固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法
2023-06-12 05:24:21
專利名稱：固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法
技術領域：
本發明涉及一種固體推進劑燃速測試方法。
背景技術：
固體推進劑的燃燒速度是指單位時間內沿固體推進劑表面的法線方向上固相消失的距離，簡稱固體推進劑的燃速。它決定著固體推進劑能量的釋放速度，也是計算固體推進劑其它燃燒性能(燃速壓強指數、燃速溫度敏感係數、侵蝕比等)的核心參量。無論燃燒時壓強、初溫、氣流速度等影響因素的變化，最終都將反映在燃速的變化上。此外，它還直接影響火箭發動機的彈道性能、飛行速度和工作穩定性等。因此，固體推進劑的燃速是武器所要求的重要性能參數之一，研究燃速及燃速受影響因素的變化規律，可以為固體火箭發動機和裝藥設計者提供重要的設計參數。在固體推進劑生產的過程中，由於每一批次原材料在物理、化學性質上可能存在細微的差異，這將導致同種配方不同批次的產品在性能上產生不小的差異，從而影響到固體火箭發動機的正常使用，因此需要對每個批次的固體推進劑進行燃燒性能的檢驗。目前常用的固體推進劑燃速測試方法只能對單一壓強、溫度的樣品進行燃速測試，在測試燃速壓強指數和燃速溫度敏感係數時需要重複十幾次甚至幾十次的操作，測試周期較長，所以需要一種簡單、高效、快捷的固體推進劑燃燒性能測試方法，以縮短固體推進劑的生產周期。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠方便、快捷地測出固體推進劑的準動態燃速、燃速壓強指數和高溫條件下的燃速溫度敏感係數的多靶線準動態燃燒性能測試方法，以克服現有技術測試周期較長的主要不足。本發明實現過程如下
一種固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，包括以下步驟
(1)將待測固體推進劑按照GJB770B-2005方法706. 1中的要求測試由低壓到高壓的各個壓強下的靜態燃速，測試壓強間隔至少為2MPa，得出平均燃速一壓強關係曲線、每一個壓強點測試時的最大有效燃速值與測試壓強關係曲線、最小有效燃速值與測試壓強關係曲線；使用6次方擬合多項式回歸計算燃速與壓強的關係；
(2)進行固體推進劑試樣密閉狀態下燃燒增壓測試，使其達到所要測試的壓強範圍；通過減小燃燒室有效體積或增加固體推進劑樣品放氣量可使燃燒室內壓強變化範圍達到測試要求，若壓強變化範圍小於需要測試壓強區間時，在燃燒室內增加試樣同時點燃，以增大壓強的變化量，或在密閉燃燒室中加入不可燃燒的填充物減小燃燒室的容積；
(3)在包覆好的固體推進劑試樣上鑽6 10個靶孔，穿靶線及點火線；
(4)預定初始壓強和初始溫度，在密閉的燃燒室中點燃固體推進劑試樣，在固體推進劑試樣燃燒的過程中依次記錄每條靶線熔斷的時刻，並用壓力傳感器和溫度傳感器記錄燃燒T0 ,Α表示Imm長的固體推進劑試樣燃燒後，產生氣
體的物質的量，通過固體推進劑配方利用多步迭代法或最小吉布斯自由能法計算得出，計算時需要的參考溫度由溫度傳感器測得。 與現有的固體推進劑燃燒性能測試手段相比，本發明具有下述優點本測試方法在完全密閉的環境中進行燃燒性能測試，利用燃燒後產生的氣體對燃燒室進行自增壓，用多條靶線記錄樣品長度隨時間變化過程。可以方便、快捷地測出固體推進劑(雙基推進劑、 改性雙基推進劑和複合推進劑)的準動態燃速、燃速壓強指數和高溫條件下的燃速溫度敏感係數，適用於在固體推進劑生產過程中對每一批產品進行快速性能檢測、質量控制等工作，可以縮短固體推進劑的研製生產周期，降低成本。
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室中壓強和溫度動態變化過程；若相鄰兩靶線熔斷的時間間隔大於0. 5秒，則測試數據有效；若小於0. 5秒，調整鑽孔方式，重新試驗；
(5)通過分析得出固體推進劑燃燒過程中燃燒長度、壓強、溫度和時間的動態關係
/ = /(L ΡΤ '計算出固體推進劑樣品在一定壓強範圍內的燃速r = 、燃速壓強指數
A Iri rA Iti τ
η = —4和燃速溫度敏感係數％ = 。 a In PdT步驟(5)完成後進行測試結果有效性驗證，具體步驟如下
(6)取準動態燃燒測試過程中某時刻^,測得固體推進劑的燃燒速度為r^),根據P⑷
關係可知此時燃燒室內的壓強大小為；
(7)根據步驟(1)得出的u麗(F)和^nift(P)關係式可以得出當燃燒室內的壓強大小為^ )時固體推進劑靜態燃速的範圍是kiJPfe))-· (^ ))],若 ΗΦ kiJ玲J-. (- ))],說明測試結果有效。在上述步驟(3)中，對於大多數固體推進劑試樣，採用等距靶線間距測試；對於燃速較高的固體推進劑試樣，採用「前短後長」的不等距靶線間距進行測試，每一種配方只能採用一種靶線間距進行測試。在上述步驟(5)中，壓力傳感器測得的曲線可直接參與計算，固體推進劑試樣燃燒過程中燃燒長度、壓強、溫度和時間的動態關係可用參數方程的形式表示如下，
{P,L.T,t) =
Ρ(β)
T(P,LJ)
m是通過測得各條靶線依次燒斷的時刻和它們對應的試樣長度，採用6次方擬合多項式回歸得出；
T(PrLj)由理想氣體狀態方程PF= nBT推導得出
圖1靜態測試得出的燃速一壓強關係曲線圖； 圖2多靶線鑽孔示意圖3等距鑽孔示意圖4不等距鑽孔示意圖5準動態測試結果有效性判斷。
具體實施例方式將待測固體推進劑按照GJB 770B-2005方法706. 1中的要求進行切條、包覆、鑽孔、穿線等操作，然後用靶線法測試由低壓到高壓(2 22MPa)的各個壓強下的靜態燃速。 各壓強下至少進行5次測試，經過格拉布斯法則剔除異常值後進行平均計算，得出該壓強
下的平均燃速值—通過多項式擬合得出靜態平均燃速與壓強的變化關係 (乃，即-一P曲線。記錄每個壓強下單點燃速測試時的最大有效值和最小有效值《_ ,通過多項
式擬合得出燃速最大有效值與壓強的變化關係《_: (Jj)和Wail(巧，將它們與關係曲線置於同一坐標系中，形成一族曲線(如圖1)。選用按照進行切條、包覆處理後的固體推進劑樣品，在靠近一個端面約1 2mm 處用Φ0. 7mm的鑽頭橫向鑽孔，在孔中穿Φ0. 3mm的鎳鉻點火絲後將其兩端綁在燃燒室藥架的接線柱上，將綁好試驗的藥架裝入完全密閉的燃燒室中，連接好電路，根據測試的需要向燃燒室內注入氮氣使燃燒室的壓強達到初始壓強。啟動點火按鈕點燃固體推進劑試樣， 同時觀察與燃燒室相接的壓力傳感器或壓力表上所顯示的密閉燃燒室中壓強的實時變化情況，尤其是燃燒過程中壓強達到的最大值，以此來確定整個過程中密閉燃燒室內壓強的變化範圍。若壓強變化範圍比所要測試的燃速壓強指數的壓強範圍稍大一些或相同時，說明固體推進劑試樣的尺寸選擇合適，可以進行下一步測試；若壓強變化範圍小於需要測試的燃速壓強指數的壓強區間時，說明選取的樣品尺寸偏小，燃燒後燃燒室內的壓強沒有達到所要求測試的壓強值，這時可以通過增大燃燒室內壓強的變化率和減少燃燒室容積來解決，具體的措施是在不影響測試的前提下在燃燒室內再放入一個相同的試樣(不用穿靶線) 同時點燃，以增大壓強的變化量，還可以在密閉燃燒室中加入不可燃燒的填充物(如石墨) 以減少燃燒室的容積；若固體推進劑燃燒的壓強變化範圍遠大於所要測試燃速壓強指數的壓強區間，則可以選擇較小尺寸的固體推進劑試樣，使燃燒室內的增壓減少。按照圖2、圖3所示的方法在固體推進劑試樣的側面進行鑽孔，最靠近端面的孔為點火線孔，其餘均為靶線孔，靶線孔的個數最少為6個，首次測試時靶孔的間距應該相等， 約20 30mm，第一個靶孔與點火線孔的距離應該在20mm以上，靶線是直徑0. 5 0. 7mm低熔點的保險絲。將點火線和每一條靶線穿好後綁在燃燒室藥架的接線柱上，再把燃燒室藥架放入密閉的燃燒室，連接測試電路，確認電路連接無誤後，向燃燒室內加入氮氣使其達到規定的壓強，啟動點火電路點燃固體推進劑試樣，當燃燒至第一根靶線熔斷後，測試系統計時開始，同時也開始啟動測試程序記錄密閉燃燒室內的實時壓強。燃燒結束後，排出密閉燃燒室內的氣體，使燃燒室內壓強恢復至常壓。隨著燃燒的進行，第2根直至第m根靶線依次熔斷，測試系統依次記錄下每一根靶線熔斷的時刻，相鄰兩次熔斷時刻的差值即固體推進劑樣品在該測試段的燃燒時間Δ ，若
試樣上穿有m根靶線，則有m-1個測試段，每段的燃燒時間記為M, M2 ■ -·Μμ_χ。如果測得的每個測試段的燃燒時間Ai2^Hi1都大於0.5s，則測試結果有
效，可以進行下一步處理。若H1中有一個或幾個數值小於0. 5s，說明該測試段
的靶線間距過小，此時通過靶線熔斷計時時存在較大的誤差，因此需要調整靶線間距重新測試。這時可以採用等距調整，即保持每個測試段的間距都相等的前提下增大靶線的間距，
也可以根據每個測試段的燃燒時間ht2 · --Al^1進行不等距調整，遵循「前短後長」的原
則(如圖4)，將燃燒初期燃速較慢時的兩靶線間距適當變短，以減少燃燒時間，而將燃燒後期燃速較快時的兩靶線間距適當加長，增加燃燒時間，但應該注意的是同一種配方的固體推進劑試樣只能選擇一種固定的靶線間距進行測試。在測試過程中，以第一條靶線燒斷的時刻、可以記錄下各條靶線作為計時起點， 以後各條靶線燒斷的時刻依次計為、，、，……ty，這些時刻對應的固體推進劑長度計為 L0, L1,……Lnri(如圖3)，其數值在鑽孔時均已確定，也可認為是已知的。根據以上兩組數據通過多項式回歸得出固體推進劑燃燒時長度和時間的對應關係僅幻。在測試過程中，利用快速響應的壓力傳感器可以測試到燃燒室中壓強的實時變化情況,即曲線。在大多數的燃燒反應中，可以認為多元氣體混合物及其組分服從理想氣體狀態方程屍「= ΛΤ ,式中
P—氣體的壓強，通過壓力傳感器可精密測得；
V—氣體的體積，等於燃燒室的容積，固體推進劑樣品所佔體積忽略不計； η——燃燒室內氣體的物質的量； R——摩爾氣體常數，8. 314J · moF1 · K—1 ； T——燃燒室內氣體的熱力學溫度，單位為KKelvin，(開爾文)]。設定起始狀態1 :時刻為t1;壓強為P1,體積為V，溫度為T1 ； 設定結束狀態2 時間為t2，壓強為P2,體積為V，溫度為T2。根據氣態方程，可以得到狀態1和狀態2時的氣態方程分別為 狀態I 炒=￥7](1)
狀態 2:/|Γ= ΛΓ2(2)
由(2)式減去(1)式可以得到 (P2-P1)-V = In2 - J.i .(T2-T1) (3)
假設Imm長的火藥藥條試樣燃燒後，產生k mol的氣體(常數k可以通過固體推進劑配方利用多步迭代法或最小吉布斯自由能法計算得出)。已知火藥燃速與時間之間的
7關係曲線為
權利要求
1.一種固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，其特徵在於包括以下步驟(1)將待測固體推進劑按照GJB770B-2005方法706. 1中的要求測試由低壓到高壓的各個壓強下的靜態燃速，測試壓強間隔至少為2MPa，得出平均燃速一壓強關係曲線、每一個壓強點測試時的最大有效燃速值與測試壓強關係曲線、最小有效燃速值與測試壓強關係曲線；(2)進行固體推進劑試樣密閉狀態下燃燒增壓測試，使其達到所要測試的壓強範圍；(3)在包覆好的固體推進劑試樣上鑽6 10個靶孔，穿靶線及點火線；(4)預定初始壓強和初始溫度，在密閉的燃燒室中點燃固體推進劑試樣，在固體推進劑試樣燃燒的過程中依次記錄每條靶線熔斷的時刻，並用壓力傳感器和溫度傳感器記錄燃燒室中壓強和溫度動態變化過程；(5)通過分析得出固體推進劑燃燒過程中燃燒長度、壓強、溫度和時間的動態關係
2.根據權利要求1所述的固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，其特徵在於 對於每一種固體推進劑試樣進行初次測試時，步驟(5)完成後進行測試結果有效性驗證，具體步驟如下(6)取準動態燃燒測試過程中某時刻^,測得固體推進劑的燃燒速度為γ^),根據/>(/) 關係可知此時燃燒室內的壓強大小為Pfe)；(7)根據步驟(1)得出的u·(F)和Kmift(P)關係式可以得出當燃燒室內的壓強大小為^fe)時固體推進劑靜態燃速的範圍是kin(-HiVt (-U],若噸)e IuakMil^ (玲J，說明測試結果有效。
3.根據權利要求1所述的固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，其特徵在於 步驟(2)中，通過減小燃燒室有效體積或增加固體推進劑樣品放氣量可使燃燒室內壓強變化範圍達到測試要求。
4.根據權利要求3所述的固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，其特徵在於 若壓強變化範圍小於需要測試壓強區間時，在燃燒室內增加試樣同時點燃，以增大壓強的變化量，或在密閉燃燒室中加入不可燃燒的填充物減小燃燒室的容積。
5.根據權利要求1所述的固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，其特徵在於 步驟(4)中，若相鄰兩靶線熔斷的時間間隔大於0. 5秒，則測試數據有效；若小於0. 5秒，調整鑽孔方式，重新試驗。
6.根據權利要求1所述的固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，其特徵在於 步驟(1)中，使用6次方擬合多項式回歸計算燃速與壓強的關係。
7.根據權利要求1所述的固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，其特徵在於步驟(3)中，對於大多數固體推進劑試樣，採用等距靶線間距測試；對於燃速較高的固體推進劑試樣，採用「前短後長」的不等距靶線間距進行測試，每一種配方只能採用一種靶線間距進行測試。
8.根據權利要求1所述的固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，其特徵在於 步驟(5)中，壓力傳感器測得的汽幻曲線可直接參與計算。
9.根據權利要求8所述的固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，其特徵在於 步驟(5)中，固體推進劑試樣燃燒過程中燃燒長度、壓強、溫度和時間的動態關係可用參數方程的形式表示如下，
全文摘要
本發明公開了一種固體推進劑多靶線準動態燃燒性能測試方法，包括以下步驟(1)將待測固體推進劑測試由低壓到高壓的各個壓強下的靜態燃速，得出平均燃速—壓強關係曲線、最大有效燃速值與測試壓強關係曲線、最小有效燃速值與測試壓強關係曲線；(2)進行固體推進劑試樣密閉狀態下燃燒增壓測試，使其達到所要測試的壓強範圍；(3)在包覆好的固體推進劑試樣上鑽6～10個靶孔，穿靶線及點火線；(4)預定初始壓強和初始溫度，在密閉的燃燒室中點燃固體推進劑試樣，在固體推進劑試樣燃燒的過程中依次記錄每條靶線熔斷的時刻；(5)通過分析得出固體推進劑燃燒過程中燃燒長度、壓強、溫度和時間的動態關係，計算出固體推進劑樣品在一定壓強範圍內的燃速、燃速壓強指數和燃速溫度敏感係數。本發明適用於在固體推進劑生產過程中對每一批產品進行快速性能檢測、質量控制等工作，可以縮短固體推進劑的研製生產周期，降低成本。
文檔編號G01N33/22GK102175830SQ20111003979
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月17日 優先權日2011年2月17日
發明者劉科祥, 徐司雨, 樊學忠, 肖立柏, 裴慶, 趙鳳起, 邢曉玲 申請人:西安電子科技大學, 西安近代化學研究所