一种复合固体推进剂自然加速试验装置及方法

摘要

一种复合固体推进剂自然加速试验装置及方法，包括矩形试验箱，试验箱包括箱体和箱盖，箱体一侧设有强制通风降温系统，箱体外部设有温湿度控制与数据采集系统，箱体内设有试样架。本发明复合固体推进剂自然加速试验装置可放置于热带海洋大气环境的户外，且以当地纬度角倾斜放置，以达到最好的吸热效果，实现模拟并强化太阳辐射热效应和昼夜温差冲击效应，保持环境温度日夜温差循环、季节温差循环，从而真实、准确、快速地获得复合固体推进剂力学性能的变化规律。

说明书

技术领域

本发明涉及一种加速试验装置，尤其涉及一种用于复合固体推进剂的自然加 速试验装置。本发明还涉及一种复合固体推进剂的自然加速试验方法。

背景技术

复合固体推进剂是以高分子为基体的含能复合材料，其具有特定性能，是固 体火箭发动机的能源，其组成物质在发动机中发生化学反应而释放能量，利用其 反应产物使发动机产生一定的推力。复合固体推进剂在贮存过程中，由于受到复 杂物理、化学等因素的综合作用，粘合剂高聚物可能会发生后固化、氧化交联、 断链等反应，其性能逐渐发生变化而达不到使用指标要求，即失去使用价值，因 此它是限制发动机贮存寿命的关键材料和薄弱环节。由于复合固体推进剂具有更 换困难、维修困难且维修费用高的特点，一旦发生开裂、变形等失效便可导致导 弹发射失败。因此必须掌握复合固体推进剂性能变化信息，为合理评估导弹贮存 寿命提供重要的评判依据。

目前国内外主要采用两种试验方法来获得复合固体推进剂性能变化规律：库 房贮存试样试验方法和实验室加速试验方法。库房贮存试样试验方法虽然能获得 较为真实、可靠的试验结果，但试验费用高、周期长，难以满足研制、试验和快 速评价的要求。实验室加速试验方法虽然具有试验周期短，重现性好的优点，但 由于加速试验条件和实际贮存环境载荷有差异，比如导弹在陆地库房和军舰舱室 内存放，以及在户外战备值班时，会经历严酷的昼夜温差变化，晴天、阴天、雨 天的日间温差变化，以及春夏秋冬的季节温差变化，使复合固体推进剂反复膨胀 和收缩，出现裂纹、脆变、汗析、晶析等现象，力学性能迅速下降，然而实验室 加速试验条件无法准确模拟这些温差冲击效应，导致加速试验外推结果与实际贮 存性能变化结果的一致性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合固体推进剂自然加速试验装置，能模拟并强 化环境温度对复合固体推进剂的交变作用，加速复合固体推进剂的热老化过程， 真实、快速地反映复合固体推进剂的贮存性能变化规律。

本发明的另一个目的在于提供利用上述装置进行复合固体推进剂自然加速 试验的方法。

本发明的目的是这样实现的，一种复合固体推进剂自然加速试验装置，包括 矩形试验箱，试验箱包括箱体和箱盖，箱体一侧设有强制通风降温系统，箱体外 部设有温湿度控制与数据采集系统，箱体内设有试样架。本发明复合固体推进剂 自然加速试验装置可放置于热带海洋大气环境的户外，且以当地纬度角倾斜放置， 以达到最好的吸热效果，实现模拟并强化太阳辐射热效应和昼夜温差冲击效应， 保持环境温度日夜温差循环、季节温差循环，从而真实、准确、快速地获得复合 固体推进剂力学性能的变化规律。

上述强制通风降温系统包括设置在箱体侧壁上的百叶窗和回风孔，该侧壁外 的腔体内设有轴流风扇和电机，箱体底部设有进风口。

当箱体内各点温度均匀性达到或超过设定温度时，箱体内部空气内循环通风散热， 即电机工作，带动离心风叶转动产生风量，通过百叶窗出风，由百叶窗下的回风 孔回风，此时进风口和轴流风扇关闭；当箱体1上限温度到达或超过设定的最高 温度时，箱体外循环通风降温，即轴流风扇工作，强制从进风口吸入外界空气， 并通过轴流风扇散热,实现箱体内降温。

温湿度控制与数据采集系统包括温湿度传感器和数据采集与通讯控制器，温 湿度传感器从箱体底部的进风口进入箱体内并置于试样架中部。温湿度传感器用 于记录试验箱内的空气的温度、湿度变化，数据采集与通讯控制器通过控制强制 通风降温系统的电机及轴流风扇工作状态调节箱体内温度。

为了达到更好的保温效果和吸热效果，保温层设置在箱体的三个侧壁上，箱 体内表面喷涂有黑色氟树脂油漆，箱体外表面喷涂太阳能选择性吸热涂料。

本发明的第二个目的是这样实现的，利用上述的装置进行复合固体推进剂自 然加速试验的方法，包括如下步骤：

1)将试验箱倾斜放置于热带海洋大气环境的户外，所述倾斜的角度为当地 纬度角，并将箱体接地；

2)将密封的复合固体推进剂试样放入试验箱内的试样架上，设定最高温度 及阈值；

3)开启温湿度控制与数据采集系统记录试验箱内部空气的温度、 湿度变化，控制箱体内的温度；打开强制通风降温系统控制箱体内温度的变化；

4)出料。

上述步骤3)中，温湿度传感器用于记录试验箱内的空气的温度、湿度变化， 数据采集与通讯控制器通过控制强制通风降温系统的电机及轴流风扇工作状态 调节箱体内温度；当箱体内各点温度均匀性达到或超过设定的温差范围时，箱体 内部空气内循环通风散热，即电机工作，带动离心风叶转动产生风量，通过百叶 窗出风，由百叶窗下的回风孔回风，此时进风口和轴流风扇关闭；当箱体上限温 度到达或超过设定的最高温度时，箱体外循环通风降温，即轴流风扇工作，强制 从进风口吸入外界空气，并通过轴流风扇散热,实现箱体内降温。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明复合固体推进剂自然加速试验装置能模拟并强化太阳辐射热效应 和昼夜温差冲击效应，并保持环境温度日夜温差循环、季节温差循环的特点，有 助于真实、准确、快速地获得复合固体推进剂力学性能的变化规律。

2、本发明复合推进剂加速试验方法简单易行,且加速倍率高，模拟性强，试 验结果准确可靠。

附图说明

图1为本发明复合固体推进剂自然加速试验装置结构示意图；

图2为图1的后视图；

图3为图1的仰视图。

图中，1.箱体，2.箱盖，3.强制通风降温系统，3-1.百叶窗，4.温湿度控制 与数据采集系统，5.试样架。

具体实施方式

实施例，一种复合固体推进剂自然加速试验装置，包括长方形的试验箱，试 验箱包括箱体1和箱盖2，箱体1为长方体，外尺寸：深400mm×宽1780mm×高 1420mm，净尺寸：深400mm×宽1600mm×高1300mm。箱体1骨架为SUS304不锈 钢，箱体1外壳采用1.5mm厚拉丝不锈钢板，箱体1内壁采用1.0mm厚覆膜不锈 钢板。一个侧壁设有百叶窗3-1和回风孔，百叶窗3-1外的腔体内设有轴流风扇 和电机。侧壁的内壁与外壳之间填充厚度为100mm的优质隔热材料玻璃棉作为保 温层。箱体1底部设有进风口，箱体1内距底部150mm处用不锈钢槽条做成栅格 式，中间间隔100mm、200mm，再100mm，200mm排列作为试样架5。箱体内表面 全喷黑色氟树脂油漆，外表面全喷太阳能选择性吸热涂料。

温湿度控制与数据采集系统4位于箱体1外，由温湿度传感器和数据采集与 通讯控制器组成。温湿度传感器为霍尼韦尔温湿度传感器且从箱体1底部进风口 进入箱体1内并置于试样架5之间，用于记录箱体1内部空气的温度、湿度变化； 数据采集与通讯控制器储存采集的温湿度数据并控制强制通风降温系统工作状 态，保证箱体1内温度上限不超过设定最高温度、温差不超过阈值，保持箱体内 温度均匀性。

强制通风降温系统3包括箱体1右侧配备的两个电机、轴流风扇及百叶窗。 当箱体1内各点温度均匀性达到或超过设定阈值时，强制电机工作，箱体1内部 空气内循环通风散热；箱体1底部进风口φ100,风顶密封,当箱体1上限温度到 达或超过设定的最高温度时，强制从进风口吸入外界空气，并通过轴流风扇散热, 实现箱体降温。

利用上述装置进行复合固体推进剂自然加速试验的方法，复合固体推进剂为 三组元复合固体推进剂或四组元复合固体推进剂，试验步骤如下：

(1)将所述复合固体推进剂试验试样按GJB770B-2005方法413.1中B型 拉伸试样制成哑铃形拉伸试样，宜采用120mm×25mm×10mm规格；每个检测 周期平行试样数量应不少于5件，预留样不少于10件。

(2)将每5个平行试样置于1个加载工装上，按固体发动机固化降温至20℃ 时的最大应变作为应变施加值，将试样的工程标距伸长。

(3)将加载工装上的试样放入防水等级为IP66的铸铝防水密封盒内，并在 密封盒内放入1袋已活化的200g蓝色硅胶。

(4)调节环境温度20℃±5℃，相对湿度不大于60％，拧紧铸铝防水密封盒， 并用密封胶进行密封。

(5)将试验箱倾斜20°放置于热带海洋大气环境的户外，并将箱体1接地； 将多个铸铝防水密封盒放入试验箱内，开启温湿度控制与数据采集系统，设定装 置最高温度≤70℃，温度均匀性≤3℃。

(6)在0d、10d、34d、76d、171d、385d时，各取回1个铸铝防水密封盒， 取出试样，利用万能材料试验机检测力学性能。

下面为同一批复合固体推进剂采用本发明自然加速试验与库房贮存试验的 试验结果分析对比情况：

1、加速性

将本发明实施例的试验结果与库房贮存试样的试验结果各自与初始值做比 值处理(即抗拉强度保留率)，见表1。

表1库房贮存试样试验情况与本发明实施例试验情况对比

针对表1数据，以最大抗拉强度保留率对试验时间作图，结果如式(1)、式 (2)所示：

P_库房＝90.798e^-0.0001T……………(1)

P_本发明＝91.186e^-0.0007t……………(2)

式中：P_库房---库房贮存试样老化T时间的最大抗拉强度保留率，％；

P_本发明---本发明实施例老化t时间的最大抗拉强度保留率，％；

T---库房贮存试样试验时间，d；

t---本发明实施例试验时间，d。

由于试样最大抗拉强度保留率必须不低于52.77％。根据式(1)、式(2)分 别计算库房贮存试样、本发明实施例中试样达到临界使用时间分别为5427d、 781d。由此，获得以抗拉强度为判定依据的本发明实施例对应于库房贮存试样的 加速倍率为7倍。

2、模拟性

针对库房贮存试样、本发明实施例试样不同试验时间的最大抗拉强度保留率 数据，分别按其大小统一排序，每个数据对应的序数为它的秩，各自设为x_库房i， x_本发明i，因此根据表1两种试验方法测试的性能数据大小分别排列秩序：

x_库房＝(1，2，4，3，5，6)

x_本发明＝(1，2，3，4，5，6)

在此基础上，按照式(1)计算秩差d_i：

d_i＝x_库房i-x_本发明i……………(3)

获得库房贮存试样试验、本发明实施例对应秩序的秩差为：

d＝(0，0，1，-1，0，0)

按照式(4)计算秩相关系数rho_s：

${\mathrm{rho}}_s=1-6\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{d}_i^2/(n^3-n)......\left(4\right)$

式中：d_i——秩差；

x_1i——库房贮存试样试验后测试性能数据的秩；

x_2i——本发明实施例试验后测试性能数据的秩；

n——参比试样组数。

计算秩相关系数rho_s结果为0.943，说明两种试验方法之间具有良好的相关性， 本发明自然加速试验能很好地再现固体推进剂在实际库房贮存试样的失效规律， 模拟性良好。