固体火箭推进剂过保温后力学性能试验研究

王鸿丽,许进升,陈 雄,周长省

(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094)

常规兵器在进行战斗准备时,往往会遇到恶劣的气候环境,为了适应各种战场环境,国军标规定常规兵器的定型靶场试验需要进行高温、常温和低温3种温度下的试验,这就要求兵器在定型试验时对发射装药进行保温。发射装药的保温过程是利用保温设备为发射装药提供特定的温度环境,并保持该温度至装药中心获得相同的温度[1]。发射装药保温时间的控制十分重要,保温时间短,药柱没有保透,温度分布不均匀导致的材料力学性能的不均匀会影响试验质量;保温时间长,会使试验周期延长,造成人力和物力的浪费[2]。国内关于火箭发动机保温时间的研究包括理论计算[2]、试验研究[3-4]和仿真模拟计算[5-7]。将药柱没有保透的状态称为欠保温状态,将药柱过度保温的状态称为过保温状态。GJB349.21—89《常规兵器定型试验方法——炮用发射药》中对于弹药的保温时间有如下规定:发射装药57 mm口径以下保温时间不小于24 h;57～100 mm口径保温时间不小于36 h;100～155 mm口径保温时间不小于48 h;155 mm口径以上保温时间不小于72 h。相关研究认为弹药保温试验中存在的问题包括保温时间过长、极限温度范围不够广和弹药口径划分范围过宽等问题[8]。弹药保温时间过长和口径划分范围过宽,都会导致其过保温状态的发生。在弹药保温时间上,国军标规定的保温时间与美军标相比较,时长约为美军标的2～3倍。在关于发射装药保温时间的研究中,普遍认为国军标的保温时间偏于保守,保温时间有一定的压缩空间[4-8];在弹药口径划分范围上,如果100～155 mm口径弹药的保温时间都是48 h,则近于100 mm口径的弹药明显存在过保温状态。大部分文献研究弹药保温时间的目的是希望得到合适的保温时间,避免保温时间太长而引起人力、物力和财力的浪费,几乎没有文献将关注点放在过保温状态对弹药力学性能的影响上。因此,本文研究过保温状态下硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的力学性能变化。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

NEPE推进剂是以混合硝酸酯增塑聚醚为黏合剂的高能交联推进剂,同时加入奥克托今(HMX)和黑索今(RDX)等颗粒材料,是一种多组分高固含能复合材料[9]。本文试验中所使用的NEPE推进剂各组分的质量分数如下:增塑剂包括硝化甘油(NG)和1,2,4—丁三醇三硝酸酯(BTTN),质量分数为18%;黏合剂包括环氧乙烷与四氢呋喃的共聚物(PET)和甲苯二异氰酸酯(N—100),质量分数为7.5%;固体填充颗粒包括HMX、高氯酸铵(AP)和铝粉(Al),质量分数为73%;其他,质量分数为1.5%。NEPE推进剂拉伸试件采用哑铃型标准试件,具体尺寸如图1所示。

图1 拉伸试验标准试件

1.2 保温条件

1.2.1 保温温度

在恶劣的战场环境中,为了能够更好地发挥常规兵器的作用,需要对其进行保温试验。我国国军标中规定常规兵器保温试验的高温为50 ℃,低温为-40 ℃。限于试验条件,本文只对NEPE推进剂进行高温保温试验,保温温度为50 ℃。

1.2.2 保温时间

由于进行的是过保温试验,需研究不同过保温时长对推进剂力学性能的影响,因此对材料试件分别进行了时长为0 h,36 h,72 h,108 h,144 h和180 h的连续保温试验。同时,为了研究反复保温过程对材料力学性能的影响,进行了36 h×2,36 h×3,36 h×4,36 h×5的间隔保温试验,例如:36 h×2表示进行了2次保温过程,每次的保温时间是36 h,2次保温中间间隔的冷却时间是12 h。

1.3 试验方法

试验在微机控制电子万能材料试验机上完成。环境条件为:温度25 ℃,相对湿度40%。为得到固体火箭推进剂在保温后的力学性能,对保温一定时间并冷却后的固体火箭推进剂标准哑铃型试件进行了拉伸速率分别为20 mm/min,100 mm/min,500 mm/min的拉伸试验。在试验中,先将试件放入水浴保温箱进行保温,保温的温度为50 ℃,到一定的保温时间,将试件取出冷却到常温,然后进行拉伸。在每个拉伸速率下,将试件分为10组,每组的保温情况都有所不同,表1为10组试件的保温情况。表中,符号n表示对试件进行的保温次数,t表示每次的保温时间,2次保温中间间隔的冷却时间为12 h。同时,对没有进行保温试验过程的原始NEPE推进剂试件也做了拉伸试验,将其结果作为本次试验结果的参照。

表1 不同组别NEPE推进剂试样的保温情况

2 试验结果与分析

2.1 保温时间对推进剂力学性能的影响

图2反映了3种不同的拉伸速率下不同的保温时间对NEPE推进剂力学性能的影响,图中,σ为应力,ε为应变。首先比较保温后的材料试件与未保温材料试件力学性能的不同,然后再比较保温后的材料在不同保温时间下的力学性能的不同。

图2 3种速率下不同保温时间的NEPE力学性能曲线

图2表明,在每一个拉伸速率下,与未保温的NEPE推进剂试件相比,保温之后的试件强度明显提高,用σs表示材料的强度,表2给出了3种拉伸速率下经历不同保温时间的NEPE推进剂的强度,可以看到,在3种拉伸速率下,与未保温的材料试件强度相比,所有进行了保温过程的NEPE推进剂试件其强度都有所提高。拉伸速率为20 mm/min时,虽然NEPE材料保温后的试件强度比未保温试件的强度有所增大,但是增幅很小,只有0.03 MPa。而拉伸速率较大时,NEPE材料保温后的试件比未保温试件的强度要大得多,强度提高了0.1 MPa以上。3种拉伸速率下,与未保温试件的延伸率相比,NEPE材料保温后试件的延伸率有明显的下降,未保温试件的延伸率都超过1以上,而保温后试件的延伸率只有60%～80%。

观察图2可以发现,3种拉伸速率下NEPE材料保温后试件的强度会随着保温时间的延长而增大,但是强度的增幅都很小。从表2可以看出,每增加36 h的保温时间,材料强度会提高0.01～0.03 MPa。观察不同保温时间下材料试件的延伸率可以发现,保温时间对材料的延伸率没有影响。

表2 不同拉伸速率和保温时间NEPE推进剂强度

2.2 保温次数对推进剂力学性能的影响

图3～图5为3种拉伸速率下NEPE推进剂材料试件在连续保温和间隔保温后的力学性能曲线。

图3 拉伸速率为20 mm/min,不同保温次数的NEPE推进剂力学性能曲线

图4 拉伸速率为100 mm/min,不同保温次数的NEPE推进剂力学性能曲线

图5 拉伸速率为500 mm/min,不同保温次数的NEPE推进剂力学性能曲线

从图3～图5中可以发现,在总的保温时间相同的情况下,保温次数对推进剂的力学性能有显著的影响。在3种拉伸速率下,连续保温和间隔保温后材料试件的拉伸应力、应变曲线在线性段基本重合,证明保温次数不会改变材料的弹性模量。但随着线性段的结束,间隔保温后的材料强度明显高于连续保温后的材料强度。在图3～图5中还可以看到,3种拉伸速率下保温次数对材料的延伸率基本没有影响。

3 结论

根据以上对材料试件试验结果的分析,可得出以下结论:

①与未保温的NEPE推进剂试件相比,保温之后试件的强度有一定的提高,延伸率出现明显的下降。

②所有经历了保温过程的NEPE推进剂材料试件的力学性能都受到保温时间的影响,保温时间越长,材料的强度越高,但是保温时长对材料的延伸率没有明显的影响。

③在总的保温时间相同的情况下,保温次数对推进剂的力学性能有显著的影响。尽管保温次数不会改变材料的弹性模量,但间隔保温后材料的强度明显高于连续保温后材料的强度。

基于以上结论,由于保温情况对NEPE推进剂材料力学性能的影响,在对采用NEPE推进剂的弹药武器进行保温试验时,对保温时间的控制十分重要,需要进行进一步探讨。

[1] 薛青,杨森. 某型发射装药保温时间仿真研究[J]. 计算机仿真,2012,29(10):67-70.

XUE Qing,YANG Sen. Simulation research of incubation time of a type of charge[J]. Computer Simulation,2012,29(10):67-70. (in Chinese)

[2] 马文汉. 火箭弹保温时间计算方法研究[J]. 兵工学报,1988(3):65-83.

MA Wenhan. Research on calculation method of heat preservation time of rocket projectile[J]. Acta Armamentarii,1988(3):65-83. (in Chinese)

[3] 匙明成,周中柱. 固体火箭发动机保温时间的试验研究[J]. 兵工学报,1982(1):76-81.

SHI Mingcheng,ZHOU Zhongzhu. Test research on heat preservation time of solid rocket motor[J]. Acta Armamentarii,1982(1):76-81. (in Chinese)

[4] 齐杏林,姜波,贾波,等. 弹药保温时间试验研究[J]. 弹箭与制导学报,2012,32(6):74-76.

QI Xinglin,JIANG Bo,JIA Bo,et al. The experiment study of heat preservation time of ammunition[J]. Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2012,32(6):74-76. (in Chinese)

[5] 姜波,齐杏林,崔亮,等. 发射装药保温时间仿真计算[J]. 火工品,2010(3):47-50.

JIANG Bo,QI Xinglin,CUI Liang,et al. The simulation of the time of the ammunition temperature conditioning[J]. Initiators & Pyrotechnics,2010(3):47-50. (in Chinese)

[6] 姜波,齐杏林,崔亮,等. 发射装药保温时间的模拟计算[J]. 火炸药学报,2010,33(4):78-81.

JIANG Bo,QI Xinglin,CUI Liang,et al. Simulation research of the time of the charge temperature conditioning[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants,2010,33(4):78-81. (in Chinese)

[7] 姜波,齐杏林,崔亮. 某高炮弹药保温时间仿真研究[J]. 装备环境工程,2010,7(5):69-72.

JIANG Bo,QI Xinglin,CUI Liang. et al. Simulation research of temperature conditioning time of ammunition[J]. Equipment Environmental Engineering,2010,7(5):69-72. (in Chinese)

[8] 姜波,崔亮,齐杏林,等. 弹药保温试验现状及存在问题[J]. 强度与环境,2010,37(5):52-57.

JIANG Bo,CUI Liang,QI Xinglin,et al. Current situation and problems of heat preservation testing of ammunition[J]. Structure & Environment Engineering,2010,37(5):52-57. (in Chinese)

[9] 高艳宾,陈雄,许进升,等. NEPE推进剂动态力学特性分析[J]. 推进技术,2015,36(9):1 410-1 415.

GAO Yanbin,CHEN Xiong,XU Jinsheng,et al. Dynamic mechanical properties analysis of NEPE propellant[J]. Journal of Propulsion Technology,2015,36(9):1 410-1 415. (in Chinese)