孔令澤,董可海,唐巖輝,賴帥光,曲彥宇
(1.海軍航空大學(xué) 岸防兵學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264001;2.海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264001)
硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推進(jìn)劑是當(dāng)前高能、低特征信號(hào)固體推進(jìn)劑研制和使用的重點(diǎn),在長(zhǎng)期貯存過程中,容易受多種因素的影響發(fā)生老化,進(jìn)而影響固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。因此,對(duì)推進(jìn)劑的貯存壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)估,對(duì)于保證所在武器裝備的作戰(zhàn)效能并進(jìn)行合理的戰(zhàn)略規(guī)劃具有重要意義。
目前,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行固體推進(jìn)劑壽命預(yù)估研究的主要方法是以高溫?zé)峒铀倮匣瘜?shí)驗(yàn)和Arrhenius、Berthelot 等方程為基礎(chǔ),通過線性、指數(shù)和對(duì)數(shù)三種老化模型進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算[1-5]。陳捷等[6]分別以0.05%與0.1%的分解深度,基于Berthelot 方程,對(duì)多種炸藥在不同溫度下的貯存壽命進(jìn)行了對(duì)比,探究了在利用布氏壓力計(jì)評(píng)估炸藥壽命時(shí),不同分解深度產(chǎn)生差異的原因。Celina、Bematein 與陳西戰(zhàn)等[2,7-8]基于以上思路對(duì)相關(guān)推進(jìn)劑貯存壽命進(jìn)行了預(yù)估。王國(guó)強(qiáng)等[9]通過四種溫度(55、65、75、85 ℃)下的老化實(shí)驗(yàn)得到了丁羥推進(jìn)劑最大延伸率變化數(shù)據(jù),采用Berthelot 方程求得了丁羥推進(jìn)劑的貯存壽命。Gillen,Ei-mazrt 等[10-13]基于實(shí)驗(yàn)分析,采用相關(guān)數(shù)學(xué)模型對(duì)Arrhenius、Berthelot等基本方程進(jìn)行了修正。陳海建等[14]將Arrhenius 方程修正為三參數(shù)表達(dá)式,以建立活化能與貯存溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,結(jié)果表明這種方法減小了近10%的誤差。傅惠民等[15]則將整體預(yù)測(cè)方法和兩步回歸分析法引入到壽命預(yù)估數(shù)學(xué)模型中。張昊等[16]建立了固體推進(jìn)劑線性活化能壽命預(yù)估法,通過與Arrhenius 等方法以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比對(duì),證明了該方法的可靠性。為使實(shí)驗(yàn)條件更加接近貯存實(shí)際,研究者在高溫?zé)峒铀倮匣瘜?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了熱力耦合、濕熱耦合等一系列新的老化實(shí)驗(yàn),而貯存壽命預(yù)估模型也隨之不斷改進(jìn)。張昊等[17]通過NEPE 推進(jìn)劑在定載荷、定應(yīng)變條件下的老化特征數(shù)據(jù)建立了四參數(shù)預(yù)估模型。鄒思斯等[18]建立了線性-指數(shù)融合二元回歸模型用于熱力耦合實(shí)驗(yàn)中端羥基聚丁二烯(HTPB)推進(jìn)劑貯存壽命的預(yù) 估。Bertrand[19]提出赤池信息準(zhǔn)則(Akaike Information Criterion,AIC)、貝葉斯信息準(zhǔn)則(Bayesian Information Criterions,BIC)對(duì)推進(jìn)劑的壽命預(yù)估進(jìn)行分段處理,以適應(yīng)濕熱老化條件。綜合而言,當(dāng)前提出的眾多固體推進(jìn)劑壽命預(yù)估模型,均是以力學(xué)、活化能、凝膠百分?jǐn)?shù)等傳統(tǒng)老化特征數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。在實(shí)際中,此類數(shù)據(jù)的獲取均需采用對(duì)原始固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱人工取樣檢測(cè)的方式,取樣過程繁瑣,且會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱帶來一定的破壞,而基于推進(jìn)劑貯存過程中氣體成分的無損型性能檢測(cè)方法,雖然更為安全高效,但受限于氣體傳感器等技術(shù)手段的限制,目前國(guó)內(nèi)外均處于起步階段,僅有Sandia實(shí)驗(yàn)室[20]、TNO Prins-Maurits 研究室[21]等少數(shù)單位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱老化過程中的NO2、O2等氣體成分進(jìn)行了一定的檢測(cè)實(shí)驗(yàn),但并未基于此進(jìn)一步提出相應(yīng)的無損型壽命預(yù)估模型。
為此,鑒于NEPE 推進(jìn)劑老化過程中釋放的特征氣體變化與主要成分之間的密切關(guān)系[22],本研究通過高溫?zé)峒铀倮匣?、氣體含量監(jiān)測(cè)、單向拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),對(duì)推進(jìn)劑的老化性能特征參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),采用相關(guān)性分析方法和貯存壽命預(yù)估模型,提出一種以特征氣體釋放量為基礎(chǔ)參數(shù)的無損型壽命預(yù)估模型。
用于性能測(cè)試與分析的NEPE 推進(jìn)劑的組分主要包括高氯酸銨(Ammonium Perchlorate,AP)、奧克托今(Cyclotetramethylenete-tranitramine,HMX)、鋁(Aluminum,Al)、聚乙二醇(Polyethylene Glycol,PEG)、硝酸甘油/丁三醇三硝酸酯(Nitroglycerin/1,2,4-Butanetriol Trinitrate,NG/BTTN)與其他添加劑,對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18%、34.5%、18%、6.5%、19%與4%,采用的試樣為沿推進(jìn)劑澆注方向切成的標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試件。
通過田俊良等[23]提出的推進(jìn)劑藥柱立式貯存應(yīng)變有限元計(jì)算方法對(duì)NEPE 推進(jìn)劑型藥柱分析得出,在重力和溫度耦合作用下藥柱熱應(yīng)變最大值約為10%,且絕大部分區(qū)域?yàn)榕c澆注方向相切的壓縮型區(qū)域。為使NEPE 推進(jìn)劑試樣更加符合推進(jìn)劑的實(shí)際貯存情況,設(shè)計(jì)了NEPE 推進(jìn)劑壓縮型定應(yīng)變夾以對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)試樣施加與澆注方向相切的10%壓縮定應(yīng)變,NEPE 壓縮型定應(yīng)變夾如圖1 所示,實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)整應(yīng)變調(diào)節(jié)桿獲得10%定壓縮應(yīng)變值。
圖1 壓縮應(yīng)變夾設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖Fig.1 Compressive strain clamp
NEPE 推進(jìn)劑熱加速貯存老化實(shí)驗(yàn)參考QJ2328A-2005 進(jìn)行:
(1)每個(gè)鋁箔密封實(shí)驗(yàn)袋中放置8 個(gè)啞鈴型試件,總質(zhì)量為(208±2)g,進(jìn)行抽真空處理;
(2)實(shí)驗(yàn)用恒溫箱為GWXT-9148A 型,老化溫度的設(shè)置參照規(guī)定選取50、60、65 和70 ℃為熱加速貯存老化實(shí)驗(yàn)的老化溫度;
(3)四種溫度條件下的傳統(tǒng)老化性能參數(shù)測(cè)定取樣時(shí)間點(diǎn)如表1 所示,取樣時(shí)間間隔根據(jù)推進(jìn)劑的老化性能而定,高溫下時(shí)間間隔短,低溫下時(shí)間間隔長(zhǎng),取樣時(shí)間點(diǎn)單位為天(d)。
表1 四種老化溫度性能采樣點(diǎn)Table 1 Performance sampling time point at four temperatures d
實(shí)驗(yàn)采用WDW-100D111 型電子拉伸機(jī)測(cè)試試樣的最大抗拉強(qiáng)度σm、最大延伸率εm,測(cè)試參照QJ924-85 中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行,測(cè)試溫度為(25±2)℃,相對(duì)濕度≤70%,拉伸速率100 mm·min-1,每個(gè)熱老化實(shí)驗(yàn)溫度下的取樣點(diǎn)取5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試件進(jìn)行測(cè)試,將5 個(gè)試件最大抗拉強(qiáng)度σm、最大延伸率εm的平均值視為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)溫度取樣點(diǎn)下推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度、最大延伸率。
選取HCl、NO、CO 作為特征氣體進(jìn)行含量監(jiān)測(cè),分子模擬結(jié)果與氣體監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明,HCl 與AP 分解有關(guān),NO 與NG、BTTN、HMX 的熱分解相關(guān),CO 與粘合劑、固化體系、NG、BTTN、HMX 的分解存在內(nèi)在關(guān)系[24-26]。對(duì)老化試驗(yàn)樣品釋放氣體的采樣與測(cè)量過程分別如圖2a 與圖2b 所示,監(jiān)測(cè)時(shí)間與高溫?zé)峒铀倮匣瘜?shí)驗(yàn)取樣時(shí)間相同,采用針筒注射器對(duì)推進(jìn)劑老化生成的氣體進(jìn)行采樣(圖2a),并讀取相應(yīng)的氣體體積值,隨后選用PGM-6208 泵吸式氣體檢測(cè)儀對(duì)特征氣體進(jìn)行濃度測(cè)試(圖2b),特征氣體含量值的計(jì)算方法如式(1)所示,每個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)采樣五組數(shù)據(jù)計(jì)算其平均值。三種特征氣體傳感器的測(cè)量范圍與精度值分別為:HCl(0-1000,0.1)、NO(0-1000,0.01)、CO(0-5000,0.01),單位均為mg·kg-1。
圖2 特征氣體采樣與測(cè)量Fig.2 Characteristic gas sampling and measurement
式中,A為氣體質(zhì)量,μg;C為氣體濃度值,mg·kg-1;M為氣體相對(duì)分子質(zhì)量;V為氣體體積,mL;大氣壓強(qiáng)均為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
以下為兩個(gè)與特征氣體含量監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的參數(shù)的定義:
(1)氣體含量百分比Bi:表示同一溫度下,第i個(gè)采樣點(diǎn)的氣體質(zhì)量Ai與當(dāng)前溫度下最后一個(gè)采樣點(diǎn)氣體質(zhì)量Aend的百分比值,無量綱;
(2)平均質(zhì)量釋放量Q:表示單位質(zhì)量的NEPE 推進(jìn)劑釋放的某氣體質(zhì)量,μg·g-1。
圖3 分別為通過單向拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)得到的四種老化溫度條件下的NEPE 推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)度σm和最大延伸率εm隨時(shí)間的變化曲線。根據(jù)圖3 中σm的變化規(guī)律,將整個(gè)老化過程劃分為三個(gè)階段:第一階段為老化初期,50,60,65,70 ℃分別對(duì)應(yīng)(0~35)、(0~15)、(0~9)和(0~3)d,老化初期σm小幅增大;第二階段為老化中期,四種溫度下分別對(duì)應(yīng)(35~190)、(15~90)、(9~54)和(3~28)d,老化中期σm發(fā)生小幅震蕩;第三階段為老化后期,對(duì)應(yīng)于50,60,65,70 ℃的(190~250)、(90~120)、(54~72)和(28~42)d,此時(shí)σm急劇減小。同時(shí),根據(jù)圖3 可知,190,90,54,28 d 分別為四種溫度下σm開始急劇減小的標(biāo)志天數(shù)。而εm則隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng),呈現(xiàn)老化初期逐漸增大,老化后期急劇減小的規(guī)律,且最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的老化時(shí)間與上述標(biāo)志天數(shù)點(diǎn)重合。
圖3 推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)度與最大延伸率Fig.3 Maximum tensile strength and elongation of propellant at different aging time points
圖4 為四種熱老化溫度下,HCl、NO、CO 三種特征無機(jī)氣體含量百分比隨老化時(shí)間的變化情況,表2為四種熱老化溫度下三種特征氣體含量最大值數(shù)據(jù)。
由圖4 以及表2 可知,熱老化溫度越高,特征氣體含量變化速率越快,可見此時(shí)推進(jìn)劑內(nèi)部各組分老化越明顯。但在氣體總量上,老化后期不同溫度下同一類型氣體的釋放量均較為相近;對(duì)比而言,三種特征無機(jī)氣體中CO 氣體釋放量最多,不同溫度條件下最后一個(gè)采樣點(diǎn)的釋放量均達(dá)到1300000 μg 以上,NO 和HCl 氣體在最后一個(gè)采樣點(diǎn)的釋放量分別為110000 μg 和20000 μg 以上,總量明顯少于CO。分析認(rèn)為,造成該現(xiàn)象的主要原因?yàn)镹EPE 推進(jìn)劑中與HCl 氣體釋放相關(guān)的AP 較其他成分更為穩(wěn)定,因此HCl 氣體釋放總量最少,CO 氣體可由粘合劑、增塑劑等成分老化直接生成,且性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定;而NO 氣體則來自NEPE 中粘合劑、增塑劑老化產(chǎn)物NO2與H2O 等成分的反應(yīng),且由于NEPE 中含有一定量能夠吸收氮氧化物的安定劑成分,導(dǎo)致NO 氣體釋放總量明顯少于CO;從氣體含量與老化時(shí)間的關(guān)系角度分析,將整個(gè)老化過程劃分為三個(gè)階段:第一階段為老化前期,50,60,65,70 ℃分別對(duì)應(yīng)(0~25)、(0~15)、(0~10)和(0~5)d,此階段HCl 氣體釋放量增長(zhǎng)較快,NO 與CO 氣體釋放量基本保持不變;第二階段為老化中期,50,60,65,70 ℃分別對(duì)應(yīng)(25~175)、(15~85)、(10~55)和(5~30)d,三種特征氣體含量在此階段均增長(zhǎng)緩慢;第三階段為老化后期,HCl、CO 與NO 氣體含量均迅速增加,該現(xiàn)象能夠較為直觀的反映NEPE 推進(jìn)劑粘合劑基體和增塑劑的老化特征。對(duì)于HCl 氣體釋放量老化中期增長(zhǎng)緩慢,老化初期和后期增長(zhǎng)較快的現(xiàn)象,分析認(rèn)為,老化初期試樣受應(yīng)變夾擠壓變形最大,造成少數(shù)AP 顆粒斷裂,而老化后期隨著推進(jìn)劑受熱時(shí)間的增長(zhǎng)加之推進(jìn)劑內(nèi)部孔洞的出現(xiàn),最終造成AP 在這兩個(gè)階段的老化過程中分解較快,而老化中期HCl 氣體釋放量增長(zhǎng)緩慢與AP 成分的化學(xué)性能穩(wěn)定性相符。
表2 長(zhǎng)周期不同溫度下三種特征氣體含量最大值Table 2 Maximum contents of three kinds of characteristic gases in long period at different temperatures
圖4 長(zhǎng)周期特征氣體含量與老化時(shí)間關(guān)系Fig.4 The relationship between the percentage of characteristic gas and aging time in long period
當(dāng)前以準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能為基礎(chǔ)參數(shù)對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行壽命預(yù)估應(yīng)用較廣,且結(jié)果的可靠性與公信力較強(qiáng),根據(jù)張興高[27]、劉文亮[28]與楊根[29]等的研究,NEPE 推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)度-時(shí)間變化曲線具有一級(jí)反應(yīng)特性,以最大抗拉強(qiáng)度進(jìn)行壽命預(yù)估可靠性較高。因此,本研究以NEPE 推進(jìn)劑的最大抗拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn),選取能夠進(jìn)行有效壽命預(yù)估的特征氣體釋放量作為參數(shù)。從以往的經(jīng)驗(yàn)來看,該參數(shù)必須具有與老化溫度無關(guān),而與最大抗拉強(qiáng)度單一相關(guān)的特性。為此,首先通過灰色關(guān)聯(lián)分析法(Grey Relational Analysis,GRA)選取與最大抗拉強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度較大的氣體種類,然后通過線性回歸法和單因素方差分析法來檢驗(yàn)不同參數(shù)的單一相關(guān)性,以判斷能否利用該參數(shù)進(jìn)行后續(xù)NEPE 推進(jìn)劑貯存壽命的預(yù)估。另外,為方便后續(xù)計(jì)算分析,采用平均質(zhì)量釋放量Q來代表各種類型的氣體含量數(shù)據(jù)。
4.1.1 灰色關(guān)聯(lián)分析
灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種通過判斷研究對(duì)象曲線變化相似程度來計(jì)算關(guān)聯(lián)度的方法[30],最大抗拉強(qiáng)度σm與平均質(zhì)量釋放量Q關(guān)聯(lián)度的計(jì)算流程圖如圖5 所示,灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果見表3。
圖5 灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算流程Fig.5 Calculation process of grey relational analysis
由表3 可知,不同溫度條件下CO 氣體含量與最大抗拉強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度最大,為0.93~0.95,NO 次之,為0.80~0.84,HCl 最小,僅為0.37~0.39。因此,確定將CO 氣體含量作為后續(xù)單一相關(guān)性分析的研究對(duì)象。
表3 特征氣體含量與最大抗拉強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度Table 3 Correlation between characteristic gas content and maxium tensile strength
4.1.2 單一相關(guān)性分析
為判斷NEPE 推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)度與CO 氣體含量的單一相關(guān)性,首先基于式(2)對(duì)兩種參數(shù)在不同老化溫度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸,得到相應(yīng)的擬合方程和相關(guān)系數(shù)r。然后采用單因素方差分析法對(duì)擬合得到的a、b數(shù)據(jù)進(jìn)行F檢驗(yàn),以定量化分析溫度對(duì)CO氣體釋放量的影響。表4 為系數(shù)a、b的單因素方差分析結(jié)果。
表4 系數(shù)a、b 的單因素方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance(ANOVA)results of a and b
表4 中F為顯著性水平α=0.05 時(shí)計(jì)算得到的F檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,F(xiàn)0.95為查F檢驗(yàn)臨界值表所得數(shù)據(jù)。由表4可知,F(xiàn)值均小于F0.95,可以證明a、b系數(shù)差異不顯著,CO 氣體平均質(zhì)量釋放量與最大抗拉強(qiáng)度存在單一相關(guān)性,因此可以作為后續(xù)NEPE 推進(jìn)劑壽命預(yù)估模型的基本參數(shù)。
4.2.1 模型建立
(1)傳統(tǒng)壽命預(yù)估模型
經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步計(jì)算可知,求取的各模型的相關(guān)性系數(shù)中,指數(shù)型模型的相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)數(shù)和線性模型,因此選取一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程(式(3))作為NEPE 推進(jìn)劑壽命預(yù)估的基本模型。將實(shí)驗(yàn)得到的性能參數(shù)引入式(3),并通過式(4)所示的Arrhenius方程,采用最小二乘法即可求得NEPE 推進(jìn)劑的貯存壽命t。
式中,P為某一時(shí)刻的性能參數(shù);P0為常數(shù);t為老化時(shí)間,年(a);K為性能變化速率,mol·L-1·s-1;A為指前因子;E為表觀活化能,kJ·mol-1;R為普適氣體常數(shù),8.314J·(mol·K)-1;T為熱力學(xué)溫度,K。
(2)改進(jìn)型壽命預(yù)估模型確定
研究表明,指前因子A大致與溫度T的m次方有關(guān),因此通過增加T、m系數(shù)來修正Arrhenius 方程存在的誤差,其合理性已經(jīng)得到了有效證明[31]。改進(jìn)型壽命預(yù)估模型如式(5)所示,將該模型與一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程(式(3))結(jié)合,通過轉(zhuǎn)換得到式(6)、式(7),并采用成組數(shù)據(jù)回歸分析法對(duì)系數(shù)進(jìn)行估計(jì),即可確定NEPE 推進(jìn)劑貯存壽命t的計(jì)算公式。
4.2.2 特征參數(shù)確定與預(yù)估模型結(jié)果與分析
由于最大抗拉強(qiáng)度與CO 氣體含量之間存在單一相關(guān)性,因此對(duì)于上述兩種壽命預(yù)估模型,本研究確定了兩種可能的特征參數(shù)預(yù)估方式,一種是將最大抗拉強(qiáng)度作為基本參數(shù)直接進(jìn)行壽命預(yù)估模型系數(shù)的估計(jì),另一種是將CO 氣體平均質(zhì)量釋放量作為基本參數(shù)進(jìn)行預(yù)估模型中系數(shù)的估計(jì)。
將兩類特征參數(shù)數(shù)據(jù)引入兩種推進(jìn)劑壽命預(yù)估模型中,求得預(yù)估壽命t的具體表達(dá)式,結(jié)果見表5。其中,ⅰ、ⅱ分別為以σm為特征參數(shù)的傳統(tǒng)壽命預(yù)估模型和改進(jìn)型壽命預(yù)估模型表達(dá)式,ⅲ、ⅳ分別為以Q為特征參數(shù)的兩種模型表達(dá)式,r2為擬合表達(dá)式的相關(guān)性系數(shù)平方值。
表5 四種壽命預(yù)估模型表達(dá)式Table 5 Expression of four life prediction models
對(duì)比圖3 和圖4 可知,在四種高溫?zé)峒铀倮匣瘲l件下,最大抗拉強(qiáng)度值σm達(dá)到[0.44,0.48]MPa 是推進(jìn)劑性能急速下滑的重要拐點(diǎn),此時(shí)對(duì)應(yīng)的CO 氣體平均質(zhì)量釋放量Q為[2900,3250]。為更好地驗(yàn)證上述四種壽命預(yù)估模型的準(zhǔn)確性,本研究繼續(xù)對(duì)25,35,45,55,65 ℃五種溫度條件下,σm達(dá)到0.44 MPa和Q達(dá)到3250 時(shí)的老化壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè),結(jié)果見表6,預(yù)測(cè)結(jié)果單位為年(a)。
表6 NEPE 推進(jìn)劑貯存壽命預(yù)估結(jié)果Table 6 Estimated results of NEPE propellant storage life
由表5 結(jié)果可知,四種NEPE 推進(jìn)劑壽命預(yù)估模型中,采用CO 氣體平均質(zhì)量釋放量作為參數(shù)的壽命預(yù)估模型的相關(guān)性系數(shù)均大于0.98,而采用最大抗拉強(qiáng)度作為特征參數(shù)直接進(jìn)行壽命預(yù)估的模型相應(yīng)的相關(guān)性系數(shù)均小于0.93,由此可見前者與原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線性相關(guān)性較好。同時(shí),由表6 中的NEPE 推進(jìn)劑壽命預(yù)估結(jié)果數(shù)據(jù)可知,壽命預(yù)估模型特征參數(shù)相同時(shí)各溫度下通過修正模型計(jì)算得到的預(yù)估壽命值均小于通過傳統(tǒng)模型計(jì)算得到的預(yù)估壽命值。因此,從其與真實(shí)老化實(shí)驗(yàn)契合度和藥柱使用安全性的角度綜合考慮,認(rèn)為采用以CO 氣體平均質(zhì)量釋放量為特征參數(shù)的改進(jìn)型模型ⅳ對(duì)NEPE推進(jìn)劑的貯存壽命進(jìn)行預(yù)估最有效。
后續(xù)以模型ⅳ為基礎(chǔ),只需在NEPE 型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱外部的合適位置安裝CO 氣體傳感器,就可對(duì)NEPE 推進(jìn)劑藥柱的貯存壽命進(jìn)行預(yù)估,實(shí)現(xiàn)了真正的測(cè)量無損性,從而避免了傳統(tǒng)壽命預(yù)估方法中以力學(xué)性能、安定劑含量等作為預(yù)估參數(shù)時(shí),需要對(duì)藥柱進(jìn)行有損取樣,操作復(fù)雜等弊端。
研究以10%定壓應(yīng)變條件下高溫?zé)峒铀倮匣?、氣體含量監(jiān)測(cè)、單向拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),通過相關(guān)性分析和壽命預(yù)估模型,提出了一種以特征氣體含量變化為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的無損型壽命預(yù)估模型,最終得出以下結(jié)論:
(1)特征氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,CO 氣體釋放量最大,不同溫度條件下的釋放量均達(dá)到1300 mg 以上,且其和NO 氣體均呈現(xiàn)老化初期增長(zhǎng)緩慢,老化后期迅速增加的規(guī)律,HCl 氣體釋放量在老化初期和后期均增長(zhǎng)較快,老化中期增長(zhǎng)較慢。準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)σm和εm在老化初期小幅增大,老化中期前者小幅震蕩,后者逐漸增大,老化后期兩者均急劇減小。
(2)采用灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算了推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)度與三種規(guī)律性特征氣體釋放量的關(guān)聯(lián)度,得出CO 氣體為與最大抗拉強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度值最大的特征氣體種類。通過回歸分析法和單因素方差分析法,計(jì)算證明了最大抗拉強(qiáng)度與CO 氣體釋放量的單一相關(guān)性。
(3)基于傳統(tǒng)老化壽命預(yù)估模型和改進(jìn)的老化壽命預(yù)估模型,建立了四種NEPE 推進(jìn)劑壽命預(yù)估方法,通過相關(guān)性系數(shù)比較和預(yù)估結(jié)果分析,得出通過CO氣體釋放量利用改進(jìn)型壽命預(yù)估模型進(jìn)行NEPE 推進(jìn)劑壽命預(yù)估的結(jié)果最為有效,常溫(25 ℃)下NEPE 推進(jìn)劑的有效貯存壽命為13.8 年。
(4)由于建立無損型壽命預(yù)估模型時(shí)采用的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為推進(jìn)劑方坯,實(shí)驗(yàn)條件為定壓應(yīng)變條件下的高溫?zé)峒铀倮匣瘜?shí)驗(yàn),因此本研究只是初步證明了采用CO 氣體釋放量推測(cè)NEPE 推進(jìn)劑壽命的可行性,后續(xù)還需建立更加貼合實(shí)際藥柱貯存環(huán)境的實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)模型不斷修正,以使壽命的計(jì)算結(jié)果更加有效。