高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间预测方法技术

提供了一种高能固体推进剂药柱产气产生空洞或开裂时间的预测方法，步骤是：通过理论和试验结果建立高能固体推进剂产气开裂时间的预测模型，并将其中的一些参数量化至等比例缩小的小尺寸固体推进剂试样；然后通过测定小尺寸固体推进剂试样的尺寸、热失重、抗拉强度和产气开裂时间，以及高能固体推进剂药柱的尺寸，将参数代入产气开裂时间的预测模型，可预测高能固体推进剂常温贮存条件下产气开裂时间，保证药柱结构可靠性。本发明专利技术可实现非破坏性、定量评价大型发动机产气开裂时间，具有试验安全、操作简便、经济快捷的优点。

Prediction Method of Cavity or Cracking Time for Gas Production of High Energy Solid Propellant Propellant

【技术实现步骤摘要】
高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间预测方法
本专利技术总体地涉及高能固体推进剂药柱
，具体地涉及一种高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间预测方法。
技术介绍
高能固体推进剂药柱是一种以混合硝酸酯增塑的聚醚为粘合剂，填充大量高能氧化剂HMX、AP和铝粉(Al)等的热固性交联推进剂，它集改性双基推进剂和复合固体推进剂的优点于一身，具有优异的能量性能和力学性能。由于含大量硝酸酯，贮存过程中可能发生药柱热化学分解或气化作用而造成气体累积，产生内部疏松、产生微裂纹和空穴，药柱最终发生结构破坏(裂纹、孔洞)，影响发动机结构完整性和燃烧稳定性，引发发动机点火失败甚至爆炸，严重威胁导弹使用安全性。因此，评价高能推进剂因热老化产生结构破坏是高能推进剂必不可少的一项内容。推进剂药柱特别是一些战略导弹用推进剂药柱体积较大，如果用实弹进行试验是不经济和不安全的，为了评估含硝酸酯的药柱通常贮存条件下是否发生内部开裂行为，建立含温度、尺寸效应的高能推进剂产气开裂模型，用较小尺寸推进剂试样模拟发动机药柱贮存过程中的开裂情况，从而预测大型高能固体推进剂药柱装药产气开裂时间，保障发动机结构完整性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高能固体推进剂药柱因产气而产生孔洞或开裂时间预测方法，该方法建立了含温度、尺寸效应的产气开裂时间预测模型，通过此模型可以用较小尺寸推进剂试样的产气开裂试验替代实际药柱，从而预测大型发动机装药产气开裂时间。本专利技术的技术思路：首先基于理论推导与实验结论，建立高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间的预测模型，并将其中的一些参数或变量用小尺寸推进剂试样替代，或建立高能固体推进剂药柱与等比例缩小的小尺寸推进剂试样在同一参数上的函数关系；然后采用小尺寸推进剂试样开展高温加速老化试验，测定推进剂热失重率、高温拉伸强度、开裂时间；测定推进剂常温热失重率、常温拉伸强度等参数。将所得参数代入模型，可以预测大型发动机药柱常温贮存条件下因产气而发生开裂的时间。本专利技术的技术方案是，一种高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间预测方法，所述方法基于抗拉强度、失重率、药柱尺寸、时间、温度T的高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间的预测模型，所述预测模型用下式(1)表示：其中：σm,1、σm,2分别为高能固体推进剂药柱在T1、T2两个不同温度下的最大抗拉强度；Rw,t,1、Rw,t,2分别为高能固体推进剂药柱在温度T1经过时间tR,1后的失重率，和在温度T2经过时间tR,2后的失重率，无量纲；tR,1、tR,2分别为温度为T1时高能固体推进剂药柱失重率达到Rw,t1时所经历的时间，和温度为T2时高能固体推进剂药柱失重率达到Rw,t2时所经历的时间，单位为day；T1、T2分别两个不同的试验温度，其中T2为高能固体推进剂药柱的常规贮存温度；r1为根据高能固体推进剂药柱等比缩小的小尺寸固体推进剂试样的半径，r2为高能固体推进剂药柱的半径；t1为根据高能固体推进剂药柱等比缩小的小尺寸固体推进剂试样产生孔洞或开裂的时间，、t2为高能固体推进剂药柱产生孔洞或开裂的时间；e为自然对数的底数，其值约等于2.71828。本专利技术方法通过高能固体推进剂药柱等比缩小的小尺寸固体推进剂试样产生孔洞或开裂的时间的实验推导高能固体推进剂药柱自身生孔洞或开裂的时间，可以避免进行高能固体推进剂药柱的破坏性实验，提高了试验安全性，操作简便，经济快捷，可用于定量评价大型发动机产气开裂时间。进一步的，上述公式(1)所示预测模型的建立包括以下步骤：S11、设温度T时某高能固体推进剂药柱经过时间tR后失重率Rw，则该温度下单位质量、单位时间内产生的气体物质的量见式(2)：其中：tR－温度为T时，高能固体推进剂药柱样品失重率达到Rw所经历的时间，day；Rw,t－温度为T时，高能固体推进剂药柱样品经过时间tR后的失重率，无量纲；M－高能固体推进剂药柱分解产生气体的平均摩尔质量，g·mol-1；S12、根据实验研究结果确定的推进剂的不同温度下热失重速率为常数结论，由体积与质量和密度的关系V＝W/ρ,获得一定温度下，单位体积高能固体推进剂药柱产气速率如式(3)所示：其中：为常数；q－在温度T时单位体积高能固体推进剂药柱产生气体的速率，即单位时间、单位体积的高能固体推进剂药柱中气体产物的量，mol·m-3·day-1；ρ－固体推进剂的密度，kg·m-3；S13、经理论分析和试验验证，温度一定时，高能固体推进剂药柱中心处气体累积浓度与药柱半径r呈指数增长关系，中心处气体的量用式(4)表示：q′＝q·k′er(4)其中，q′为温度T时，半径为r的高能固体推进剂药柱中心处单位体积推进剂气体产物产气速率，mol·m-3·day-1；k′为一定常数；S14、根据Henry定律，推进剂中心的内应力等于生成气体的压力，计算公式见式(5)：p＝qvt/H(5)式中：t－高能固体推进剂药柱的贮存时间，day；H－以体积表示的生成气体在固体推进剂中溶解度系数，m·Pa-1·m-3；p－高能固体推进剂药柱受到的压力，Pa；qv－高能固体推进剂药柱中心处单位体积推进剂以产气体积表示的产气量，单位m·day-1·m-3；S15、由理想气体状态方程以及体积与质量和密度的关系V＝W/ρ,得到高能固体推进剂药柱中心处单位体积推进剂以产气体积表示的产气量为qv，其计算公式如式(6)所示：式中：P—高能固体推进剂药柱受到的压力，Pa；R—气体常数，8.314J·mol-1·K-1；T—推进剂贮存温度，K；将式(6)代入公式(5)，可得式(7)：S16、因为不同温度下推进剂的密度ρ和产生气体室温平均分子量M基本不变，则由式(3)、(4)、(7)得到不同温度和贮存时间下高能固体推进剂药柱受到的压力的关系，见式(8)：其中：P1、P2分别为高能固体推进剂药柱在T1、T2两个不同温度下的所能承受的最大压力；S17、假设分解产物气体在推进剂中的溶解参数不随温度改变，即令H2/H1＝1；然后将式(8)换算为不同温度下高能固体推进剂药柱因产气发生开裂时间的关系，见式(9)：S18、当高能固体推进剂药柱受到的内压达到或超过推进剂最大抗拉强度时，设定高能固体推进剂药柱产生裂纹，因此式(9)写成式(1)所示：可以看出，本专利技术方法中利用高能固体推进剂药柱等比缩小的小尺寸固体推进剂试样产生孔洞或开裂的时间的实验推导高能固体推进剂药柱自身生孔洞或开裂的时间的模型建立过程都是基于理论计算和实验结论，没有脱离实际的假设和限定条件，模型建立科学合理、适用性强。进一步的，上述高能固体推进剂药柱在温度T1的最大抗拉强度σm,1和在温度T2的最大抗拉强度σm,2通过测定与高能固体推进剂药柱成分相同的哑铃型固体推进剂试样获得。该哑铃型固体推进剂试样只要满足成分与高能固体推进剂药柱相同，按照常规方法测试即可，可以根据实验实际设计试样的尺寸。进一步的，上述高能固体推进剂药柱在温度T1经过时间tR,1后的失重率Rw,t1和在温度T2经过时间tR,2后的失重率Rw,t2通过测定与高能固体推进剂药柱成分相同的立方体形状推进剂样品的热失重率获得。同样，该立方体形状推进剂样品只要满足成分与高能固体推进剂药柱相同即可，尺寸根据实验需要进行设计。进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间预测方法，其特征在于，所述方法基于抗拉强度、失重率、药柱尺寸、时间、温度T的高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间的预测模型，所述预测模型用下式(1)表示：

【技术特征摘要】
1.一种高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间预测方法，其特征在于，所述方法基于抗拉强度、失重率、药柱尺寸、时间、温度T的高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间的预测模型，所述预测模型用下式(1)表示：其中：σm,1、σm,2分别为高能固体推进剂药柱在T1、T2两个不同温度下的最大抗拉强度；Rw,t,1、Rw,t,2分别为高能固体推进剂药柱在温度T1经过时间tR,1后的失重率，和在温度T2经过时间tR,2后的失重率，无量纲；tR,1、tR,2分别为温度为T1时高能固体推进剂药柱失重率达到Rw,t1时所经历的时间，和温度为T2时高能固体推进剂药柱失重率达到Rw,t2时所经历的时间，单位为day；T1、T2分别两个不同的试验温度，其中T2为高能固体推进剂药柱的常规贮存温度；r1为根据高能固体推进剂药柱等比缩小的小尺寸固体推进剂试样的半径，r2为高能固体推进剂药柱的半径；t1为根据高能固体推进剂药柱等比缩小的小尺寸固体推进剂试样产生孔洞或开裂的时间，t2为高能固体推进剂药柱产生孔洞或开裂的时间；e为自然对数的底数，其值约等于2.71828。2.如权利要求1所述的高能固体推进剂药柱产气产生孔洞或开裂时间预测方法，其特征在于，所述公式(1)所示预测模型的建立包括以下步骤：S11、设温度T时某高能固体推进剂药柱经过时间tR后失重率Rw，则该温度下单位质量、单位时间内产生的气体物质的量见式(2)：其中：tR－温度为T时，高能固体推进剂药柱样品失重率达到Rw所经历的时间，day；Rw,t－温度为T时，高能固体推进剂药柱样品经过时间tR后的失重率，无量纲；M－高能固体推进剂药柱分解产生气体的平均摩尔质量，g·mol-1；S12、根据实验研究结果确定的推进剂的不同温度下热失重速率为常数的结论，由体积与质量和密度的关系V＝W/ρ,获得一定温度下，单位体积高能固体推进剂药柱产气速率如式(3)所示：其中：为常数；q－在温度T时单位体积高能固体推进剂药柱产生气体的速率，即单位时间、单位体积的高能固体推进剂药柱中气体产物的量，mol·m-3·day-1；ρ－固体推进剂的密度，kg·m-3；S13、经理论分析和试验验证，温度一定时，高能固体推进剂药柱中心处气体累积浓度与药柱半径r呈指数增长关系，中心处单位体积推进剂气体产物产气速率用式(4)表示：q′＝q·k′er(4)其中，q′为温度T时，半径为r的高能固体推进剂药柱中心处单位体积推进剂气体产物产气速率，mol·m-3·day-1；k′为定常数；S14、根据Henry定律，推进剂中心的内应力等于生成气体的压力，计算公式见式(5)：p＝qvt/H(5)式中：t－高能固体推进剂药柱的贮存时间，day；H－以体积表示的生成气体在固体推进剂中溶解...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹蓉，程海燕，彭松，赵程远，张峰涛，杨根，
申请(专利权)人：湖北航天化学技术研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42