張旭東，董可海，曲 凱，王玉峰

(海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，煙臺(tái) 264001)

丁羥推進(jìn)劑吸濕特性①

張旭東，董可海，曲 凱，王玉峰

(海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，煙臺(tái) 264001)

以丁羥推進(jìn)劑為研究對(duì)象，進(jìn)行了10、30、50℃ 3種溫度多種相對(duì)濕度條件下的吸濕試驗(yàn);采取吸濕率、平衡含濕率作為表征參數(shù)，研究了丁羥推進(jìn)劑吸濕的規(guī)律。結(jié)果表明，吸濕初期吸濕率隨吸濕時(shí)間增加而增大，推進(jìn)劑試樣的吸濕在一段時(shí)間后可達(dá)到平衡，平衡含濕率主要取決于環(huán)境相對(duì)濕度，受溫度的影響較小;通過對(duì)吸濕試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的分析，得到了丁羥推進(jìn)劑吸濕時(shí)的溫度和相對(duì)濕度條件對(duì)其擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律，給出了擴(kuò)散系數(shù)的溫濕度修正模型，用該模型表示擴(kuò)散系數(shù)與溫度和相對(duì)濕度的關(guān)系時(shí)，最大相對(duì)誤差僅為7.11%。

丁羥推進(jìn)劑;相對(duì)濕度;溫度;吸濕;擴(kuò)散系數(shù)

0 引言

使用丁羥推進(jìn)劑的固體發(fā)動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)澆注、貯存、勤務(wù)處理和戰(zhàn)備值班過程中，都不可避免地要處于一定的濕度環(huán)境當(dāng)中，盡管多數(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)或貯運(yùn)發(fā)射箱都采取了一定的防潮措施，例如充填低壓干燥壓縮氣體、放置防潮砂等，但由于技術(shù)準(zhǔn)備及維護(hù)保養(yǎng)的需要、排除設(shè)備故障或者是部件失效，丁羥推進(jìn)劑藥柱有時(shí)不得不短期或長(zhǎng)時(shí)間暴露于環(huán)境濕度之中。

國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量關(guān)于濕度對(duì)復(fù)合推進(jìn)劑力學(xué)性能和彈道性能影響的研究［1－8］，認(rèn)為濕度對(duì)復(fù)合推進(jìn)劑力學(xué)性能和彈道性能的影響，取決于環(huán)境濕度的大小和吸濕時(shí)間的長(zhǎng)短，而且通過干燥處理，可很好地消除這種影響，吸濕的程度取決于吸濕條件和吸濕過程，但國(guó)內(nèi)外對(duì)于丁羥推進(jìn)劑的吸濕過程研究的較少。本文將以丁羥推進(jìn)劑為研究對(duì)象，通過吸濕試驗(yàn)來尋求其吸濕的規(guī)律，從而為丁羥推進(jìn)劑吸濕的數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)。

1 丁羥推進(jìn)劑吸濕試驗(yàn)

1.1 吸濕表征方法

在吸濕程度上，文獻(xiàn)［1］、［2］、［9］等都給出了相關(guān)的表征方法，本文將采取式(1)所示的表征方法:

式中 Q吸為試樣的吸濕率;Δm為試樣吸濕后的質(zhì)量變化量;m0為試樣的原始質(zhì)量。

1.2 試驗(yàn)研究對(duì)象

采用同一配方的丁羥推進(jìn)劑方坯藥，制成120 mm×25 mm×10 mm的長(zhǎng)方體試樣，以此為試驗(yàn)對(duì)象，在經(jīng)歷不同時(shí)間的溫濕度條件吸濕后，用美國(guó)兄弟雙杰測(cè)試儀器廠生產(chǎn)的JJ 500型電子天平(分辨率為0.01 g)，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試。

1.3 濕度條件的模擬

關(guān)于濕度條件的模擬，國(guó)內(nèi)外常見方法主要有飽和鹽溶液模擬法［3－6］、蒸餾水模擬法［9－10］、硫酸溶液模擬法［7，9］和儀器設(shè)備模擬法［8］等。

本文依據(jù)《MV_RR_OIM_0020飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度值》［11］，在密閉玻璃容器底部盛放溴化鈉、氯化鈉、氯化鉀的飽和水溶液，利用其上部空間來形成相應(yīng)的環(huán)境濕度條件。

1.4 溫度條件的實(shí)現(xiàn)

溫度條件主要通過將上述密閉玻璃容器置于水浴恒溫箱和高低溫濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)來實(shí)現(xiàn)，恒溫箱與試驗(yàn)箱的控溫精度均為±1℃。

1.5 吸濕試驗(yàn)條件

丁羥推進(jìn)劑吸濕試驗(yàn)在溫度為10、30、50℃時(shí)若干種相對(duì)濕度條件下進(jìn)行，詳見表1。

表1 吸濕試驗(yàn)條件Table 1 Conditions of moisture absorption

2 吸濕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將試驗(yàn)得到各種溫濕度條件下的吸濕數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖1所示。從圖1中可發(fā)現(xiàn):

(1)推進(jìn)劑吸濕初期，吸濕率隨吸濕時(shí)間增加而增大;

(2)隨著吸濕時(shí)間的增加，推進(jìn)劑的吸濕率逐漸趨于穩(wěn)定值;

(3)溫度相同時(shí)，相對(duì)濕度越大，推進(jìn)劑吸濕速度越快，達(dá)到平衡時(shí)的吸濕率越高。

3 平衡含濕率及其變化規(guī)律

推進(jìn)劑試樣吸濕后質(zhì)量不再變化時(shí)的吸濕率稱為平衡含濕率，記為Qm。

從圖1可發(fā)現(xiàn)，溫度相同時(shí)，平衡含濕率受相對(duì)濕度的影響很大;相對(duì)濕度相近時(shí)，受溫度的影響則不大。因此，近似認(rèn)為平衡含濕率僅與相對(duì)濕度有關(guān)。

圖1 T=10、30、50℃的吸濕曲線Fig.1 Moisture absorption curves at 10、30、50 ℃

圖1的試驗(yàn)曲線所對(duì)應(yīng)的吸濕試驗(yàn)除T=10℃、RH=86.8%條件下，認(rèn)為其未達(dá)到吸濕平衡外，其余7種相對(duì)濕度條件下，均認(rèn)為已達(dá)到吸濕平衡，其平衡含濕率與相對(duì)濕度關(guān)系的散點(diǎn)圖如圖2所示。利用最小二乘法對(duì)散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到擬合曲線如圖2所示。

圖2 平衡含濕率擬合曲線圖Fig.2 Curve of Qm

通過線性擬合得到的擬合方程如下:

4 不同吸濕條件下的擴(kuò)散系數(shù)

對(duì)于水分在推進(jìn)劑內(nèi)的擴(kuò)散，最主要的物性參數(shù)就是擴(kuò)散系數(shù)，文獻(xiàn)［12－13］研究了水分在有關(guān)介質(zhì)中一維擴(kuò)散的情形，并給出了滿足Mt/M∞＜0.5時(shí)計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)的公式:

式中 t為吸濕時(shí)間;Mt為t時(shí)刻的吸水量;M∞為飽和吸水量;h為介質(zhì)厚度。

式(3)雖然可計(jì)算出擴(kuò)散系數(shù)D，但它僅適用于無限大平板中一維擴(kuò)散的情形，對(duì)于文中長(zhǎng)方體試樣的吸濕并不適用。文獻(xiàn)［14－15］則以長(zhǎng)方體試樣為研究對(duì)象，研究其吸水過程，并利用式(5)所示的修正公式求出擴(kuò)散系數(shù)，具體步驟如下:

(1)利用式(4)求出擴(kuò)散系數(shù)D。

式中 t、M∞、h意義同式(3);M2、M1分別為吸濕曲線線性段上t2、t1時(shí)刻的吸水量。

(2)利用式(5)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)D進(jìn)行修正，得到修正值Dx。

式中 l為長(zhǎng)方體試樣的長(zhǎng)度;w為長(zhǎng)方體試樣的寬度。

本文所進(jìn)行的丁羥推進(jìn)劑吸濕試驗(yàn)，研究對(duì)象為120 mm×25 mm×10 mm的長(zhǎng)方體試樣。因此，擴(kuò)散系數(shù)的求取適用上述方法。根據(jù)吸濕試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，利用式(4)與式(5)求出各種試驗(yàn)溫度和濕度條件下水分在所研究丁羥推進(jìn)劑中的擴(kuò)散系數(shù)D，見表2。

表2 各T、RH下的D值Table 2 Value of D at different T and RH

5 擴(kuò)散系數(shù)的溫濕度修正模型

將表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成擴(kuò)散系數(shù)D與相對(duì)濕度RH關(guān)系的散點(diǎn)圖，如圖3所示。

圖3 擴(kuò)散系數(shù)隨相對(duì)濕度變化散點(diǎn)圖Fig.3 D-RH curve

從圖3中可發(fā)現(xiàn):

(1)同一溫度下，擴(kuò)散系數(shù)隨相對(duì)濕度的增加先減小后增大，在RH=70%附近達(dá)到極小值;

(2)擴(kuò)散系數(shù)隨相對(duì)濕度的變化速率并不關(guān)于RH=70%對(duì)稱，當(dāng)RH＜70%時(shí)，變化速率相對(duì)較小，當(dāng)RH＞70%時(shí)，變化速率相對(duì)較大。

為此，本文按下列步驟得到擴(kuò)散系數(shù)的溫濕度修正模型。

(1)對(duì)不同溫度下，分別考慮相對(duì)濕度的影響。

以RH=70%為分界線，兩側(cè)分別用不同的二次函數(shù)來進(jìn)行曲線擬合，以反映出兩側(cè)變化速率不同的特點(diǎn)。擬合函數(shù)由式(6)～式(10)中給出，其中下標(biāo)10、30、50分別表示該方程所擬合的是10、30、50℃下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，下標(biāo)y和z分別表示該方程所擬合的是RH＞70%和RH＜70%時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.4 D-T curve

(3)將溫度和相對(duì)濕度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響進(jìn)行綜合，當(dāng)RH≠70%時(shí)，在式(12)的基礎(chǔ)上增加修正量，得到式(13)所示的擴(kuò)散系數(shù)的溫濕度修正模型。

將表2所示的試驗(yàn)溫度和相對(duì)濕度條件代入式(14)，得到擴(kuò)散系數(shù)并繪成散點(diǎn)圖，如圖5所示。將求出的擴(kuò)散系數(shù)及試驗(yàn)計(jì)算值代入式(15)，得到各種條件下模型(13)計(jì)算的相對(duì)誤差，如表3所示。

式中 Dmodel為曲線擬合值;Dtest為試驗(yàn)計(jì)算值。

圖5 各種條件下擴(kuò)散系數(shù)散點(diǎn)圖Fig.5 D at different T and RH

從表3和圖5可看出，式(13)表示的溫濕度修正模型能夠很好地表示擴(kuò)散系數(shù)與溫度和相對(duì)濕度的關(guān)系，最大相對(duì)誤差僅為7.11%。

表3 各T、RH下的D的相對(duì)誤差Table 3 Derrat different T and RH

6 結(jié)論

(1)推進(jìn)劑吸濕初期，吸濕率隨吸濕時(shí)間增加而增大;在試驗(yàn)研究的溫濕度范圍內(nèi)，推進(jìn)劑試樣吸濕在一段時(shí)間后可達(dá)到平衡。

(2)平衡含濕率主要取決于環(huán)境相對(duì)濕度，受溫度的影響較小;溫度相同時(shí)，相對(duì)濕度越大，推進(jìn)劑吸濕速度越快，達(dá)到平衡時(shí)的吸濕率越高。

(3)對(duì)于水分在所研究丁羥推進(jìn)劑中的擴(kuò)散系數(shù)與溫度及相對(duì)濕度的關(guān)系，可用擴(kuò)散系數(shù)的溫濕度修正模型來表示。

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(編輯:劉紅利)

Study on the moisture absorption law of HTPB propellant

ZHANG Xu-dong，DONG Ke-hai，QU Kai，WANG Yu-feng
(Department of Aircraft Engineering，NAAU，Yantai 264001，China)

Taking HTPB propellant as the object of study，some tests were performed about moisture absorption at 10，30，50 ℃and many relative humidity conditions.Using moisture absorption percentage and balance moisture absorption percentage as characterization parameters，the moisture absorption law of HTPB propellant was studied.The results show that the moisture absorption percentage is increasing with the moisture absorption time during the beginning of the moisture absorption.The moisture absorption of propellant samples can achieve balance after a period of time.The balance moisture absorption percentage mainly depends on relative humidity and less depends on the temperature.The influence of temperature and relative humidity conditions on the diffusion coefficient was found out through the analysis of moisture absorption test data from the HTPB propellant moisture absorption.The improved model to describe coefficient of diffusion was given out.The biggest relative error is 7.11%when using the improved model to describe the relation between the coefficient of diffusion with relative humidity and temperature.

HTPB propellant;relative humidity;temperature;moisture absorption;coefficient of diffusion

V512

A

1006-2793(2014)06-0838-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.06.019

2013-10-08;

2014-10-26。

總裝備部武器裝備預(yù)研基金(51328040104)。

張旭東(1978—)，男，博士，研究方向?yàn)閺?fù)合推進(jìn)劑貯存性能研究。E-mail:xdzhang78@sina.com