一种固体推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布测试方法

摘要

本发明公开了一种固体推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布测试方法，该方法首先采用密闭燃烧室收集固体推进剂燃烧烟雾，然后利用Andesen颗粒物分级采样装置，以恒速抽取密闭燃烧室中的固体推进剂燃烧烟雾，使不同粒径范围内的推进剂燃烧烟雾微粒在惯性作用下被分层截留在已知重量的滤膜上，通过干燥并称重后计算推进剂燃烧烟雾微粒在不同粒径之间的分布状况。该方法优化集成了密闭燃烧室和Andesen颗粒物分级采样装置，并将其应用于固体推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布测试，大大提高了测量结果的重复性和准确性，且该方法设计合理、操作简便、所需样品少、制样简单，可为推进剂配方设计及性能改善提供依据和指导。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体推进剂燃烧烟雾测试方法，适用于固体推进剂燃烧烟 雾测试。

背景技术

金属燃料可以提高固体推进剂能量和密度，是增大武器射程的最有效手段。 通常固体推进剂配方中可以添加5％～30％的金属粉，由此带来的是固体推进剂 燃烧产物中含有高达30％以上的凝聚相微粒，随同气相燃烧产物一起在燃烧室 和喷管中高速流动。由于不同烟雾浓度和微粒尺寸大小对两相流损失程度不同， 燃烧室和喷管效率不能确定，直接影响了固体推进剂装药是否能满足武器系统 性能指标要求，产生设计阈值偏高，武器系统战场使命完成难以保证的问题。 因此研究固体推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布对固体推进剂装药及发动机设计具 有很强的科学理论意义和价值，对提高各军兵种远程打击能力提供技术保障。

国外对固体火箭发动机中三氧化二铝微粒开展了粒子收集、激光全息法等 研究，并归纳出了工程采用的经验公式。随着新型高性能推进剂的研制，配方 中添加多种金属及其氢化物以达到所需要的综合性能指标，但是目前为止没有 建立新型高性能固体推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布测试方法，还不能为配方设 计及性能改善提供依据和指导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布测试方法， 为固体推进剂配方设计及性能改善提供参考。

为解决现有技术存在的问题，本发明包括如下步骤：

步骤一，控制环境温度范围为10℃～40℃，相对湿度不大于80％，切取圆 柱体或长方体固体推进剂样品，中心钻通孔以保证镍铬丝穿过样品，每组5个 试样，用分析天平称量并编号；在Andesen颗粒物分级采样装置八个采样托盘 内分别放入采样膜，并称量八个采样膜质量并记录m_i(i＝1,2,…,8)；

步骤二，将Andesen颗粒物分级采样装置与密闭燃烧室排气阀出口相连， 以恒速抽取密闭燃烧室中的固体推进剂燃烧烟雾，采样2～3min，使得不同粒径 范围内的固体推进剂燃烧烟雾微粒在惯性作用下被分层截留在已知质量的滤膜 上；

步骤三，连续试验五发固体推进剂样品；采样结束后，将Andesen颗粒物 分级采样装置内的采样膜连同采样托盘放入干燥器中进行干燥后，再用分析天 平称量采样膜质量w_i(i＝1,2,…,8)；

步骤四，试验后称量质量减去试验前称量质量即为该粒径范围内固体推进 剂燃烧烟雾微粒的重量(w_i-m_i)(i＝1,2,…,8)；

步骤五，各粒径范围内的固体推进剂燃烧烟雾微粒质量与所有收集到的微 粒质量百分比，体推进剂燃烧烟雾微粒的尺寸分布，其测试结果保留至小数点后一位。

根据实验要求可采用不同工作压强的密闭燃烧室开展固体推进剂点火燃烧 并产生烟雾的试验。

本发明测量结果准确、重复性好，切取的圆柱体或长方体固体推进剂样品 质量为1000mg±5mg；本发明充入氮气后密闭燃烧室压强控制在0.1MPa～30 MPa范围内。

为了实现准确的分级采样，取样前收集盘必须保持清洁，收集盘上使用玻 璃纤维滤膜，收集后的颗粒物需要在干燥器中进行干燥；

本发明优点：克服了传统粒子收集法流程繁琐且数据不可靠，马尔粒度仪 测试数据漂移严重等缺点，优化集成了密闭燃烧室和Andesen颗粒物分级采样 装置，并将其应用于固体推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布测试，大大提高了测量 结果的重复性和准确性。且该方法设计合理、操作简便、所需样品少、制样简 单，可为推进剂配方设计及性能改善提供依据和指导。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。值得说明的 是，下面仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发 明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍 属于本发明技术方案的保护范围内。

一种固体推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布测试方法，包括如下步骤：

步骤一，控制环境温度范围为10℃～40℃，相对湿度不大于80％，切取质 量为1000mg±5mg的圆柱体或长方体的固体推进剂样品，中心钻Ф0.9mm的 通孔，每组5个试样，用分析天平称量并编号。

步骤二，将镍铬丝穿过称量好的试样，点火线夹在承力托的接线柱上，将 放好试样的承力托安装在密闭燃烧室内，打开点火控制器的检通开关；将燃烧 室的排气阀关闭，进气阀打开，充入氮气，使燃烧室内压强达到10.0MPa±0.5 MPa，关闭进气阀，保持3min，然后点火使推进剂燃烧产生烟雾。

步骤三，保证Andesen颗粒物分级采样装置采样托盘清洁干燥，并在八个 采样托盘内分别放入玻璃纤维采样膜，并用分析天平称量采样膜并记录m_i(i＝ 1,2,…,8)。

步骤四，将Andesen颗粒物分级采样装置与密闭燃烧室排气阀出口相连， 采用真空泵来提供稳定流速，以恒速抽取密闭燃烧室中的固体推进剂燃烧烟雾， 采样2～3min，气体从入口进入，从最高的第一个采样膜到第八个采样膜，使 得不同粒径范围内的固体推进剂燃烧烟雾微粒在惯性作用下被分层截留在已知 质量的采样膜上。

步骤五，重复步骤二、步骤三及步骤四，连续试验五发固体推进剂测试样 品；采样结束后，将Andesen颗粒物分级采样装置内的采样膜连同采样托盘放 入干燥器中进行干燥后，用分析天平称量采样膜质量并记录w_i(i＝1,2,…,8)。

步骤六，试验后称量质量减去试验前称量质量即为该粒径范围内固体推进 剂燃烧烟雾微粒的重量(w_i-m_i)(i＝1,2,…,8)；各粒径范围内的固体推进剂燃烧 烟雾微粒质量与所有收集到的微粒质量百分比，用此质量百分比来表征固体推进剂燃烧烟雾微粒的尺寸分布，其测试 结果保留至小数点后一位。

固体推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布测试结果

(1)不同样品质量试验

在满足推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布试验采样要求的情况下，试验样品药 量越小，其使用过程中的安全性和可控性相对要好，在前期预估烟雾生成量的 基础上，选取长方体药块质量为500mg和1000mg进行试验。由表1～2可以看 出，当药量为500mg时，采样数据经常出现异常，净重出现负值，而1000mg 药量的数据表现稳定。因此最终选定1000mg作为本测试方法的标准药量。

表1某改性双基推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布(500mg)

环境温度(℃)：19.7环境湿度(％)：31燃烧室压强(MPa)：10

级数 皮重(g) 毛重(g) 净重(mg) 分布百分比 粒径范围(um) 0 0.31165 0.31875 0.71 － 9.0-10.0 1 0.32976 0.33346 0.37 － 5.8-9.0 2 0.33781 0.33841 0.06 － 4.7-5.8 3 0.33811 0.33861 0.05 － 3.3-4.7 4 0.32850 0.32844 异常 － 2.1-3.3 5 0.32096 0.32136 0.04 － 1.1-2.1 6 0.33787 0.33785 异常 － 0.7-1.1 7 0.33622 0.33618 异常 － 0.4-0.7

备注：五发样品量为500.8mg、498.8mg、498.9mg、499.9mg、500.4mg。

表2某改性双基推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布

环境温度(℃)：19.7环境湿度(％)：31燃烧室压强(MPa)：10

级数 皮重(g) 毛重(g) 净重(mg) 分布百分比 粒径范围(um) 0 0.30271 0.30332 0.61 23.4 9.0-10.0 1 0.32582 0.32616 0.34 13.0 5.8-9.0 2 0.32283 0.32289 0.06 2.3 4.7-5.8 3 0.32609 0.32619 0.10 3.8 3.3-4.7 4 0.32510 0.32523 0.13 5.0 2.1-3.3 5 0.34203 0.34232 0.29 11.1 1.1-2.1 6 0.34465 0.34510 0.45 17.2 0.7-1.1 7 0.34179 0.34242 0.63 24.1 0.4-0.7

备注：五发样品量为1000.7mg、1001.4mg、1001.4mg、999.5mg、1000.0mg。

(2)重复性试验

选取某复合推进剂，切取长方体药块质量为1000mg±5mg，按照上述步骤 对其进行燃烧烟雾微粒尺寸分布试验，测试结果如表3～5所示，从试验数据可 以看出，各粒径范围内的推进剂燃烧烟雾微粒质量与所有收集到的微粒质量百 分比基本保持稳定，数据重复性较好。

表3某复合推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布重复性试验一

环境温度(℃)：18.5环境湿度(％)：33燃烧室压强(MPa)：10

级数 皮重(g) 毛重(g) 净重(mg) 分布百分比 粒径范围(um) 0 0.31002 0.31149 1.47 16.2 9.0-10.0 1 0.33142 0.33202 0.60 6.6 5.8-9.0 2 0.32087 0.32150 0.63 6.8 4.7-5.8 3 0.33788 0.33845 0.57 6.3 3.3-4.7 4 0.34096 0.34150 0.54 6.0 2.1-3.3 5 0.33887 0.34043 1.56 17 1.1-2.1 6 0.33487 0.33757 2.70 29.4 0.7-1.1 7 0.33806 0.33914 1.08 11.7 0.4-0.7

备注：五发样品量为1001.9mg、1002.4mg、1001.2mg、1001.0mg、1002.2mg。

表4某复合推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布重复性试验二

环境温度(℃)：18.1环境湿度(％)：21.3燃烧室压强(MPa)：10

备注：五发样品量为1002.5mg、1002.7mg、1002.9mg、1002.0mg、998.4mg。

表5某复合推进剂燃烧烟雾微粒尺寸分布重复性试验三

环境温度(℃)：14.5环境湿度(％)：27.9燃烧室压强(MPa)：10

级数 皮重(g) 毛重(g) 净重(mg) 分布百分比 粒径范围(um) 0 0.30075 0.30210 1.35 13.6 9.0-10.0 1 0.32949 0.33046 0.97 9.8 5.8-9.0 2 0.33464 0.33523 0.59 6 4.7-5.8 3 0.34147 0.34191 0.44 4.4 3.3-4.7 4 0.32739 0.32776 0.37 3.7 2.1-3.3 5 0.34218 0.34363 1.45 14.6 1.1-2.1 6 0.34841 0.35169 3.28 33.1 0.7-1.1 7 0.34564 0.34711 1.47 14.8 0.4-0.7

备注：五发样品量为1002.5mg、1002.7mg、1002.9mg、1002.0mg、998.4mg。