應性提出了更高要求。隨著高溫環境的加嚴，火工藥劑獨特的爆炸、燃燒特徵顯得倍受關注，一方面超出了現有高溫環境驗證試驗有關標準的適應範圍，另一方面為試驗人員測試分析火工藥劑高溫環境適應性增加了危險性，因此，如何安全、簡單、有效地分析各類火工藥劑在高於100°C的高溫環境適應性，成為了一項技術難點。對於現有分析方法，主要通過採用GJB737.1_89《火工品藥劑試驗方法真空安定性試驗壓力傳感器法》對火工藥劑在經歷範圍為100°c 150°c高溫環境後的安定性變化進行分析，其控溫時間為48小時，合格判據是熱分解產氣量不大於2ml。該方法僅能從熱分解反應角度分析火工藥劑化學性能的高溫環境適應能力，尚不能對火工藥劑的物理性能、爆炸性能進行高溫環境適應性分析。對於火箭、飛彈、飛船、衛星等飛行器中火工裝置而言，不僅需要分析火工藥劑化學性能的高溫環境適應性，也需要分析火工藥劑物理性能和爆炸性能的高溫環境適應性，為此，需要發明一種火工藥劑高溫環境適應性試驗方法，使得能夠從火工藥劑物理性能、化學性能、爆炸性能三個角度出發，全面分析火工藥劑對某一個預示高溫環境的適應能力。

發明內容
本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種火工藥劑高溫環境適應性試驗方法，該方法能夠對火工藥劑高溫環境適應性進行全面、準確分析，通用性強。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:一種火工藥劑高溫環境適應性試驗方法，步驟如下:(A)對同批次火工藥劑進行取樣、分裝；(B)採用火工藥劑性能隨溫度變化測試方法對火工藥劑的物理性能和化學性能在預示高溫環境下的適應性進行試驗，具體方法如下:(a)將由蓋子、坩堝、加熱塊和熱電偶組成的差示掃描量熱儀放置在密閉環境內，稱取0.5mg火工藥劑試樣和等量參比物輕放於敞開的坩堝中；(b)打開差示掃描量熱儀，設定火工藥劑試樣的加熱起始溫度和加熱終止溫度，力口熱塊從加熱起始溫度以5°c /min的變溫速率給火工藥劑試樣和參比物進行升溫直至升溫至加熱終止溫度；(C)利用熱電偶測試火工藥劑試樣和參比物的溫度並顯示在差示掃描量熱儀的控制終端上，然後根據差示掃描量熱儀控制終端上的顯示溫度，每隔10°c利用高清數位相機對火工藥劑試樣進行拍攝一次，並按順序記錄每張照片所對應的溫度；(d)利用高清數位相機連續拍攝的照片對比分析火工藥劑試樣顏色、體積、顆粒大小等物理性能隨溫度的變化情況，同時利用差示掃描量熱儀測試的熱分解曲線分析火工藥劑試樣化學性能隨溫度的變化情況；(e)得到火工藥劑在預示高溫環境下的物理性能和化學性能試驗結果；(C)利用火焰感度試驗導火索法測定壓實狀態火工藥劑試樣在常溫臨界點火距離的火焰感度和預示高溫臨界點火距離的火焰感度，將常溫和預示高溫條件下臨界點火距離的火焰感度數據進行線性化處理，得到火焰感度變化百分比；(D)利用點火壓力一時間曲線測定法測定常溫和預示高溫條件下壓實狀態火工藥劑試樣的壓力一時間曲線，將常溫和預示高溫條件下臨界點火距離的壓力一時間曲線進行線性化處理得到壓力峰值平均值變化百分比；(E)根據步驟(C)得到的火焰感度變化百分比和步驟(D)得到的壓力峰值平均值變化百分比測定火工藥劑爆炸性能在預示高溫環境下的適應性。本發明與現有技術相比的有益效果:與傳統的單一方法相比，該新方法採用新型火工藥劑性能隨溫度變化測試方法、火焰感度試驗法以及壓力一時間(Ρ-t)曲線試驗法對火工藥劑經歷預示高溫環境前後的物理、化學、爆炸狀態試驗並對試驗結果進行對比分析，依此綜合分析火工藥劑的高溫環境適應性，對火工藥劑高溫環境適應性分析更加全面、準確，適應於各類火工藥劑高溫環境適應性分析。本發明不僅可以對火工藥劑經歷任何預示高溫環境的物理性能、化學性能及爆炸性能變化進行有效分析，還可以間接分析火工裝置在預示高溫環境條件下的適應性，具有很好的通用性和指導性。


圖1為本發明的實現流程圖；圖2為火工藥劑性能隨溫度變化測試方法的實現原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖1對本發明做進一步說明。在採用本發明的試驗方法進行試驗之前，先採用故障模式影響分析(FMEA)方法初步分析火工藥劑在預示高溫環境下的失效模式，並根據分析結果重點找出對火工藥劑有顯著影響、且有可能導致火工裝置失效或生存能力下降的影響因素，形成故障樹，從理論上分析影響火工藥劑在預示高溫環境下適應能力的主要因素，並為試驗分析提供了理論指導。
(A)試驗前，對同批次火工藥劑進行取樣、分裝，包括鬆散藥劑、模擬火工裝置內部壓實裝藥的取樣與分裝。(B)採用火工藥劑性能隨溫度變化測試方法對火工藥劑的物理性能和化學性能在預示高溫環境下的適應性進行試驗。該方法主要採用高清數位相機和差示掃描量熱儀相結合的方法測試並分析火工藥劑的物理性能和化學性能隨溫度變化情況。如圖2所示，其實現過程如下:(a)試驗前，將差示掃描量熱儀的蓋子I敞開，並將裝有火工藥劑試樣和參比物的兩個坩堝4均敞開，稱取0.5mg火工藥劑試樣2和等量參比物3輕放於敞開的坩堝4中，既可以使火工藥劑試樣處於被高清數位相機監測狀態，也可以保證火工藥劑試樣和參比物處於相同的熱環境，不影響DSC儀器準確測試火工藥劑的起始分解溫度和起始分解時間、最大分解溫度和峰溫時間等熱力學參數；(b)然後將DSC儀器放置在密閉空間環境內，保持無通風狀態，保證火工藥劑試樣及參比物的熱環境嚴格按照DSC設備儀器預先設定的升溫速率升溫或降溫速度降溫，設定火工藥劑試樣的起始加熱溫度和結束加熱溫度，設定火工藥劑試樣經歷的最高溫度要比藥劑的爆發點至少低30°C，最低溫度不限，保證火工藥劑性能隨溫度變化連續測試實驗人員的安全。(c)試驗時，將DSC儀器的加熱速率或降溫速率設定為5°C /min，加熱塊5按照預先設定的變溫速率5°C /min從起始溫度給火工藥劑試樣2和參比物3加熱或降溫，既便於火工藥劑試樣均勻受熱，又給高清數位相機操作人員預留足夠拍照時間，熱電偶6測試火工藥劑試樣2和參比物3的溫度並反饋顯示在DSC儀器的終端顯示界面上；火工藥劑試樣應分為鬆散、壓實兩種狀態進行實驗，通過測試鬆散火工藥劑試樣反應藥劑本身性能隨溫度變化情況，通過測試模擬火工裝置中壓實狀態的火工藥劑反應火工裝置隨溫度變化情況。對於鬆散狀態，火工藥劑試樣的最佳重量為0.5mg,試驗過程中，火工藥劑在鬆散狀態條件下，在iio°c前顏色變化還不明顯，到110°C時開始顏色變淺，到160°C時可明顯觀測到小部分藥劑變成棕黃色，到180°C時大部分藥劑變成棕黃色，到200°C時基本全部變成棕黃色，由此可觀測出該火工藥劑鬆散狀態下隨溫度升高顏色、顆粒大小等物理性能變化情況。對於壓實狀態，火工藥劑的裝藥方法及藥量應根據火工裝置的實際情況而定，一來可以準確測試火工藥劑物理、化學性能隨溫度變化情況，二來可以準確模擬測試火工裝置的火工裝藥物理、化學性能隨溫度變化情況，火工藥劑在壓實狀態下，在110°C高溫前顏色未變，到110°C時開始出現顏色變化，到160°C時可明顯觀測到壓實藥劑表面顏色變成淺棕黃色，到180°c時變成深棕黃色，並發生體積膨脹、出現明顯鼓包、裂紋的現象，由此可觀測出該火工藥劑壓實狀態下的顏色、裝藥密度、表觀形貌等物理性能變化情況，可間接反應火工裝置內部裝藥隨溫度變化情況。(d)通過DSC儀器的終端顯示界面監控火工藥劑試樣的溫度狀態，並採用每隔10°C通過高清數位相機7拍攝一次火工藥劑試樣的照片，並按順序記錄照片所對應的溫度狀態，保證連續拍攝的照片與拍攝時溫度一一對應，拍攝照片時，應使高清數位相機7精準對焦於火工藥劑試樣2，並保持相機的位置、焦距等拍攝狀態不變，保證拍攝的照片具有可對比性。(e)最後，通過DSC儀器測試的熱分解曲線分析火工藥劑的化學性能變化情況，通過高清數位相機連續拍攝的照片對比分析火工藥劑的顏色、體積、顆粒大小等物理性能變化情況，從物理、化學兩個角度綜合評定火工藥劑性能隨溫度變化情況。C)利用火焰感度試驗導火索法測定壓實狀態火工藥劑試樣在常溫臨界點火距離的火焰感度和預示高溫臨界點火距離的火焰感度，將常溫和預示高溫條件下臨界點火距離的火焰感度數據進行線性化處理，得到火焰感度變化百分比；其方法原理是在火焰感度儀中將導火索的燃燒火焰作用於火工藥劑試樣上，測定使試50%發火時的火焰噴射距離，以此表徵試樣的火焰感度。通過該方法分別測定常溫條件、經歷預示環境溫度條件後試驗的火焰感度，並進行數據對比處理，以變化百分比表徵發火敏感性變化程度，並以變化百分比不大於5%作為火工藥劑發火安定性合格判據；測定的壓實藥劑分為A組合B組:A組(31發)壓實藥劑在常溫下進行火焰感度試驗，得到一個數值a ;B組(31發)壓實藥劑經歷預示溫度環境後(如高溫100°C儲存2天後)，再對壓實藥劑進行火焰感度試驗，得到一個數值b。最後將a和b比較，得到一個變化百分比，試驗結果如表I所示:表I裝有某火工藥劑的壓力藥筒火焰感度試驗結果
權利要求
1.一種火工藥劑高溫環境適應性試驗方法，其特徵在於步驟如下: (A)對同批次火工藥劑進行取樣、分裝； (B)採用火工藥劑性能隨溫度變化測試方法對火工藥劑的物理性能和化學性能在預示高溫環境下的適應性進行試驗，具體方法如下: (a)將由蓋子(I)、坩堝(4)、加熱塊(5)和熱電偶(6)組成的差示掃描量熱儀放置在密閉環境內，稱取0.5mg火工藥劑試樣(2)和等量參比物(3)輕放於敞開的坩堝(4)中； (b)打開差示掃描量熱儀，設定火工藥劑試樣(2)的加熱起始溫度和加熱終止溫度，力口熱塊(5)從加熱起始溫度以5°C /min的變溫速率給火工藥劑試樣(2)和參比物(3)進行升溫直至升溫至加熱終止溫度； (c)利用熱電偶(6)測試火工藥劑試樣(2)和參比物(3)的溫度並顯示在差示掃描量熱儀的控制終端上，然後根據差示掃描量熱儀控制終端上的顯示溫度，每隔10°C利用高清數位相機(7)對火工藥劑試樣(2)進行拍攝一次，並按順序記錄每張照片所對應的溫度； Cd)利用高清數位相機(7)連續拍攝的照片對比分析火工藥劑試樣(2)顏色、體積、顆粒大小等物理性能隨溫度的變化情況，同時利用差示掃描量熱儀測試的熱分解曲線分析火工藥劑試樣(2)化學性能隨溫度的變化情況； Ce)得到火工藥劑在預示高溫環境下的物理性能和化學性能試驗結果； (C)利用火焰感度試驗導火索法測定壓實狀態火工藥劑試樣在常溫臨界點火距離的火焰感度和預示高溫臨界點火距離的火焰感度，將常溫和預示高溫條件下臨界點火距離的火焰感度數據進行線性化處理，得到火焰感度變化百分比； (D)利用點火壓力一時間曲線測定法測定常溫和預示高溫條件下壓實狀態火工藥劑試樣的壓力一時間曲線，將常溫和預示高溫條件下壓實狀態火工藥劑試樣的壓力一時間曲線進行線性化處理得到壓力峰值平均值變化百分比； (E)根據步驟(C)得到的火焰感度變化百分比和步驟(D)得到的壓力峰值平均值變化百分比測定火工藥劑爆炸性能在預示高溫環境下的適應性。
全文摘要
本發明公開了一種火工藥劑高溫環境適應性試驗方法，該方法採用新型火工藥劑性能隨溫度變化測試方法、火焰感度試驗法以及壓力—時間(P-t)曲線試驗法對火工藥劑經歷預示高溫環境前後的物理、化學、爆炸狀態進行試驗並對試驗結果進行對比分析，依此綜合分析火工藥劑的高溫環境適應性，對火工藥劑高溫環境適應性分析更加全面、準確，適應於各類火工藥劑高溫環境適應性分析。本發明不僅可以對火工藥劑經歷任何預示高溫環境的物理性能、化學性能及爆炸性能變化進行有效分析，還可以間接分析火工裝置在預示高溫環境條件下的適應性，具有很好的通用性和指導性。
文檔編號G01N25/54GK103091364SQ201310036659
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月30日 優先權日2013年1月30日
發明者葉耀坤, 嚴楠, 李新立, 丁鋒, 柴洪友 申請人:北京空間飛行器總體設計部