固體火箭推進(jìn)劑過(guò)保溫后力學(xué)性能試驗(yàn)研究

王鴻麗,許進(jìn)升,陳 雄,周長(zhǎng)省

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

常規(guī)兵器在進(jìn)行戰(zhàn)斗準(zhǔn)備時(shí),往往會(huì)遇到惡劣的氣候環(huán)境,為了適應(yīng)各種戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,國(guó)軍標(biāo)規(guī)定常規(guī)兵器的定型靶場(chǎng)試驗(yàn)需要進(jìn)行高溫、常溫和低溫3種溫度下的試驗(yàn),這就要求兵器在定型試驗(yàn)時(shí)對(duì)發(fā)射裝藥進(jìn)行保溫。發(fā)射裝藥的保溫過(guò)程是利用保溫設(shè)備為發(fā)射裝藥提供特定的溫度環(huán)境,并保持該溫度至裝藥中心獲得相同的溫度[1]。發(fā)射裝藥保溫時(shí)間的控制十分重要,保溫時(shí)間短,藥柱沒(méi)有保透,溫度分布不均勻?qū)е碌牟牧狭W(xué)性能的不均勻會(huì)影響試驗(yàn)質(zhì)量;保溫時(shí)間長(zhǎng),會(huì)使試驗(yàn)周期延長(zhǎng),造成人力和物力的浪費(fèi)[2]。國(guó)內(nèi)關(guān)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)保溫時(shí)間的研究包括理論計(jì)算[2]、試驗(yàn)研究[3-4]和仿真模擬計(jì)算[5-7]。將藥柱沒(méi)有保透的狀態(tài)稱為欠保溫狀態(tài),將藥柱過(guò)度保溫的狀態(tài)稱為過(guò)保溫狀態(tài)。GJB349.21—89《常規(guī)兵器定型試驗(yàn)方法——炮用發(fā)射藥》中對(duì)于彈藥的保溫時(shí)間有如下規(guī)定:發(fā)射裝藥57 mm口徑以下保溫時(shí)間不小于24 h;57～100 mm口徑保溫時(shí)間不小于36 h;100～155 mm口徑保溫時(shí)間不小于48 h;155 mm口徑以上保溫時(shí)間不小于72 h。相關(guān)研究認(rèn)為彈藥保溫試驗(yàn)中存在的問(wèn)題包括保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、極限溫度范圍不夠廣和彈藥口徑劃分范圍過(guò)寬等問(wèn)題[8]。彈藥保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和口徑劃分范圍過(guò)寬,都會(huì)導(dǎo)致其過(guò)保溫狀態(tài)的發(fā)生。在彈藥保溫時(shí)間上,國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的保溫時(shí)間與美軍標(biāo)相比較,時(shí)長(zhǎng)約為美軍標(biāo)的2～3倍。在關(guān)于發(fā)射裝藥保溫時(shí)間的研究中,普遍認(rèn)為國(guó)軍標(biāo)的保溫時(shí)間偏于保守,保溫時(shí)間有一定的壓縮空間[4-8];在彈藥口徑劃分范圍上,如果100～155 mm口徑彈藥的保溫時(shí)間都是48 h,則近于100 mm口徑的彈藥明顯存在過(guò)保溫狀態(tài)。大部分文獻(xiàn)研究彈藥保溫時(shí)間的目的是希望得到合適的保溫時(shí)間,避免保溫時(shí)間太長(zhǎng)而引起人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi),幾乎沒(méi)有文獻(xiàn)將關(guān)注點(diǎn)放在過(guò)保溫狀態(tài)對(duì)彈藥力學(xué)性能的影響上。因此,本文研究過(guò)保溫狀態(tài)下硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推進(jìn)劑的力學(xué)性能變化。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

NEPE推進(jìn)劑是以混合硝酸酯增塑聚醚為黏合劑的高能交聯(lián)推進(jìn)劑,同時(shí)加入奧克托今(HMX)和黑索今(RDX)等顆粒材料,是一種多組分高固含能復(fù)合材料[9]。本文試驗(yàn)中所使用的NEPE推進(jìn)劑各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下:增塑劑包括硝化甘油(NG)和1,2,4—丁三醇三硝酸酯(BTTN),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%;黏合劑包括環(huán)氧乙烷與四氫呋喃的共聚物(PET)和甲苯二異氰酸酯(N—100),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%;固體填充顆粒包括HMX、高氯酸銨(AP)和鋁粉(Al),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73%;其他,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%。NEPE推進(jìn)劑拉伸試件采用啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試件,具體尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件

1.2 保溫條件

1.2.1 保溫溫度

在惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,為了能夠更好地發(fā)揮常規(guī)兵器的作用,需要對(duì)其進(jìn)行保溫試驗(yàn)。我國(guó)國(guó)軍標(biāo)中規(guī)定常規(guī)兵器保溫試驗(yàn)的高溫為50 ℃,低溫為-40 ℃。限于試驗(yàn)條件,本文只對(duì)NEPE推進(jìn)劑進(jìn)行高溫保溫試驗(yàn),保溫溫度為50 ℃。

1.2.2 保溫時(shí)間

由于進(jìn)行的是過(guò)保溫試驗(yàn),需研究不同過(guò)保溫時(shí)長(zhǎng)對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響,因此對(duì)材料試件分別進(jìn)行了時(shí)長(zhǎng)為0 h,36 h,72 h,108 h,144 h和180 h的連續(xù)保溫試驗(yàn)。同時(shí),為了研究反復(fù)保溫過(guò)程對(duì)材料力學(xué)性能的影響,進(jìn)行了36 h×2,36 h×3,36 h×4,36 h×5的間隔保溫試驗(yàn),例如:36 h×2表示進(jìn)行了2次保溫過(guò)程,每次的保溫時(shí)間是36 h,2次保溫中間間隔的冷卻時(shí)間是12 h。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上完成。環(huán)境條件為:溫度25 ℃,相對(duì)濕度40%。為得到固體火箭推進(jìn)劑在保溫后的力學(xué)性能,對(duì)保溫一定時(shí)間并冷卻后的固體火箭推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試件進(jìn)行了拉伸速率分別為20 mm/min,100 mm/min,500 mm/min的拉伸試驗(yàn)。在試驗(yàn)中,先將試件放入水浴保溫箱進(jìn)行保溫,保溫的溫度為50 ℃,到一定的保溫時(shí)間,將試件取出冷卻到常溫,然后進(jìn)行拉伸。在每個(gè)拉伸速率下,將試件分為10組,每組的保溫情況都有所不同,表1為10組試件的保溫情況。表中,符號(hào)n表示對(duì)試件進(jìn)行的保溫次數(shù),t表示每次的保溫時(shí)間,2次保溫中間間隔的冷卻時(shí)間為12 h。同時(shí),對(duì)沒(méi)有進(jìn)行保溫試驗(yàn)過(guò)程的原始NEPE推進(jìn)劑試件也做了拉伸試驗(yàn),將其結(jié)果作為本次試驗(yàn)結(jié)果的參照。

表1 不同組別NEPE推進(jìn)劑試樣的保溫情況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 保溫時(shí)間對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響

圖2反映了3種不同的拉伸速率下不同的保溫時(shí)間對(duì)NEPE推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響,圖中,σ為應(yīng)力,ε為應(yīng)變。首先比較保溫后的材料試件與未保溫材料試件力學(xué)性能的不同,然后再比較保溫后的材料在不同保溫時(shí)間下的力學(xué)性能的不同。

圖2 3種速率下不同保溫時(shí)間的NEPE力學(xué)性能曲線

圖2表明,在每一個(gè)拉伸速率下,與未保溫的NEPE推進(jìn)劑試件相比,保溫之后的試件強(qiáng)度明顯提高,用σs表示材料的強(qiáng)度,表2給出了3種拉伸速率下經(jīng)歷不同保溫時(shí)間的NEPE推進(jìn)劑的強(qiáng)度,可以看到,在3種拉伸速率下,與未保溫的材料試件強(qiáng)度相比,所有進(jìn)行了保溫過(guò)程的NEPE推進(jìn)劑試件其強(qiáng)度都有所提高。拉伸速率為20 mm/min時(shí),雖然NEPE材料保溫后的試件強(qiáng)度比未保溫試件的強(qiáng)度有所增大,但是增幅很小,只有0.03 MPa。而拉伸速率較大時(shí),NEPE材料保溫后的試件比未保溫試件的強(qiáng)度要大得多,強(qiáng)度提高了0.1 MPa以上。3種拉伸速率下,與未保溫試件的延伸率相比,NEPE材料保溫后試件的延伸率有明顯的下降,未保溫試件的延伸率都超過(guò)1以上,而保溫后試件的延伸率只有60%～80%。

觀察圖2可以發(fā)現(xiàn),3種拉伸速率下NEPE材料保溫后試件的強(qiáng)度會(huì)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,但是強(qiáng)度的增幅都很小。從表2可以看出,每增加36 h的保溫時(shí)間,材料強(qiáng)度會(huì)提高0.01～0.03 MPa。觀察不同保溫時(shí)間下材料試件的延伸率可以發(fā)現(xiàn),保溫時(shí)間對(duì)材料的延伸率沒(méi)有影響。

表2 不同拉伸速率和保溫時(shí)間NEPE推進(jìn)劑強(qiáng)度

2.2 保溫次數(shù)對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響

圖3～圖5為3種拉伸速率下NEPE推進(jìn)劑材料試件在連續(xù)保溫和間隔保溫后的力學(xué)性能曲線。

圖3 拉伸速率為20 mm/min,不同保溫次數(shù)的NEPE推進(jìn)劑力學(xué)性能曲線

圖4 拉伸速率為100 mm/min,不同保溫次數(shù)的NEPE推進(jìn)劑力學(xué)性能曲線

圖5 拉伸速率為500 mm/min,不同保溫次數(shù)的NEPE推進(jìn)劑力學(xué)性能曲線

從圖3～圖5中可以發(fā)現(xiàn),在總的保溫時(shí)間相同的情況下,保溫次數(shù)對(duì)推進(jìn)劑的力學(xué)性能有顯著的影響。在3種拉伸速率下,連續(xù)保溫和間隔保溫后材料試件的拉伸應(yīng)力、應(yīng)變曲線在線性段基本重合,證明保溫次數(shù)不會(huì)改變材料的彈性模量。但隨著線性段的結(jié)束,間隔保溫后的材料強(qiáng)度明顯高于連續(xù)保溫后的材料強(qiáng)度。在圖3～圖5中還可以看到,3種拉伸速率下保溫次數(shù)對(duì)材料的延伸率基本沒(méi)有影響。

3 結(jié)論

根據(jù)以上對(duì)材料試件試驗(yàn)結(jié)果的分析,可得出以下結(jié)論:

①與未保溫的NEPE推進(jìn)劑試件相比,保溫之后試件的強(qiáng)度有一定的提高,延伸率出現(xiàn)明顯的下降。

②所有經(jīng)歷了保溫過(guò)程的NEPE推進(jìn)劑材料試件的力學(xué)性能都受到保溫時(shí)間的影響,保溫時(shí)間越長(zhǎng),材料的強(qiáng)度越高,但是保溫時(shí)長(zhǎng)對(duì)材料的延伸率沒(méi)有明顯的影響。

③在總的保溫時(shí)間相同的情況下,保溫次數(shù)對(duì)推進(jìn)劑的力學(xué)性能有顯著的影響。盡管保溫次數(shù)不會(huì)改變材料的彈性模量,但間隔保溫后材料的強(qiáng)度明顯高于連續(xù)保溫后材料的強(qiáng)度。

基于以上結(jié)論,由于保溫情況對(duì)NEPE推進(jìn)劑材料力學(xué)性能的影響,在對(duì)采用NEPE推進(jìn)劑的彈藥武器進(jìn)行保溫試驗(yàn)時(shí),對(duì)保溫時(shí)間的控制十分重要,需要進(jìn)行進(jìn)一步探討。

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