CPN药剂在真空和不同温度条件下输出力的试验研究

纪 明，杨敏勃，魏连军

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

0 引言

根据我国探月三期工程要求，采集到的月球样品必须能够自动密封在极低漏率环境中返回地球，以维持月球样品原态，保证地面数据分析的准确性[1]。否则在返回大气层后由于微量空气的进入对样品造成污染甚至产生化学反应[2]，导致对地外样品的分析失去科学意义，甚至导致任务的失败。

根据方案，在月球样品容器上设计有一套密封机构[3-4]，其功能是通过机构的运动，产生样品容器密封所需的密封力。火工作动器组件是密封机构的动力源，通过其在工作时产生的输出力来驱动密封机构运动以完成样品容器的密封。火工作动器在小容积状态下发火，其装药为CPN（炭黑/硝酸钾）药剂，该药剂在月球表面真空和不同温度环境条件下的输出性能会直接影响样品容器密封功能的实现，甚至直接关系到月球采样任务的成败，因此对CPN药剂在真空和不同温度环境下输出性能的研究就显的尤为重要。

调研表明，该药剂仅在地面核电站某爆破阀[5-7]产品中有过应用，目前尚无在航天产品中应用的先例，在真空和不同温度环境下输出性能的相关资料亦是空白。

文章结合探月三期工程背景，对CPN药剂在真空和不同温度环境条件下的输出力进行试验研究。

1 CPN基本性能

CPN药剂为国内某研究所研制，采用制式黑火药工艺制备，为粒度小于0.8 mm的颗粒状药剂。其理化性能[8]如表1所列。

表1 CPN药剂的理化性能表Tab.1 Physical and chemical properties Of CPN

CPN药剂的DSC热分析[9]如图1所示。由图1可见，CPN药剂有2个吸热峰，一处峰值为132.57℃，该处为硝酸钾晶体的相变吸热峰；另一处峰值为334.81℃，该处为硝酸钾熔融吸热峰[10]。主要放热反应峰为408.67℃。

图1 CPN的DSC热分析图Fig.1 DSC curve of CPN

由以上可以看出CPN药剂具有较高的密度、较低的机械感度及静电感度，并且具有较好的安定性。CPN的自动点火温度大于330℃，相比于其他传统药剂是一种耐高温性能优良的产气做功药剂。仅从以上指标来看，可满足月球样品容器火工作动器存储和工作温度范围的要求。

该药剂若要应用于空间环境中，特别是环境条件相对更为恶劣的月球表面环境中，以上性能指标还不够全面。根据任务要求，该药剂必须能够在真空高温环境、真空低温环境中可靠工作，其发火后的输出性能必须使火工作动器的输出指标达到设计要求，以保证样品容器对月球样品密封功能的顺利实现。为此，对CPN药剂在真空和不同温度环境下的输出性能进行试验验证，为实际工程应用提供参考和判断依据。

2 CPN在真空和不同温度环境中的试验验证

2.1 试验方案

要测试CPN在真空环境下的输出力，必须在真空环境中对该药剂进行发火。通常采用的密闭容腔发火测试方法[11]存在一定的问题，首先密闭容腔上安装的各类传感器无法经受各种温度环境的考验；其次密闭容腔具有较大的容积，在此大容积下的测试结果不能表征小容积下的实际输出性能，会导致测试的不准确。针对以上问题，试验采用测试火工作动器输出力的方式，将CPN药剂作为作动器的主装药，其发火后转化为作动器的输出力，通过对输出力的测试来评价CPN药剂在真空环境下的输出性能。试验测试要求为：高温138℃、低温-60℃、真空度≤5×10-3Pa，并与常温常压及常温真空状态下的测试结果进行对比分析，得出结论。

2.2 试验方法

试验在航天火工作动器专用测试设备中开展。如图2所示，设备的主体为真空试验箱，将作动器安装支座固定在试验箱的热沉板上，作动器安装在支座上，其活塞杆与气缸活塞杆相连，气缸活塞杆是通过真空试验箱的穿箱装置穿入真空试验箱内，在气缸上安装有压力传感器、位移传感器及气路、阀门等。

图2 火工作动器输出力测试试验示意图Fig.2 Schematic diagram of test for output force of actuator

图3为火工作动器的结构示意图，该作动器采用直推式设计，结构及工作原理简单，能够保证测试的准确性。作动器的主装药为2 g CPN药剂，该药剂须在一定的装药密度下才能够持续燃烧，为了参照比对DSC热分析图，装药密度与表1保持一致，亦为1.70 g·cm-3，电点火具中的主装药为300 mg CPN药剂，设计输出推力不小于3 300 N。初始状态时作动器的活塞杆完全缩在筒体内，初容仅为0.8 cm3。

图3 火工作动器结构示意图Fig.3 Schematic diagram of actuator structure

试验前，通过气路在气缸内充入预定压力的气体，然后运行真空试验箱获得试验所需的温度及真空度并保持5 h以上。作动器在气缸活塞杆的推力作用下，活塞推杆上的限位台始终与筒体贴合，确保作动器一直处在初始状态。在一定的漏率下，经过一定时间的抽真空，筒体内即可保证真空状态。试验进行时，电点火具发火引燃CPN药剂，产生高压气体将活塞杆向作动器筒体外推出，从而推动气缸活塞杆运动。作动器采用机械限位，当活塞杆运动至筒体末端到位处时通过机械限位停止运动，至此作动器的工作过程完成。作动器动作完成后，通过压力传感器测试出气缸内的峰值压力值来计算出作动器的输出推力。试验采用同药量、同状态、同批次合格的作动器产品，试验设备及测试仪器均固定为同一状态，试验过程中不允许更换，以确保测试的准确性。

2.3 试验结果

火工作动器在各环境条件下进行输出力测试，每发产品工作完成后通过测量活塞杆行程（22 mm±1 mm）是否到位来确认作动器动作是否顺利完成，只有动作顺利完成才能作为一次合格的试验样本。试验测得的输出力结果如表2所列。根据表2试验所得数据绘制的火工作动器输出力曲线对比如图4～图6所示。将表2中每个工况下的测试值代入式（1）中求出各工况下输出力的平均值。

式中：μ为输出力的平均值；Xi为每个输出力值；n为试验次数。

将表1及式（1）的计算结果代入式（2）中求出各工况下输出力的均方差值σ。

再将式（2）结果代入式（3）中求出各工况下输出力的散差值δ。

表2 火工作动器在各环境条件下的输出力测试结果Tab.2 Test results of the output force of the actuator under each environmental conditions

图4 常温常压、常温真空环境作动器输出力曲线图Fig.4 Curve diagram of actuator output force under normal temperature，normal pressure environment and normal temperature，vacuum environment

图5 高温常压、高温真空环境作动器输出力曲线图Fig.5 Curve diagram of actuator output force under high temperature，normal pressure environment and high temperature，vacuum environment

图6 低温常压、低温真空环境作动器输出力曲线图Fig.6 Curve diagram of actuator output force under low temperature，normal pressure environment and low temperature，vacuum environment

各工况下火工作动器输出力的平均值统计如图7所示。

图7 各工况下火工作动器输出力的平均值统计图Fig.7 Chart of average value of the actuator output force under each environmental conditions

各工况下火工作动器输出力的散差值如表3所列。

表3 各工况下火工作动器输出力的散差值Tab.3 Divergence value of the actuator output force under each environmental conditions

2.4 试验结论

根据试验结果以及对试验结果的数据分析，能够得出以下结论。

（1）从图5～7可以看出，在相同温度环境条件下，火工作动器在常压和真空环境中的输出性能无明显差别，说明真空环境条件对CPN药剂的输出性能无明显影响，并且在真空环境中也能够可靠发火，该药剂具有较好的真空环境适用性。

（2）火工作动器输出力由大至小依次为高温环境、常温环境和低温环境，在138℃高温环境中的输出力比在常温环境中的平均增加了1.2%，在-60℃低温环境中的输出力比在常温环境中的平均减少了2.2%，说明CPN药剂的输出性能受温度影响较大，温度升高，其输出性能会有相应的增加，反之亦然。CPN药剂的该特点也符合火药的一般规律。

（3）从表3可以看出，火工作动器输出力的散差值能够一致收敛在较小的范围内（＜0.4%），说明CPN药剂在各种环境条件下的输出性能稳定，一致性较好，未出现散差扩大的趋势。

（4）通过试验证明：CPN药剂在低温环境中依然能够可靠稳定的输出能量，虽然输出性能相比常温状态时会有所衰减，但幅度较小，在可接受的范围内，所以在做该工况的设计时需增加药量裕度进行补偿。

（5）在高温工况中对火工作动器进行了138℃的存储及输出测试，该温度已覆盖了图1中132.57℃的第一个吸热峰，从试验结果统计中可以看出火工作动器的输出力并未受到影响或产生较大的偏差值和散差值，说明CPN药剂在经历了132.57℃的第一个吸热峰后，对输出性能没有产生明显的影响。由于航天火工品通常都具有环境热控措施，经历温度一般不会超过180℃，所以对其他吸热峰及放热峰的验证意义不大。

3 结论

通过以上试验验证可知，CPN药剂的存储、工作温度范围宽泛（已在-60℃～138℃范围内进行了验证），输出性能稳定、一致性好，具有适应真空及高、低温环境的能力，满足月球表面工作要求。本文的验证结论亦可对其他航天火工品药剂的选型提供借鉴和参考。