专利名称：固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法
技术领域：
本发明涉及一种固体推进剂燃速测试方法。
背景技术：
固体推进剂的燃烧速度是指单位时间内沿固体推进剂表面的法线方向上固相消失的距离，简称固体推进剂的燃速。它决定着固体推进剂能量的释放速度，也是计算固体推进剂其它燃烧性能(燃速压强指数、燃速温度敏感系数、侵蚀比等)的核心参量。无论燃烧时压强、初温、气流速度等影响因素的变化，最终都将反映在燃速的变化上。此外，它还直接影响火箭发动机的弹道性能、飞行速度和工作稳定性等。因此，固体推进剂的燃速是武器所要求的重要性能参数之一，研究燃速及燃速受影响因素的变化规律，可以为固体火箭发动机和装药设计者提供重要的设计参数。在固体推进剂生产的过程中，由于每一批次原材料在物理、化学性质上可能存在细微的差异，这将导致同种配方不同批次的产品在性能上产生不小的差异，从而影响到固体火箭发动机的正常使用，因此需要对每个批次的固体推进剂进行燃烧性能的检验。目前常用的固体推进剂燃速测试方法只能对单一压强、温度的样品进行燃速测试，在测试燃速压强指数和燃速温度敏感系数时需要重复十几次甚至几十次的操作，测试周期较长，所以需要一种简单、高效、快捷的固体推进剂燃烧性能测试方法，以缩短固体推进剂的生产周期。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够方便、快捷地测出固体推进剂的准动态燃速、燃速压强指数和高温条件下的燃速温度敏感系数的多靶线准动态燃烧性能测试方法，以克服现有技术测试周期较长的主要不足。本发明实现过程如下
一种固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，包括以下步骤
(1)将待测固体推进剂按照GJB770B-2005方法706. 1中的要求测试由低压到高压的各个压强下的静态燃速，测试压强间隔至少为2MPa，得出平均燃速一压强关系曲线、每一个压强点测试时的最大有效燃速值与测试压强关系曲线、最小有效燃速值与测试压强关系曲线；使用6次方拟合多项式回归计算燃速与压强的关系；
(2)进行固体推进剂试样密闭状态下燃烧增压测试，使其达到所要测试的压强范围；通过减小燃烧室有效体积或增加固体推进剂样品放气量可使燃烧室内压强变化范围达到测试要求，若压强变化范围小于需要测试压强区间时，在燃烧室内增加试样同时点燃，以增大压强的变化量，或在密闭燃烧室中加入不可燃烧的填充物减小燃烧室的容积；
(3)在包覆好的固体推进剂试样上钻6 10个靶孔，穿靶线及点火线；
(4)预定初始压强和初始温度，在密闭的燃烧室中点燃固体推进剂试样，在固体推进剂试样燃烧的过程中依次记录每条靶线熔断的时刻，并用压力传感器和温度传感器记录燃烧T0 ,Α表示Imm长的固体推进剂试样燃烧后，产生气
体的物质的量，通过固体推进剂配方利用多步迭代法或最小吉布斯自由能法计算得出，计算时需要的参考温度由温度传感器测得。 与现有的固体推进剂燃烧性能测试手段相比，本发明具有下述优点本测试方法在完全密闭的环境中进行燃烧性能测试，利用燃烧后产生的气体对燃烧室进行自增压，用多条靶线记录样品长度随时间变化过程。可以方便、快捷地测出固体推进剂(双基推进剂、 改性双基推进剂和复合推进剂)的准动态燃速、燃速压强指数和高温条件下的燃速温度敏感系数，适用于在固体推进剂生产过程中对每一批产品进行快速性能检测、质量控制等工作，可以缩短固体推进剂的研制生产周期，降低成本。
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室中压强和温度动态变化过程；若相邻两靶线熔断的时间间隔大于0. 5秒，则测试数据有效；若小于0. 5秒，调整钻孔方式，重新试验；
(5)通过分析得出固体推进剂燃烧过程中燃烧长度、压强、温度和时间的动态关系
/ = /(L ΡΤ '计算出固体推进剂样品在一定压强范围内的燃速r = 、燃速压强指数
A Iri rA Iti τ
η = —4和燃速温度敏感系数％ = 。 a In PdT步骤(5)完成后进行测试结果有效性验证，具体步骤如下
(6)取准动态燃烧测试过程中某时刻^,测得固体推进剂的燃烧速度为r^),根据P⑷
关系可知此时燃烧室内的压强大小为；
(7)根据步骤(1)得出的u丽(F)和^nift(P)关系式可以得出当燃烧室内的压强大小为^ )时固体推进剂静态燃速的范围是kiJPfe))-· (^ ))],若 ΗΦ kiJ玲J-. (- ))],说明测试结果有效。在上述步骤(3)中，对于大多数固体推进剂试样，采用等距靶线间距测试；对于燃速较高的固体推进剂试样，采用“前短后长”的不等距靶线间距进行测试，每一种配方只能采用一种靶线间距进行测试。在上述步骤(5)中，压力传感器测得的曲线可直接参与计算，固体推进剂试样燃烧过程中燃烧长度、压强、温度和时间的动态关系可用参数方程的形式表示如下，
{P,L.T,t) =
Ρ(β)
T(P,LJ)
m是通过测得各条靶线依次烧断的时刻和它们对应的试样长度，采用6次方拟合多项式回归得出；
T(PrLj)由理想气体状态方程PF= nBT推导得出
图1静态测试得出的燃速一压强关系曲线图； 图2多靶线钻孔示意图3等距钻孔示意图4不等距钻孔示意图5准动态测试结果有效性判断。
具体实施例方式将待测固体推进剂按照GJB 770B-2005方法706. 1中的要求进行切条、包覆、钻孔、穿线等操作，然后用靶线法测试由低压到高压(2 22MPa)的各个压强下的静态燃速。 各压强下至少进行5次测试，经过格拉布斯法则剔除异常值后进行平均计算，得出该压强
下的平均燃速值—通过多项式拟合得出静态平均燃速与压强的变化关系 (乃，即-一P曲线。记录每个压强下单点燃速测试时的最大有效值和最小有效值《_ ,通过多项
式拟合得出燃速最大有效值与压强的变化关系《_: (Jj)和Wail(巧，将它们与关系曲线置于同一坐标系中，形成一族曲线(如图1)。选用按照进行切条、包覆处理后的固体推进剂样品，在靠近一个端面约1 2mm 处用Φ0. 7mm的钻头横向钻孔，在孔中穿Φ0. 3mm的镍铬点火丝后将其两端绑在燃烧室药架的接线柱上，将绑好试验的药架装入完全密闭的燃烧室中，连接好电路，根据测试的需要向燃烧室内注入氮气使燃烧室的压强达到初始压强。启动点火按钮点燃固体推进剂试样， 同时观察与燃烧室相接的压力传感器或压力表上所显示的密闭燃烧室中压强的实时变化情况，尤其是燃烧过程中压强达到的最大值，以此来确定整个过程中密闭燃烧室内压强的变化范围。若压强变化范围比所要测试的燃速压强指数的压强范围稍大一些或相同时，说明固体推进剂试样的尺寸选择合适，可以进行下一步测试；若压强变化范围小于需要测试的燃速压强指数的压强区间时，说明选取的样品尺寸偏�。忌蘸笕忌帐夷诘难骨棵挥写锏剿蟛馐缘难骨恐担馐笨梢酝ü龃笕忌帐夷谘骨康谋浠屎图跎偃忌帐胰莼唇饩觯咛宓拇胧┦窃诓挥跋觳馐缘那疤嵯略谌忌帐夷谠俜湃胍桓鱿嗤氖匝�(不用穿靶线) 同时点燃，以增大压强的变化量，还可以在密闭燃烧室中加入不可燃烧的填充物(如石墨) 以减少燃烧室的容积；若固体推进剂燃烧的压强变化范围远大于所要测试燃速压强指数的压强区间，则可以选择较小尺寸的固体推进剂试样，使燃烧室内的增压减少。按照图2、图3所示的方法在固体推进剂试样的侧面进行钻孔，最靠近端面的孔为点火线孔，其余均为靶线孔，靶线孔的个数最少为6个，首次测试时靶孔的间距应该相等， 约20 30mm，第一个靶孔与点火线孔的距离应该在20mm以上，靶线是直径0. 5 0. 7mm低熔点的保险丝。将点火线和每一条靶线穿好后绑在燃烧室药架的接线柱上，再把燃烧室药架放入密闭的燃烧室，连接测试电路，确认电路连接无误后，向燃烧室内加入氮气使其达到规定的压强，启动点火电路点燃固体推进剂试样，当燃烧至第一根靶线熔断后，测试系统计时开始，同时也开始启动测试程序记录密闭燃烧室内的实时压强。燃烧结束后，排出密闭燃烧室内的气体，使燃烧室内压强恢复至常压。随着燃烧的进行，第2根直至第m根靶线依次熔断，测试系统依次记录下每一根靶线熔断的时刻，相邻两次熔断时刻的差值即固体推进剂样品在该测试段的燃烧时间Δ ，若
试样上穿有m根靶线，则有m-1个测试段，每段的燃烧时间记为M, M2 ■ -·Μμ_χ。如果测得的每个测试段的燃烧时间Ai2^Hi1都大于0.5s，则测试结果有
效，可以进行下一步处理。若H1中有一个或几个数值小于0. 5s，说明该测试段
的靶线间距过�。耸蓖ü邢呷鄱霞剖笔贝嬖诮洗蟮奈蟛睿虼诵枰髡邢呒渚嘀匦虏馐浴Ｕ馐笨梢圆捎玫染嗟髡幢３置扛霾馐远蔚募渚喽枷嗟鹊那疤嵯略龃蟀邢叩募渚啵�
也可以根据每个测试段的燃烧时间ht2 · --Al^1进行不等距调整，遵循“前短后长”的原
则(如图4)，将燃烧初期燃速较慢时的两靶线间距适当变短，以减少燃烧时间，而将燃烧后期燃速较快时的两靶线间距适当加长，增加燃烧时间，但应该注意的是同一种配方的固体推进剂试样只能选择一种固定的靶线间距进行测试。在测试过程中，以第一条靶线烧断的时刻、可以记录下各条靶线作为计时起点， 以后各条靶线烧断的时刻依次计为、，、，……ty，这些时刻对应的固体推进剂长度计为 L0, L1,……Lnri(如图3)，其数值在钻孔时均已确定，也可认为是已知的。根据以上两组数据通过多项式回归得出固体推进剂燃烧时长度和时间的对应关系仅幻。在测试过程中，利用快速响应的压力传感器可以测试到燃烧室中压强的实时变化情况,即曲线。在大多数的燃烧反应中，可以认为多元气体混合物及其组分服从理想气体状态方程尸「= ΛΤ ,式中
P—气体的压强，通过压力传感器可精密测得；
V—气体的体积，等于燃烧室的容积，固体推进剂样品所占体积忽略不计； η——燃烧室内气体的物质的量； R——摩尔气体常数，8. 314J · moF1 · K—1 ； T——燃烧室内气体的热力学温度，单位为KKelvin，(开尔文)]。设定起始状态1 :时刻为t1;压强为P1,体积为V，温度为T1 ； 设定结束状态2 时间为t2，压强为P2,体积为V，温度为T2。根据气态方程，可以得到状态1和状态2时的气态方程分别为 状态I 炒=￥7](1)
状态 2:/|Γ= ΛΓ2(2)
由(2)式减去(1)式可以得到 (P2-P1)-V = In2 - J.i .(T2-T1) (3)
假设Imm长的火药药条试样燃烧后，产生k mol的气体(常数k可以通过固体推进剂配方利用多步迭代法或最小吉布斯自由能法计算得出)。已知火药燃速与时间之间的
7关系曲线为
权利要求
1.一种固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，其特征在于包括以下步骤(1)将待测固体推进剂按照GJB770B-2005方法706. 1中的要求测试由低压到高压的各个压强下的静态燃速，测试压强间隔至少为2MPa，得出平均燃速一压强关系曲线、每一个压强点测试时的最大有效燃速值与测试压强关系曲线、最小有效燃速值与测试压强关系曲线；(2)进行固体推进剂试样密闭状态下燃烧增压测试，使其达到所要测试的压强范围；(3)在包覆好的固体推进剂试样上钻6 10个靶孔，穿靶线及点火线；(4)预定初始压强和初始温度，在密闭的燃烧室中点燃固体推进剂试样，在固体推进剂试样燃烧的过程中依次记录每条靶线熔断的时刻，并用压力传感器和温度传感器记录燃烧室中压强和温度动态变化过程；(5)通过分析得出固体推进剂燃烧过程中燃烧长度、压强、温度和时间的动态关系
2.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，其特征在于 对于每一种固体推进剂试样进行初次测试时，步骤(5)完成后进行测试结果有效性验证，具体步骤如下(6)取准动态燃烧测试过程中某时刻^,测得固体推进剂的燃烧速度为γ^),根据/>(/) 关系可知此时燃烧室内的压强大小为Pfe)；(7)根据步骤(1)得出的u·(F)和Kmift(P)关系式可以得出当燃烧室内的压强大小为^fe)时固体推进剂静态燃速的范围是kin(-HiVt (-U],若吨)e IuakMil^ (玲J，说明测试结果有效。
3.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，其特征在于 步骤(2)中，通过减小燃烧室有效体积或增加固体推进剂样品放气量可使燃烧室内压强变化范围达到测试要求。
4.根据权利要求3所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，其特征在于 若压强变化范围小于需要测试压强区间时，在燃烧室内增加试样同时点燃，以增大压强的变化量，或在密闭燃烧室中加入不可燃烧的填充物减小燃烧室的容积。
5.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，其特征在于 步骤(4)中，若相邻两靶线熔断的时间间隔大于0. 5秒，则测试数据有效；若小于0. 5秒，调整钻孔方式，重新试验。
6.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，其特征在于 步骤(1)中，使用6次方拟合多项式回归计算燃速与压强的关系。
7.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，其特征在于步骤(3)中，对于大多数固体推进剂试样，采用等距靶线间距测试；对于燃速较高的固体推进剂试样，采用“前短后长”的不等距靶线间距进行测试，每一种配方只能采用一种靶线间距进行测试。
8.根据权利要求1所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，其特征在于 步骤(5)中，压力传感器测得的汽幻曲线可直接参与计算。
9.根据权利要求8所述的固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，其特征在于 步骤(5)中，固体推进剂试样燃烧过程中燃烧长度、压强、温度和时间的动态关系可用参数方程的形式表示如下，
全文摘要
本发明公开了一种固体推进剂多靶线准动态燃烧性能测试方法，包括以下步骤(1)将待测固体推进剂测试由低压到高压的各个压强下的静态燃速，得出平均燃速—压强关系曲线、最大有效燃速值与测试压强关系曲线、最小有效燃速值与测试压强关系曲线；(2)进行固体推进剂试样密闭状态下燃烧增压测试，使其达到所要测试的压强范围；(3)在包覆好的固体推进剂试样上钻6～10个靶孔，穿靶线及点火线；(4)预定初始压强和初始温度，在密闭的燃烧室中点燃固体推进剂试样，在固体推进剂试样燃烧的过程中依次记录每条靶线熔断的时刻；(5)通过分析得出固体推进剂燃烧过程中燃烧长度、压强、温度和时间的动态关系，计算出固体推进剂样品在一定压强范围内的燃速、燃速压强指数和燃速温度敏感系数。本发明适用于在固体推进剂生产过程中对每一批产品进行快速性能检测、质量控制等工作，可以缩短固体推进剂的研制生产周期，降低成本。
文档编号G01N33/22GK102175830SQ20111003979
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月17日 优先权日2011年2月17日
发明者刘科祥, 徐司雨, 樊学忠, 肖立柏, 裴庆, 赵凤起, 邢晓玲 申请人:西安电子科技大学, 西安近代化学研究所
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