книги / Прогнозирование сроков служебной пригодности зарядов из порохов и твердых ракетных топлив

как 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

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).

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