книги / Прогнозирование сроков служебной пригодности зарядов из порохов и твердых ракетных топлив
..pdfкак на образцах материалов, так и испытаний (длительных и ускоренных)
натурных и модельных изделий.
На образцах материалов предусматривается исследование:
-термического разложения;
-климатического старения;
-критических условий самовоспламенения;
-фазовых превращений компонентов;
-совместимости материалов изделия;
-массообменных процессов;
-влияния поражающих факторов ядерного взрыва;
-влияния биологических факторов;
-влияния специфических воздействий, обусловленных в ТТЗ на
изделие.
На натурных и модельных изделиях предусматриваются:
-исследование изменения баллистических характеристик в течение
ССП;
-исследование напряженно-деформированного состояния и прочно сти изделия в течение ССП;
-ускоренные испытания натурных изделий с целью выявления сла бых мест в конструкции;
-ускоренные испытания неполномасштабных изделий для подтвер ждения отдельных расчетных схем прогноза.
5.Испытания натурных и модельных зарядов
Утверждение, что для прогнозирования ССП можно обойтись только
непосредственными испытаниями натурных зарядов, просуществовало
сравнительно недолго. Рассмотрим это подробнее.
Известны два экспериментальных подхода к оценке изменения все возможных характеристик зарядов РДТТ при хранении и эксплуатации и определению сроков их служебной пригодности.
Первый из них заключается в исследовании характера изменения определяющего параметра в процессе хранения натурных изделий. Он по лучил название натурных испытаний длительным хранением. Проведение этой работы требует больших затрат средств и времени.
Второй - ускоренные испытания натурных и модельных зарядов в форсированных условиях. Если первый метод позволяет получать резуль таты только в процессе эксплуатации изделий, то второй - на стадии отра ботки изделия и сдачи его в эксплуатацию.
5.1. Испытания зарядов длительным хранением
Данный метод предусматривает наблюдения за натурным изделием в заданных условиях хранения или эксплуатации на определенном участке времени. В процессе работы определяют время до выбранной величины изменения эксплуатационной характеристики и экстраполированием экс периментальных данных находят величину определяющего параметра в упрежденной точке.
Довольно широкое распространение работы по длительному хране нию РДТТ получили в США, где задачей испытания опытным хранением натурных двигателей и их физических моделей, помимо определения ССП, является определение объема и периодичности регламентных и ремонтных работ с целью продления срока службы двигателя.
Наряду со специально организованными испытаниями возможна реализация метода натурных испытаний путем обобщения результатов анализа работы изделий, хранящихся в условиях войсковых частей. В этом случае результаты испытаний получают путем обработки и обобщения
сведений, происходящих в группе однородных явлений, и обобщенные ха рактеристики получают на базе теории подобия при обработке статистиче ского материала.
Испытания зарядов длительным хранением включают в себя сле дующие главные этапы исследования:
1. Предварительное исследование условий эксплуатации изделия, направленное на выявление основных факторов, определяющих изменение практически важных его свойств (определяющих параметров). При стро гом подходе такое исследование должно проводиться на основе факторно го анализа, позволяющего выявить, какие из факторов, действующих на изделие в ходе эксплуатации, оказывают наибольшее влияние на измене ние его свойств.
Однако на практике преобладает интуитивный подход и метод ана логий. Используется опыт, накопленный при исследовании сходных изде лий в аналогичных условиях.
2. Составление математического описания кинетики изменения свойств изделия. Такое описание строится по результатам пред варительных испытаний, и форма его может выбираться из разных сооб ражений. Полученное описание не должно иметь систематических откло нений от экспериментальных данных.
3. Экстраполяция на условия эксплуатации и оценка точности про гноза. С помощью математического описания кинетики изменения свойств изделия рассчитывается значение ССП изделия в заданных условиях экс плуатации. Точность прогноза зависит от следующих условий:
1) точности и объема экспериментальных данных, использовавшихся при расчете;
2)точности задания условий эксплуатации материала в изделии;
3)возможных различий свойств материалов одного и того же типа в разных партиях или при разных способах изготовления;
творительной степенью достоверности необходимо иметь достаточно
большой статистический материал, что требует больших материальных за
трат и длительного времени.
5.2. Ускоренные испытания зарядов в форсированных условиях
По экономическим и техническим причинам часто не удается про вести натурные испытания в необходимом объеме, и оценку ССП прихо дится получать другими методами, например, путем ускоренных испыта ний. Ускоренные испытания позволяют повысить информативность испы таний за счет интенсификации процессов развития отказов.
Основой для проведения ускоренных испытаний в форсированных условиях является то обстоятельство, что часть параметров, входящих в математическое описание процесса старения, имеет определенный фи зический смысл. В этом случае прогнозирование строится на предположе нии, что механизм старения материала можно представить в виде некото рой упрощенной модели.
Наиболее широко используется модель, предполагающая, что слож ный механизм старения можно свести к одной элементарной реакции. Следствием таких представлений является гипотеза о зависимости срока служебной пригодности изделия от температуры в соответствии с уравне нием Аррениуса
т = т0 • ехр Е
RT
1 Прологарифмировав это уравнение, получим в переменных In т, — уравне
ние прямой линии In т = In тп + — .
RT
При проведении испытаний определяют время наступления отказа при различных температурах эксперимента. Например, при испытаниях
зарядов на термостабильность изделия закладывают на термостатирование при температурах 60, 70, 80 °С и периодически контролируют их целост ность. В ходе испытаний определяют величины Inг (логарифмы времени появления дефектов в зарядах) при каждой температуре. Результаты нано
сят на график с координатами Inг - |
Экстраполяцией на область эквива |
лентных температур, характерных для определенных климатических зон, определяют время сохранения работоспособности в данной климатической зоне.
Данный метод пригоден лишь для узкого интервала условий хране ния и эксплуатации, а далекие экстраполяции ненадежны. Причина заклю чается, прежде всего, в неточности уравнений, использующихся для экст раполяции. Например, уравнение Аррениуса описывает температурную за висимость константы скорости элементарной реакции, однако скорость сложной реакции, состоящей из совокупности большого числа последова тельно и параллельно протекающих элементарных реакций, не должна строго подчиняться уравнению Аррениуса. Поэтому далекая экстрапо ляция температурной зависимости скорости изменения свойств заряда по этому уравнению может приводить к неконтролируемым ошибкам.
Другим источником ошибок является изменение лимитирующей стадии процесса, ответственного за изменение свойств материала. Напри мер, если в условиях испытания окисление полимера происходит в кине тическом режиме, а в условиях эксплуатации — в диффузионном, то, оче видно, что количественные закономерности изменения свойств материала нельзя экстраполировать от одних условий к другим. Предсказать смену механизма удается далеко не всегда. Кроме того, точность прогноза неве лика еще и потому, что необходимо знать константы скорости многих эле ментарных реакций, коэффициенты диффузии и растворимость газообраз
ных продуктов и т. п., однако соответствующие данные имеются не для всех материалов и не для всех условий.
Другой пример относится к случаю, когда при испытании ингибитор в окисляющемся стабилизированном полимере расходуется за счет хими ческих реакций, а в условиях эксплуатации или хранения - за счет физиче ской диффузии, улетучивания или вымывания. Экстраполяция кинетиче ских закономерностей от одного из этих режимов к другому может при вести к серьезным ошибкам в определении ССП.
Ошибки в прогнозировании могут быть связаны также с суще ствованием критических явлений в цепных и автокаталитических процес сах. Пусть испытуемый полимерный материал, содержащий ингибитор, подвергается окислению в условиях, когда процесс стационарен. Это име ет место, когда концентрация ингибитора в полимере превосходит крити ческую величину. Однако критическая концентрация зависит от темпера туры, и поэтому в условиях эксплуатации (например, при высоких темпе ратурах) она может оказаться достаточно большой, значительно больше, чем концентрация ингибитора в полимере. В этих условиях процесс стано вится нестационарным, очевидно, что экстраполяция от одного режима к другому с помощью какой-либо аналитической функции, не учитывающей изменение критической концентрации, невозможна. Этот эффект проявля ется отчетливо при неравномерном распределении ингибитора, когда в за висимости от условий либо ингибитор способен подавить цепное окисле ние, либо в полимере развивается фронт реакции, перемещающийся по объему материала и разрушающий его.
Изменение констант скорости процессов в зависимости от условий также является источником возможных ошибок в прогнозировании. На пример, если в полимерном материале (связующем СТТ) происходят два параллельных и конкурирующих процесса — деструкция и структуриро
природы, для анализа которых используются различные, не связанные ме жду собой модели. Комплексное решение задачи обеспечения работоспо собности этих зарядов в течение заданного срока хранения и эксплуатации возможно только при помощи системного подхода.
Существо системного подхода состоит в том, что вся информация об интересующем нас объекте последовательно накапливается и обогащается в процессе разработки полной математической модели данного объекта.
Центральным понятием системного подхода является понятие сис темы. При системном подходе множество всех объектов материального мира разбивают на систему и окружающую среду. Система включает в се бя один или несколько объектов, подлежащих изучению. Остальные объ екты относят к окружающей среде. Границы системы определяются кон трольной поверхностью, которая мысленно проводится так, чтобы охва тить только объекты, входящие в систему. Среда есть окружение, с кото рым система взаимодействует. Взаимодействующие со средой системы на зываются открытыми. Закрытые системы среды не имеют. Средой для од ной из подсистем могут служить остальные подсистемы или части из них, а также другие сторонние системы. Среда - тоже система.
Различают природные системы, абстрактные, технические и сме шанные. Например, объекты космического, животного или растительного миров представляют природные системы. К абстрактным системам отно сят математические выражения, географические карты, музыкальные про изведения и т. п. Технические системы являются произведением рук чело века. Смешанные системы включают в себя в качестве подсистем выше перечисленные системы (например, движущийся автомобиль или лета тельный аппарат), управляемые человеком.
Очевидно, что пороховые заряды к ствольному оружию и заряды РДТТ относятся к классу технических систем. В общем виде любую тех ническую систему можно представить в виде схемы (рис. 3).
т |
т |
Рис.З. Схематическое представление |
|
Y(t) |
системы |
|
|
|
Все |
действующие на |
систему факторы (отражающие влияние |
на систему многообразных природных и целенаправленных управляющих воздействий) рассматривают как координаты ^-мерного вектора X. Этот вектор называют вектором внешних воздействий или вектором входа. К внешним воздействиям на заряды относят воздействие тепла (вызывающе го термическое старение), кислорода (озонное и атмосферное старение), химических веществ (химическая деструкция), света и ионизирующих из лучений (световое и радиационное старение), механических напряжений (усталость материала) и т.п.
Любая техническая система выполняет определенную функцию, и, следовательно, она должна обладать некоторым набором, совокупностью свойств, чтобы быть пригодным для эксплуатации. Этот набор свойств (переменные состояния) рассматривают как координаты ^-мерного векто ра, который называют вектором состояния У.
Термин «переменные состояния» применяется в теории систем для того, чтобы различить данное понятие от нестрогого, часто интуитив ного и привычного термина «состояние».
«Мгновенные» свойства материала определяются точкой в много мерном пространстве, в котором каждой из множества осей соответствует какое-либо определенное свойство. Этой точке в многомерном простран стве соответствует радиус-вектор «мгновенных» свойств У (рис. 4), а его проекции на оси определяют эти свойства количественно. Оценить состоя