紀 明，楊敏勃，魏連軍

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

根據(jù)我國探月三期工程要求，采集到的月球樣品必須能夠自動密封在極低漏率環(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)分析的準確性[1]。否則在返回大氣層后由于微量空氣的進入對樣品造成污染甚至產(chǎn)生化學反應[2]，導致對地外樣品的分析失去科學意義，甚至導致任務的失敗。

根據(jù)方案，在月球樣品容器上設計有一套密封機構[3-4]，其功能是通過機構的運動，產(chǎn)生樣品容器密封所需的密封力?；鸸ぷ鲃悠鹘M件是密封機構的動力源，通過其在工作時產(chǎn)生的輸出力來驅動密封機構運動以完成樣品容器的密封。火工作動器在小容積狀態(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直接影響樣品容器密封功能的實現(xiàn)，甚至直接關系到月球采樣任務的成敗，因此對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)品中有過應用，目前尚無在航天產(chǎn)品中應用的先例，在真空和不同溫度環(huán)境下輸出性能的相關資料亦是空白。

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

1 CPN基本性能

CPN藥劑為國內某研究所研制，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，CPN藥劑有2個吸熱峰，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、較低的機械感度及靜電感度，并且具有較好的安定性。CPN的自動點火溫度大于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。僅從以上指標來看，可滿足月球樣品容器火工作動器存儲和工作溫度范圍的要求。

該藥劑若要應用于空間環(huán)境中，特別是環(huán)境條件相對更為惡劣的月球表面環(huán)境中，以上性能指標還不夠全面。根據(jù)任務要求，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器的輸出指標達到設計要求，以保證樣品容器對月球樣品密封功能的順利實現(xiàn)。為此，對CPN藥劑在真空和不同溫度環(huán)境下的輸出性能進行試驗驗證，為實際工程應用提供參考和判斷依據(jù)。

2 CPN在真空和不同溫度環(huán)境中的試驗驗證

2.1 試驗方案

要測試CPN在真空環(huán)境下的輸出力，必須在真空環(huán)境中對該藥劑進行發(fā)火。通常采用的密閉容腔發(fā)火測試方法[11]存在一定的問題，首先密閉容腔上安裝的各類傳感器無法經(jīng)受各種溫度環(huán)境的考驗；其次密閉容腔具有較大的容積，在此大容積下的測試結果不能表征小容積下的實際輸出性能，會導致測試的不準確。針對以上問題，試驗采用測試火工作動器輸出力的方式，將CPN藥劑作為作動器的主裝藥，其發(fā)火后轉化為作動器的輸出力，通過對輸出力的測試來評價CPN藥劑在真空環(huán)境下的輸出性能。試驗測試要求為：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)下的測試結果進行對比分析，得出結論。

2.2 試驗方法

試驗在航天火工作動器專用測試設備中開展。如圖2所示，設備的主體為真空試驗箱，將作動器安裝支座固定在試驗箱的熱沉板上，作動器安裝在支座上，其活塞桿與氣缸活塞桿相連，氣缸活塞桿是通過真空試驗箱的穿箱裝置穿入真空試驗箱內，在氣缸上安裝有壓力傳感器、位移傳感器及氣路、閥門等。

圖2 火工作動器輸出力測試試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of test for output force of actuator

圖3為火工作動器的結構示意圖，該作動器采用直推式設計，結構及工作原理簡單，能夠保證測試的準確性。作動器的主裝藥為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，電點火具中的主裝藥為300 mg CPN藥劑，設計輸出推力不小于3 300 N。初始狀態(tài)時作動器的活塞桿完全縮在筒體內，初容僅為0.8 cm3。

圖3 火工作動器結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of actuator structure

試驗前，通過氣路在氣缸內充入預定壓力的氣體，然后運行真空試驗箱獲得試驗所需的溫度及真空度并保持5 h以上。作動器在氣缸活塞桿的推力作用下，活塞推桿上的限位臺始終與筒體貼合，確保作動器一直處在初始狀態(tài)。在一定的漏率下，經(jīng)過一定時間的抽真空，筒體內即可保證真空狀態(tài)。試驗進行時，電點火具發(fā)火引燃CPN藥劑，產(chǎn)生高壓氣體將活塞桿向作動器筒體外推出，從而推動氣缸活塞桿運動。作動器采用機械限位，當活塞桿運動至筒體末端到位處時通過機械限位停止運動，至此作動器的工作過程完成。作動器動作完成后，通過壓力傳感器測試出氣缸內的峰值壓力值來計算出作動器的輸出推力。試驗采用同藥量、同狀態(tài)、同批次合格的作動器產(chǎn)品，試驗設備及測試儀器均固定為同一狀態(tài)，試驗過程中不允許更換，以確保測試的準確性。

2.3 試驗結果

火工作動器在各環(huán)境條件下進行輸出力測試，每發(fā)產(chǎn)品工作完成后通過測量活塞桿行程（22 mm±1 mm）是否到位來確認作動器動作是否順利完成，只有動作順利完成才能作為一次合格的試驗樣本。試驗測得的輸出力結果如表2所列。根據(jù)表2試驗所得數(shù)據(jù)繪制的火工作動器輸出力曲線對比如圖4～圖6所示。將表2中每個工況下的測試值代入式（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為每個輸出力值；n為試驗次數(shù)。

將表1及式（1）的計算結果代入式（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 火工作動器在各環(huán)境條件下的輸出力測試結果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

各工況下火工作動器輸出力的平均值統(tǒng)計如圖7所示。

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

各工況下火工作動器輸出力的散差值如表3所列。

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

2.4 試驗結論

根據(jù)試驗結果以及對試驗結果的數(shù)據(jù)分析，能夠得出以下結論。

（1）從圖5～7可以看出，在相同溫度環(huán)境條件下，火工作動器在常壓和真空環(huán)境中的輸出性能無明顯差別，說明真空環(huán)境條件對CPN藥劑的輸出性能無明顯影響，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，其輸出性能會有相應的增加，反之亦然。CPN藥劑的該特點也符合火藥的一般規(guī)律。

（3）從表3可以看出，火工作動器輸出力的散差值能夠一致收斂在較小的范圍內（＜0.4%），說明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)散差擴大的趨勢。

（4）通過試驗證明：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)時會有所衰減，但幅度較小，在可接受的范圍內，所以在做該工況的設計時需增加藥量裕度進行補償。

（5）在高溫工況中對火工作動器進行了138℃的存儲及輸出測試，該溫度已覆蓋了圖1中132.57℃的第一個吸熱峰，從試驗結果統(tǒng)計中可以看出火工作動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，說明CPN藥劑在經(jīng)歷了132.57℃的第一個吸熱峰后，對輸出性能沒有產(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)歷溫度一般不會超過180℃，所以對其他吸熱峰及放熱峰的驗證意義不大。

3 結論

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