專利名稱：固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體推進(jìn)劑燃速測試方法。
背景技術(shù)：
固體推進(jìn)劑的燃燒速度是指單位時間內(nèi)沿固體推進(jìn)劑表面的法線方向上固相消失的距離，簡稱固體推進(jìn)劑的燃速。它決定著固體推進(jìn)劑能量的釋放速度，也是計(jì)算固體推進(jìn)劑其它燃燒性能(燃速壓強(qiáng)指數(shù)、燃速溫度敏感系數(shù)、侵蝕比等)的核心參量。無論燃燒時壓強(qiáng)、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(fā)動機(jī)的彈道性能、飛行速度和工作穩(wěn)定性等。因此，固體推進(jìn)劑的燃速是武器所要求的重要性能參數(shù)之一，研究燃速及燃速受影響因素的變化規(guī)律，可以為固體火箭發(fā)動機(jī)和裝藥設(shè)計(jì)者提供重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。在固體推進(jìn)劑生產(chǎn)的過程中，由于每一批次原材料在物理、化學(xué)性質(zhì)上可能存在細(xì)微的差異，這將導(dǎo)致同種配方不同批次的產(chǎn)品在性能上產(chǎn)生不小的差異，從而影響到固體火箭發(fā)動機(jī)的正常使用，因此需要對每個批次的固體推進(jìn)劑進(jìn)行燃燒性能的檢驗(yàn)。目前常用的固體推進(jìn)劑燃速測試方法只能對單一壓強(qiáng)、溫度的樣品進(jìn)行燃速測試，在測試燃速壓強(qiáng)指數(shù)和燃速溫度敏感系數(shù)時需要重復(fù)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(jìn)劑燃燒性能測試方法，以縮短固體推進(jìn)劑的生產(chǎn)周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠方便、快捷地測出固體推進(jìn)劑的準(zhǔn)動態(tài)燃速、燃速壓強(qiáng)指數(shù)和高溫條件下的燃速溫度敏感系數(shù)的多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)測試周期較長的主要不足。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)過程如下
一種固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，包括以下步驟
(1)將待測固體推進(jìn)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(qiáng)下的靜態(tài)燃速，測試壓強(qiáng)間隔至少為2MPa，得出平均燃速一壓強(qiáng)關(guān)系曲線、每一個壓強(qiáng)點(diǎn)測試時的最大有效燃速值與測試壓強(qiáng)關(guān)系曲線、最小有效燃速值與測試壓強(qiáng)關(guān)系曲線；使用6次方擬合多項(xiàng)式回歸計(jì)算燃速與壓強(qiáng)的關(guān)系；
(2)進(jìn)行固體推進(jìn)劑試樣密閉狀態(tài)下燃燒增壓測試，使其達(dá)到所要測試的壓強(qiáng)范圍；通過減小燃燒室有效體積或增加固體推進(jìn)劑樣品放氣量可使燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)變化范圍達(dá)到測試要求，若壓強(qiáng)變化范圍小于需要測試壓強(qiáng)區(qū)間時，在燃燒室內(nèi)增加試樣同時點(diǎn)燃，以增大壓強(qiáng)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(jìn)劑試樣上鉆6 10個靶孔，穿靶線及點(diǎn)火線；
(4)預(yù)定初始壓強(qiáng)和初始溫度，在密閉的燃燒室中點(diǎn)燃固體推進(jìn)劑試樣，在固體推進(jìn)劑試樣燃燒的過程中依次記錄每條靶線熔斷的時刻，并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(jìn)劑試樣燃燒后，產(chǎn)生氣
體的物質(zhì)的量，通過固體推進(jìn)劑配方利用多步迭代法或最小吉布斯自由能法計(jì)算得出，計(jì)算時需要的參考溫度由溫度傳感器測得。 與現(xiàn)有的固體推進(jìn)劑燃燒性能測試手段相比，本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn)本測試方法在完全密閉的環(huán)境中進(jìn)行燃燒性能測試，利用燃燒后產(chǎn)生的氣體對燃燒室進(jìn)行自增壓，用多條靶線記錄樣品長度隨時間變化過程?？梢苑奖?、快捷地測出固體推進(jìn)劑(雙基推進(jìn)劑、 改性雙基推進(jìn)劑和復(fù)合推進(jìn)劑)的準(zhǔn)動態(tài)燃速、燃速壓強(qiáng)指數(shù)和高溫條件下的燃速溫度敏感系數(shù)，適用于在固體推進(jìn)劑生產(chǎn)過程中對每一批產(chǎn)品進(jìn)行快速性能檢測、質(zhì)量控制等工作，可以縮短固體推進(jìn)劑的研制生產(chǎn)周期，降低成本。
5
室中壓強(qiáng)和溫度動態(tài)變化過程；若相鄰兩靶線熔斷的時間間隔大于0. 5秒，則測試數(shù)據(jù)有效；若小于0. 5秒，調(diào)整鉆孔方式，重新試驗(yàn)；
(5)通過分析得出固體推進(jìn)劑燃燒過程中燃燒長度、壓強(qiáng)、溫度和時間的動態(tài)關(guān)系
/ = /(L ΡΤ '計(jì)算出固體推進(jìn)劑樣品在一定壓強(qiáng)范圍內(nèi)的燃速r = 、燃速壓強(qiáng)指數(shù)
A Iri rA Iti τ
η = —4和燃速溫度敏感系數(shù)％ = 。 a In PdT步驟(5)完成后進(jìn)行測試結(jié)果有效性驗(yàn)證，具體步驟如下
(6)取準(zhǔn)動態(tài)燃燒測試過程中某時刻^,測得固體推進(jìn)劑的燃燒速度為r^),根據(jù)P⑷
關(guān)系可知此時燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)大小為；
(7)根據(jù)步驟(1)得出的u麗(F)和^nift(P)關(guān)系式可以得出當(dāng)燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)大小為^ )時固體推進(jìn)劑靜態(tài)燃速的范圍是kiJPfe))-· (^ ))],若 ΗΦ kiJ玲J-. (- ))],說明測試結(jié)果有效。在上述步驟(3)中，對于大多數(shù)固體推進(jìn)劑試樣，采用等距靶線間距測試；對于燃速較高的固體推進(jìn)劑試樣，采用“前短后長”的不等距靶線間距進(jìn)行測試，每一種配方只能采用一種靶線間距進(jìn)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(jì)算，固體推進(jìn)劑試樣燃燒過程中燃燒長度、壓強(qiáng)、溫度和時間的動態(tài)關(guān)系可用參數(shù)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(yīng)的試樣長度，采用6次方擬合多項(xiàng)式回歸得出；
T(PrLj)由理想氣體狀態(tài)方程PF= nBT推導(dǎo)得出


圖1靜態(tài)測試得出的燃速一壓強(qiáng)關(guān)系曲線圖； 圖2多靶線鉆孔示意圖3等距鉆孔示意圖4不等距鉆孔示意圖5準(zhǔn)動態(tài)測試結(jié)果有效性判斷。
具體實(shí)施例方式將待測固體推進(jìn)劑按照GJB 770B-2005方法706. 1中的要求進(jìn)行切條、包覆、鉆孔、穿線等操作，然后用靶線法測試由低壓到高壓(2 22MPa)的各個壓強(qiáng)下的靜態(tài)燃速。 各壓強(qiáng)下至少進(jìn)行5次測試，經(jīng)過格拉布斯法則剔除異常值后進(jìn)行平均計(jì)算，得出該壓強(qiáng)
下的平均燃速值—通過多項(xiàng)式擬合得出靜態(tài)平均燃速與壓強(qiáng)的變化關(guān)系 (乃，即-一P曲線。記錄每個壓強(qiáng)下單點(diǎn)燃速測試時的最大有效值和最小有效值《_ ,通過多項(xiàng)
式擬合得出燃速最大有效值與壓強(qiáng)的變化關(guān)系《_: (Jj)和Wail(巧，將它們與關(guān)系曲線置于同一坐標(biāo)系中，形成一族曲線(如圖1)。選用按照進(jìn)行切條、包覆處理后的固體推進(jìn)劑樣品，在靠近一個端面約1 2mm 處用Φ0. 7mm的鉆頭橫向鉆孔，在孔中穿Φ0. 3mm的鎳鉻點(diǎn)火絲后將其兩端綁在燃燒室藥架的接線柱上，將綁好試驗(yàn)的藥架裝入完全密閉的燃燒室中，連接好電路，根據(jù)測試的需要向燃燒室內(nèi)注入氮?dú)馐谷紵业膲簭?qiáng)達(dá)到初始壓強(qiáng)。啟動點(diǎn)火按鈕點(diǎn)燃固體推進(jìn)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(qiáng)的實(shí)時變化情況，尤其是燃燒過程中壓強(qiáng)達(dá)到的最大值，以此來確定整個過程中密閉燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)的變化范圍。若壓強(qiáng)變化范圍比所要測試的燃速壓強(qiáng)指數(shù)的壓強(qiáng)范圍稍大一些或相同時，說明固體推進(jìn)劑試樣的尺寸選擇合適，可以進(jìn)行下一步測試；若壓強(qiáng)變化范圍小于需要測試的燃速壓強(qiáng)指數(shù)的壓強(qiáng)區(qū)間時，說明選取的樣品尺寸偏小，燃燒后燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)沒有達(dá)到所要求測試的壓強(qiáng)值，這時可以通過增大燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)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(nèi)再放入一個相同的試樣(不用穿靶線) 同時點(diǎn)燃，以增大壓強(qiáng)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(jìn)劑燃燒的壓強(qiáng)變化范圍遠(yuǎn)大于所要測試燃速壓強(qiáng)指數(shù)的壓強(qiáng)區(qū)間，則可以選擇較小尺寸的固體推進(jìn)劑試樣，使燃燒室內(nèi)的增壓減少。按照圖2、圖3所示的方法在固體推進(jìn)劑試樣的側(cè)面進(jìn)行鉆孔，最靠近端面的孔為點(diǎn)火線孔，其余均為靶線孔，靶線孔的個數(shù)最少為6個，首次測試時靶孔的間距應(yīng)該相等， 約20 30mm，第一個靶孔與點(diǎn)火線孔的距離應(yīng)該在20mm以上，靶線是直徑0. 5 0. 7mm低熔點(diǎn)的保險(xiǎn)絲。將點(diǎn)火線和每一條靶線穿好后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(rèn)電路連接無誤后，向燃燒室內(nèi)加入氮?dú)馐蛊溥_(dá)到規(guī)定的壓強(qiáng)，啟動點(diǎn)火電路點(diǎn)燃固體推進(jìn)劑試樣，當(dāng)燃燒至第一根靶線熔斷后，測試系統(tǒng)計(jì)時開始，同時也開始啟動測試程序記錄密閉燃燒室內(nèi)的實(shí)時壓強(qiáng)。燃燒結(jié)束后，排出密閉燃燒室內(nèi)的氣體，使燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)恢復(fù)至常壓。隨著燃燒的進(jìn)行，第2根直至第m根靶線依次熔斷，測試系統(tǒng)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(jìn)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都大于0.5s，則測試結(jié)果有
效，可以進(jìn)行下一步處理。若H1中有一個或幾個數(shù)值小于0. 5s，說明該測試段
的靶線間距過小，此時通過靶線熔斷計(jì)時時存在較大的誤差，因此需要調(diào)整靶線間距重新測試。這時可以采用等距調(diào)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(jù)每個測試段的燃燒時間ht2 · --Al^1進(jìn)行不等距調(diào)整，遵循“前短后長”的原
則(如圖4)，將燃燒初期燃速較慢時的兩靶線間距適當(dāng)變短，以減少燃燒時間，而將燃燒后期燃速較快時的兩靶線間距適當(dāng)加長，增加燃燒時間，但應(yīng)該注意的是同一種配方的固體推進(jìn)劑試樣只能選擇一種固定的靶線間距進(jìn)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(jì)時起點(diǎn)， 以后各條靶線燒斷的時刻依次計(jì)為、，、，……ty，這些時刻對應(yīng)的固體推進(jìn)劑長度計(jì)為 L0, L1,……Lnri(如圖3)，其數(shù)值在鉆孔時均已確定，也可認(rèn)為是已知的。根據(jù)以上兩組數(shù)據(jù)通過多項(xiàng)式回歸得出固體推進(jìn)劑燃燒時長度和時間的對應(yīng)關(guān)系僅幻。在測試過程中，利用快速響應(yīng)的壓力傳感器可以測試到燃燒室中壓強(qiáng)的實(shí)時變化情況,即曲線。在大多數(shù)的燃燒反應(yīng)中，可以認(rèn)為多元?dú)怏w混合物及其組分服從理想氣體狀態(tài)方程尸「= ΛΤ ,式中
P—?dú)怏w的壓強(qiáng)，通過壓力傳感器可精密測得；
V—?dú)怏w的體積，等于燃燒室的容積，固體推進(jìn)劑樣品所占體積忽略不計(jì)； η——燃燒室內(nèi)氣體的物質(zhì)的量； R——摩爾氣體常數(shù)，8. 314J · moF1 · K—1 ； T——燃燒室內(nèi)氣體的熱力學(xué)溫度，單位為KKelvin，(開爾文)]。設(shè)定起始狀態(tài)1 :時刻為t1;壓強(qiáng)為P1,體積為V，溫度為T1 ； 設(shè)定結(jié)束狀態(tài)2 時間為t2，壓強(qiáng)為P2,體積為V，溫度為T2。根據(jù)氣態(tài)方程，可以得到狀態(tài)1和狀態(tài)2時的氣態(tài)方程分別為 狀態(tài)I 炒=￥7](1)
狀態(tài) 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(shè)Imm長的火藥藥條試樣燃燒后，產(chǎn)生k mol的氣體(常數(shù)k可以通過固體推進(jìn)劑配方利用多步迭代法或最小吉布斯自由能法計(jì)算得出)。已知火藥燃速與時間之間的
7關(guān)系曲線為
權(quán)利要求
1.一種固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，其特征在于包括以下步驟(1)將待測固體推進(jìn)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(qiáng)下的靜態(tài)燃速，測試壓強(qiáng)間隔至少為2MPa，得出平均燃速一壓強(qiáng)關(guān)系曲線、每一個壓強(qiáng)點(diǎn)測試時的最大有效燃速值與測試壓強(qiáng)關(guān)系曲線、最小有效燃速值與測試壓強(qiáng)關(guān)系曲線；(2)進(jìn)行固體推進(jìn)劑試樣密閉狀態(tài)下燃燒增壓測試，使其達(dá)到所要測試的壓強(qiáng)范圍；(3)在包覆好的固體推進(jìn)劑試樣上鉆6 10個靶孔，穿靶線及點(diǎn)火線；(4)預(yù)定初始壓強(qiáng)和初始溫度，在密閉的燃燒室中點(diǎn)燃固體推進(jìn)劑試樣，在固體推進(jìn)劑試樣燃燒的過程中依次記錄每條靶線熔斷的時刻，并用壓力傳感器和溫度傳感器記錄燃燒室中壓強(qiáng)和溫度動態(tài)變化過程；(5)通過分析得出固體推進(jìn)劑燃燒過程中燃燒長度、壓強(qiáng)、溫度和時間的動態(tài)關(guān)系
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，其特征在于 對于每一種固體推進(jìn)劑試樣進(jìn)行初次測試時，步驟(5)完成后進(jìn)行測試結(jié)果有效性驗(yàn)證，具體步驟如下(6)取準(zhǔn)動態(tài)燃燒測試過程中某時刻^,測得固體推進(jìn)劑的燃燒速度為γ^),根據(jù)/>(/) 關(guān)系可知此時燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)大小為Pfe)；(7)根據(jù)步驟(1)得出的u·(F)和Kmift(P)關(guān)系式可以得出當(dāng)燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)大小為^fe)時固體推進(jìn)劑靜態(tài)燃速的范圍是kin(-HiVt (-U],若噸)e IuakMil^ (玲J，說明測試結(jié)果有效。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，其特征在于 步驟(2)中，通過減小燃燒室有效體積或增加固體推進(jìn)劑樣品放氣量可使燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)變化范圍達(dá)到測試要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，其特征在于 若壓強(qiáng)變化范圍小于需要測試壓強(qiáng)區(qū)間時，在燃燒室內(nèi)增加試樣同時點(diǎn)燃，以增大壓強(qiáng)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(jù)權(quán)利要求1所述的固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，其特征在于 步驟(4)中，若相鄰兩靶線熔斷的時間間隔大于0. 5秒，則測試數(shù)據(jù)有效；若小于0. 5秒，調(diào)整鉆孔方式，重新試驗(yàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，其特征在于 步驟(1)中，使用6次方擬合多項(xiàng)式回歸計(jì)算燃速與壓強(qiáng)的關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，其特征在于步驟(3)中，對于大多數(shù)固體推進(jìn)劑試樣，采用等距靶線間距測試；對于燃速較高的固體推進(jìn)劑試樣，采用“前短后長”的不等距靶線間距進(jìn)行測試，每一種配方只能采用一種靶線間距進(jìn)行測試。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，其特征在于 步驟(5)中，壓力傳感器測得的汽幻曲線可直接參與計(jì)算。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，其特征在于 步驟(5)中，固體推進(jìn)劑試樣燃燒過程中燃燒長度、壓強(qiáng)、溫度和時間的動態(tài)關(guān)系可用參數(shù)方程的形式表示如下，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體推進(jìn)劑多靶線準(zhǔn)動態(tài)燃燒性能測試方法，包括以下步驟(1)將待測固體推進(jìn)劑測試由低壓到高壓的各個壓強(qiáng)下的靜態(tài)燃速，得出平均燃速—壓強(qiáng)關(guān)系曲線、最大有效燃速值與測試壓強(qiáng)關(guān)系曲線、最小有效燃速值與測試壓強(qiáng)關(guān)系曲線；(2)進(jìn)行固體推進(jìn)劑試樣密閉狀態(tài)下燃燒增壓測試，使其達(dá)到所要測試的壓強(qiáng)范圍；(3)在包覆好的固體推進(jìn)劑試樣上鉆6～10個靶孔，穿靶線及點(diǎn)火線；(4)預(yù)定初始壓強(qiáng)和初始溫度，在密閉的燃燒室中點(diǎn)燃固體推進(jìn)劑試樣，在固體推進(jìn)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(jìn)劑燃燒過程中燃燒長度、壓強(qiáng)、溫度和時間的動態(tài)關(guān)系，計(jì)算出固體推進(jìn)劑樣品在一定壓強(qiáng)范圍內(nèi)的燃速、燃速壓強(qiáng)指數(shù)和燃速溫度敏感系數(shù)。本發(fā)明適用于在固體推進(jìn)劑生產(chǎn)過程中對每一批產(chǎn)品進(jìn)行快速性能檢測、質(zhì)量控制等工作，可以縮短固體推進(jìn)劑的研制生產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日2011年2月17日
發(fā)明者劉科祥, 徐司雨, 樊學(xué)忠, 肖立柏, 裴慶, 趙鳳起, 邢曉玲 申請人:西安電子科技大學(xué), 西安近代化學(xué)研究所