CPN藥劑在真空和不同溫度條件下輸出力的試驗(yàn)研究

紀(jì) 明，楊敏勃，魏連軍

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

根據(jù)我國(guó)探月三期工程要求，采集到的月球樣品必須能夠自動(dòng)密封在極低漏率環(huán)境中返回地球，以維持月球樣品原態(tài)，保證地面數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性[1]。否則在返回大氣層后由于微量空氣的進(jìn)入對(duì)樣品造成污染甚至產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)[2]，導(dǎo)致對(duì)地外樣品的分析失去科學(xué)意義，甚至導(dǎo)致任務(wù)的失敗。

根據(jù)方案，在月球樣品容器上設(shè)計(jì)有一套密封機(jī)構(gòu)[3-4]，其功能是通過(guò)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生樣品容器密封所需的密封力?；鸸ぷ鲃?dòng)器組件是密封機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，通過(guò)其在工作時(shí)產(chǎn)生的輸出力來(lái)驅(qū)動(dòng)密封機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以完成樣品容器的密封?；鸸ぷ鲃?dòng)器在小容積狀態(tài)下發(fā)火，其裝藥為CPN（炭黑/硝酸鉀）藥劑，該藥劑在月球表面真空和不同溫度環(huán)境條件下的輸出性能會(huì)直接影響樣品容器密封功能的實(shí)現(xiàn)，甚至直接關(guān)系到月球采樣任務(wù)的成敗，因此對(duì)CPN藥劑在真空和不同溫度環(huán)境下輸出性能的研究就顯的尤為重要。

調(diào)研表明，該藥劑僅在地面核電站某爆破閥[5-7]產(chǎn)品中有過(guò)應(yīng)用，目前尚無(wú)在航天產(chǎn)品中應(yīng)用的先例，在真空和不同溫度環(huán)境下輸出性能的相關(guān)資料亦是空白。

文章結(jié)合探月三期工程背景，對(duì)CPN藥劑在真空和不同溫度環(huán)境條件下的輸出力進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 CPN基本性能

CPN藥劑為國(guó)內(nèi)某研究所研制，采用制式黑火藥工藝制備，為粒度小于0.8 mm的顆粒狀藥劑。其理化性能[8]如表1所列。

表1 CPN藥劑的理化性能表Tab.1 Physical and chemical properties Of CPN

CPN藥劑的DSC熱分析[9]如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，CPN藥劑有2個(gè)吸熱峰，一處峰值為132.57℃，該處為硝酸鉀晶體的相變吸熱峰；另一處峰值為334.81℃，該處為硝酸鉀熔融吸熱峰[10]。主要放熱反應(yīng)峰為408.67℃。

圖1 CPN的DSC熱分析圖Fig.1 DSC curve of CPN

由以上可以看出CPN藥劑具有較高的密度、較低的機(jī)械感度及靜電感度，并且具有較好的安定性。CPN的自動(dòng)點(diǎn)火溫度大于330℃，相比于其他傳統(tǒng)藥劑是一種耐高溫性能優(yōu)良的產(chǎn)氣做功藥劑。僅從以上指標(biāo)來(lái)看，可滿足月球樣品容器火工作動(dòng)器存儲(chǔ)和工作溫度范圍的要求。

該藥劑若要應(yīng)用于空間環(huán)境中，特別是環(huán)境條件相對(duì)更為惡劣的月球表面環(huán)境中，以上性能指標(biāo)還不夠全面。根據(jù)任務(wù)要求，該藥劑必須能夠在真空高溫環(huán)境、真空低溫環(huán)境中可靠工作，其發(fā)火后的輸出性能必須使火工作動(dòng)器的輸出指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以保證樣品容器對(duì)月球樣品密封功能的順利實(shí)現(xiàn)。為此，對(duì)CPN藥劑在真空和不同溫度環(huán)境下的輸出性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考和判斷依據(jù)。

2 CPN在真空和不同溫度環(huán)境中的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方案

要測(cè)試CPN在真空環(huán)境下的輸出力，必須在真空環(huán)境中對(duì)該藥劑進(jìn)行發(fā)火。通常采用的密閉容腔發(fā)火測(cè)試方法[11]存在一定的問(wèn)題，首先密閉容腔上安裝的各類傳感器無(wú)法經(jīng)受各種溫度環(huán)境的考驗(yàn)；其次密閉容腔具有較大的容積，在此大容積下的測(cè)試結(jié)果不能表征小容積下的實(shí)際輸出性能，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試的不準(zhǔn)確。針對(duì)以上問(wèn)題，試驗(yàn)采用測(cè)試火工作動(dòng)器輸出力的方式，將CPN藥劑作為作動(dòng)器的主裝藥，其發(fā)火后轉(zhuǎn)化為作動(dòng)器的輸出力，通過(guò)對(duì)輸出力的測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)CPN藥劑在真空環(huán)境下的輸出性能。試驗(yàn)測(cè)試要求為：高溫138℃、低溫-60℃、真空度≤5×10-3Pa，并與常溫常壓及常溫真空狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在航天火工作動(dòng)器專用測(cè)試設(shè)備中開(kāi)展。如圖2所示，設(shè)備的主體為真空試驗(yàn)箱，將作動(dòng)器安裝支座固定在試驗(yàn)箱的熱沉板上，作動(dòng)器安裝在支座上，其活塞桿與氣缸活塞桿相連，氣缸活塞桿是通過(guò)真空試驗(yàn)箱的穿箱裝置穿入真空試驗(yàn)箱內(nèi)，在氣缸上安裝有壓力傳感器、位移傳感器及氣路、閥門(mén)等。

圖2 火工作動(dòng)器輸出力測(cè)試試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test for output force of actuator

圖3為火工作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，該作動(dòng)器采用直推式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)單，能夠保證測(cè)試的準(zhǔn)確性。作動(dòng)器的主裝藥為2 g CPN藥劑，該藥劑須在一定的裝藥密度下才能夠持續(xù)燃燒，為了參照比對(duì)DSC熱分析圖，裝藥密度與表1保持一致，亦為1.70 g·cm-3，電點(diǎn)火具中的主裝藥為300 mg CPN藥劑，設(shè)計(jì)輸出推力不小于3 300 N。初始狀態(tài)時(shí)作動(dòng)器的活塞桿完全縮在筒體內(nèi)，初容僅為0.8 cm3。

圖3 火工作動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of actuator structure

試驗(yàn)前，通過(guò)氣路在氣缸內(nèi)充入預(yù)定壓力的氣體，然后運(yùn)行真空試驗(yàn)箱獲得試驗(yàn)所需的溫度及真空度并保持5 h以上。作動(dòng)器在氣缸活塞桿的推力作用下，活塞推桿上的限位臺(tái)始終與筒體貼合，確保作動(dòng)器一直處在初始狀態(tài)。在一定的漏率下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的抽真空，筒體內(nèi)即可保證真空狀態(tài)。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，電點(diǎn)火具發(fā)火引燃CPN藥劑，產(chǎn)生高壓氣體將活塞桿向作動(dòng)器筒體外推出，從而推動(dòng)氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)。作動(dòng)器采用機(jī)械限位，當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)至筒體末端到位處時(shí)通過(guò)機(jī)械限位停止運(yùn)動(dòng)，至此作動(dòng)器的工作過(guò)程完成。作動(dòng)器動(dòng)作完成后，通過(guò)壓力傳感器測(cè)試出氣缸內(nèi)的峰值壓力值來(lái)計(jì)算出作動(dòng)器的輸出推力。試驗(yàn)采用同藥量、同狀態(tài)、同批次合格的作動(dòng)器產(chǎn)品，試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試儀器均固定為同一狀態(tài)，試驗(yàn)過(guò)程中不允許更換，以確保測(cè)試的準(zhǔn)確性。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

火工作動(dòng)器在各環(huán)境條件下進(jìn)行輸出力測(cè)試，每發(fā)產(chǎn)品工作完成后通過(guò)測(cè)量活塞桿行程（22 mm±1 mm）是否到位來(lái)確認(rèn)作動(dòng)器動(dòng)作是否順利完成，只有動(dòng)作順利完成才能作為一次合格的試驗(yàn)樣本。試驗(yàn)測(cè)得的輸出力結(jié)果如表2所列。根據(jù)表2試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制的火工作動(dòng)器輸出力曲線對(duì)比如圖4～圖6所示。將表2中每個(gè)工況下的測(cè)試值代入式（1）中求出各工況下輸出力的平均值。

式中：μ為輸出力的平均值；Xi為每個(gè)輸出力值；n為試驗(yàn)次數(shù)。

將表1及式（1）的計(jì)算結(jié)果代入式（2）中求出各工況下輸出力的均方差值σ。

再將式（2）結(jié)果代入式（3）中求出各工況下輸出力的散差值δ。

表2 火工作動(dòng)器在各環(huán)境條件下的輸出力測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of the output force of the actuator under each environmental conditions

圖4 常溫常壓、常溫真空環(huán)境作動(dòng)器輸出力曲線圖Fig.4 Curve diagram of actuator output force under normal temperature，normal pressure environment and normal temperature，vacuum environment

圖5 高溫常壓、高溫真空環(huán)境作動(dòng)器輸出力曲線圖Fig.5 Curve diagram of actuator output force under high temperature，normal pressure environment and high temperature，vacuum environment

圖6 低溫常壓、低溫真空環(huán)境作動(dòng)器輸出力曲線圖Fig.6 Curve diagram of actuator output force under low temperature，normal pressure environment and low temperature，vacuum environment

各工況下火工作動(dòng)器輸出力的平均值統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

圖7 各工況下火工作動(dòng)器輸出力的平均值統(tǒng)計(jì)圖Fig.7 Chart of average value of the actuator output force under each environmental conditions

各工況下火工作動(dòng)器輸出力的散差值如表3所列。

表3 各工況下火工作動(dòng)器輸出力的散差值Tab.3 Divergence value of the actuator output force under each environmental conditions

2.4 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，能夠得出以下結(jié)論。

（1）從圖5～7可以看出，在相同溫度環(huán)境條件下，火工作動(dòng)器在常壓和真空環(huán)境中的輸出性能無(wú)明顯差別，說(shuō)明真空環(huán)境條件對(duì)CPN藥劑的輸出性能無(wú)明顯影響，并且在真空環(huán)境中也能夠可靠發(fā)火，該藥劑具有較好的真空環(huán)境適用性。

（2）火工作動(dòng)器輸出力由大至小依次為高溫環(huán)境、常溫環(huán)境和低溫環(huán)境，在138℃高溫環(huán)境中的輸出力比在常溫環(huán)境中的平均增加了1.2%，在-60℃低溫環(huán)境中的輸出力比在常溫環(huán)境中的平均減少了2.2%，說(shuō)明CPN藥劑的輸出性能受溫度影響較大，溫度升高，其輸出性能會(huì)有相應(yīng)的增加，反之亦然。CPN藥劑的該特點(diǎn)也符合火藥的一般規(guī)律。

（3）從表3可以看出，火工作動(dòng)器輸出力的散差值能夠一致收斂在較小的范圍內(nèi)（＜0.4%），說(shuō)明CPN藥劑在各種環(huán)境條件下的輸出性能穩(wěn)定，一致性較好，未出現(xiàn)散差擴(kuò)大的趨勢(shì)。

（4）通過(guò)試驗(yàn)證明：CPN藥劑在低溫環(huán)境中依然能夠可靠穩(wěn)定的輸出能量，雖然輸出性能相比常溫狀態(tài)時(shí)會(huì)有所衰減，但幅度較小，在可接受的范圍內(nèi)，所以在做該工況的設(shè)計(jì)時(shí)需增加藥量裕度進(jìn)行補(bǔ)償。

（5）在高溫工況中對(duì)火工作動(dòng)器進(jìn)行了138℃的存儲(chǔ)及輸出測(cè)試，該溫度已覆蓋了圖1中132.57℃的第一個(gè)吸熱峰，從試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)中可以看出火工作動(dòng)器的輸出力并未受到影響或產(chǎn)生較大的偏差值和散差值，說(shuō)明CPN藥劑在經(jīng)歷了132.57℃的第一個(gè)吸熱峰后，對(duì)輸出性能沒(méi)有產(chǎn)生明顯的影響。由于航天火工品通常都具有環(huán)境熱控措施，經(jīng)歷溫度一般不會(huì)超過(guò)180℃，所以對(duì)其他吸熱峰及放熱峰的驗(yàn)證意義不大。

3 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)驗(yàn)證可知，CPN藥劑的存儲(chǔ)、工作溫度范圍寬泛（已在-60℃～138℃范圍內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證），輸出性能穩(wěn)定、一致性好，具有適應(yīng)真空及高、低溫環(huán)境的能力，滿足月球表面工作要求。本文的驗(yàn)證結(jié)論亦可對(duì)其他航天火工品藥劑的選型提供借鑒和參考。