固體火箭推進劑過保溫后力學性能試驗研究

王鴻麗,許進升,陳 雄,周長省

(南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094)

常規兵器在進行戰斗準備時,往往會遇到惡劣的氣候環境,為了適應各種戰場環境,國軍標規定常規兵器的定型靶場試驗需要進行高溫、常溫和低溫3種溫度下的試驗,這就要求兵器在定型試驗時對發射裝藥進行保溫。發射裝藥的保溫過程是利用保溫設備為發射裝藥提供特定的溫度環境,并保持該溫度至裝藥中心獲得相同的溫度[1]。發射裝藥保溫時間的控制十分重要,保溫時間短,藥柱沒有保透,溫度分布不均勻導致的材料力學性能的不均勻會影響試驗質量;保溫時間長,會使試驗周期延長,造成人力和物力的浪費[2]。國內關于火箭發動機保溫時間的研究包括理論計算[2]、試驗研究[3-4]和仿真模擬計算[5-7]。將藥柱沒有保透的狀態稱為欠保溫狀態,將藥柱過度保溫的狀態稱為過保溫狀態。GJB349.21—89《常規兵器定型試驗方法——炮用發射藥》中對于彈藥的保溫時間有如下規定:發射裝藥57 mm口徑以下保溫時間不小于24 h;57～100 mm口徑保溫時間不小于36 h;100～155 mm口徑保溫時間不小于48 h;155 mm口徑以上保溫時間不小于72 h。相關研究認為彈藥保溫試驗中存在的問題包括保溫時間過長、極限溫度范圍不夠廣和彈藥口徑劃分范圍過寬等問題[8]。彈藥保溫時間過長和口徑劃分范圍過寬,都會導致其過保溫狀態的發生。在彈藥保溫時間上,國軍標規定的保溫時間與美軍標相比較,時長約為美軍標的2～3倍。在關于發射裝藥保溫時間的研究中,普遍認為國軍標的保溫時間偏于保守,保溫時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口徑彈藥的保溫時間都是48 h,則近于100 mm口徑的彈藥明顯存在過保溫狀態。大部分文獻研究彈藥保溫時間的目的是希望得到合適的保溫時間,避免保溫時間太長而引起人力、物力和財力的浪費,幾乎沒有文獻將關注點放在過保溫狀態對彈藥力學性能的影響上。因此,本文研究過保溫狀態下硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推進劑的力學性能變化。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

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

圖1 拉伸試驗標準試件

1.2 保溫條件

1.2.1 保溫溫度

在惡劣的戰場環境中,為了能夠更好地發揮常規兵器的作用,需要對其進行保溫試驗。我國國軍標中規定常規兵器保溫試驗的高溫為50 ℃,低溫為-40 ℃。限于試驗條件,本文只對NEPE推進劑進行高溫保溫試驗,保溫溫度為50 ℃。

1.2.2 保溫時間

由于進行的是過保溫試驗,需研究不同過保溫時長對推進劑力學性能的影響,因此對材料試件分別進行了時長為0 h,36 h,72 h,108 h,144 h和180 h的連續保溫試驗。同時,為了研究反復保溫過程對材料力學性能的影響,進行了36 h×2,36 h×3,36 h×4,36 h×5的間隔保溫試驗,例如:36 h×2表示進行了2次保溫過程,每次的保溫時間是36 h,2次保溫中間間隔的冷卻時間是12 h。

1.3 試驗方法

試驗在微機控制電子萬能材料試驗機上完成。環境條件為:溫度25 ℃,相對濕度40%。為得到固體火箭推進劑在保溫后的力學性能,對保溫一定時間并冷卻后的固體火箭推進劑標準啞鈴型試件進行了拉伸速率分別為20 mm/min,100 mm/min,500 mm/min的拉伸試驗。在試驗中,先將試件放入水浴保溫箱進行保溫,保溫的溫度為50 ℃,到一定的保溫時間,將試件取出冷卻到常溫,然后進行拉伸。在每個拉伸速率下,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n表示對試件進行的保溫次數,t表示每次的保溫時間,2次保溫中間間隔的冷卻時間為12 h。同時,對沒有進行保溫試驗過程的原始NEPE推進劑試件也做了拉伸試驗,將其結果作為本次試驗結果的參照。

表1 不同組別NEPE推進劑試樣的保溫情況

2 試驗結果與分析

2.1 保溫時間對推進劑力學性能的影響

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

圖2 3種速率下不同保溫時間的NEPE力學性能曲線

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

觀察圖2可以發現,3種拉伸速率下NEPE材料保溫后試件的強度會隨著保溫時間的延長而增大,但是強度的增幅都很小。從表2可以看出,每增加36 h的保溫時間,材料強度會提高0.01～0.03 MPa。觀察不同保溫時間下材料試件的延伸率可以發現,保溫時間對材料的延伸率沒有影響。

表2 不同拉伸速率和保溫時間NEPE推進劑強度

2.2 保溫次數對推進劑力學性能的影響

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

圖3 拉伸速率為20 mm/min,不同保溫次數的NEPE推進劑力學性能曲線

圖4 拉伸速率為100 mm/min,不同保溫次數的NEPE推進劑力學性能曲線

圖5 拉伸速率為500 mm/min,不同保溫次數的NEPE推進劑力學性能曲線

從圖3～圖5中可以發現,在總的保溫時間相同的情況下,保溫次數對推進劑的力學性能有顯著的影響。在3種拉伸速率下,連續保溫和間隔保溫后材料試件的拉伸應力、應變曲線在線性段基本重合,證明保溫次數不會改變材料的彈性模量。但隨著線性段的結束,間隔保溫后的材料強度明顯高于連續保溫后的材料強度。在圖3～圖5中還可以看到,3種拉伸速率下保溫次數對材料的延伸率基本沒有影響。

3 結論

根據以上對材料試件試驗結果的分析,可得出以下結論:

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

②所有經歷了保溫過程的NEPE推進劑材料試件的力學性能都受到保溫時間的影響,保溫時間越長,材料的強度越高,但是保溫時長對材料的延伸率沒有明顯的影響。

③在總的保溫時間相同的情況下,保溫次數對推進劑的力學性能有顯著的影響。盡管保溫次數不會改變材料的彈性模量,但間隔保溫后材料的強度明顯高于連續保溫后材料的強度。

基于以上結論,由于保溫情況對NEPE推進劑材料力學性能的影響,在對采用NEPE推進劑的彈藥武器進行保溫試驗時,對保溫時間的控制十分重要,需要進行進一步探討。

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