新一代高能固体推进剂的能量分析

根据最小自由能方法,计算分析了叠氮基含能预聚物和高能高密度氧化剂对AP/R-DX/Al/HTPB复合固体推进剂能量特性的影响。GAP、AMMO和BAMO的氮平衡值优于HTP-B,含有叠氮基含能预聚物的复合固体推进剂,其标准理论比冲(I°ss)出现最大值时所对应的RDX含量相应地升高。无论是HTPB,还是GAP、AMMO和BAMO,标准理论比冲和燃温(T_c)在Al含量为18％时都有极大值出现,燃气平均分子量(M(则随着Al含量的增加而增加。减少GAP配方中的AP含量,代之以硝酸酯增塑剂,可显著提高I°ss,与RDX相比,采用高能高密度氧化剂HMX,HHTD和ONC的复合推进剂的最大优势是密度的提高,从而显著地改善了密度比冲。与NEPE高能固体推进剂相比,GAP推进剂在相同的粘合剂体积分数下,标准理论比冲可提高24.5～34.3N·s/kg。而在相同能量特性的情况下,推进剂的粘合剂的体积分数可提高50～65％。因此,叠氮基含能预聚物和高能高密度氧化剂的使用,将代替下一代高能固体推进剂的发展方向。     

Experimental correction of combustion gas properties of AN-based composite solid propellants used for turbo-pump starter

Solid propellant gas generators play a role as a turbo-pump starter in liquid propellant propulsion systems by supplying pressurized gas to power turbines for engine start. Among the required combustion gas properties provided by solid propellant gas generators, the combustion gas temperature should not exceed a certain temperature which may damage the turbine blades. For such purposes, phase stabilized ammonium nitrate (AN)-based propellants have been widely used with a low combustion temperature. However, gas generator propellants with ammonium nitrate have historically exhibited incomplete combustion resulting in increased flame temperatures differing significantly from equilibrium values. In consideration of design requirements, an engineering model of solid propellant gas generator was manufactured using the combustion gas properties calculated by a chemical equilibrium code and then hot-fire tests were performed. Procedures for the correction of $T_0$, k and $M_w$ of the combustion gas from the experimental results are introduced and the following effects on the design of the solid propellant gas generator are presented. From the experimental correction of the combustion gas properties, it is found that the amount of the propellant could be reduced while providing the same amount of available power to the turbines and consequently, the size of the gas generator could also be decreased.     

用X光电子能谱研究复合固体推进剂燃烧机理

本文介绍了X光电子能谱(XPS)分析技术在复合固体推进剂燃烧机理研究中的应用。用XPS分析对一种呈负压力指数燃烧特性的聚氨酯复合固体推进剂(404-5A)的未然表面和在2、2.5、3.0、3.5、4.0MPa压强下快速降压熄火后的燃烧表面作元素组成及其化学价态的分析,得到了不同价态的各元素原子百分含量。从实验结果可以确定CaCO_3在凝相反应中生成了CaCl_2。从燃面上碳原子浓度随燃烧压强的变化说明了燃烧过程中存在着熔化的粘合剂对过氯酸铵表面的流动覆盖,覆盖程度随着燃烧压强的上升而增加。本文还对CaCO_3、粘合剂流动覆盖在燃烧过程中的作用进行了探讨。     

催化剂及加入方法对HTPB复合推进剂燃烧性能的影响

通过热重分析(TG),差热分析(DTA)、高压差热分析(HPDTA),对三种催化剂(亚铬酸铜C,C、铜的有机络合物TP和铜、铬、铅盐的混合物TX)、催化剂和胶的混合物、催化剂和高氯酸铵(AP)的混合物、催化剂与AP的共同结晶物(简称共晶)的热解特性进行了研究.还对配方相同,仅催化剂加入方法不同的HTPB推进剂及不同部位、不同方法加入催化剂的AP-HTPB夹心件作了燃速测试.实验研究的结果表明:三种催化剂对AP的凝相放热反应均有加速催化作用:在AP结晶中加入催化剂的催化效率高于以混合方法加入催化剂的催化效率,进而对其机理作了探讨.     

硝酸酯增塑聚醚高能推进剂高压燃烧性能研究

实验研究了硝酸酯增塑聚醚高能推进剂高压燃烧性能。通过对PET,PEG和叠氮聚醚三种粘合剂;NG,TEGDN及BTTN三种增塑剂;AP,RDX,Al粉的含量和粒度进行研究,发现推进剂在9～25MPa压强范围内燃速 压强曲线存在拐点,得出了推进剂各主要组成及固体组分的含量和粒度变化时推进剂高压燃烧性能的变化规律:分别以PET,PEG和叠氮聚醚为粘合剂时,推进剂燃速依次升高;含不同增塑剂的推进剂的燃速随增塑剂中硝酸酯基含量的增加而增加;AP含量增加同时RDX含量减小,燃速增大并且压强指数降低;AP粒度减小时,燃速增大,并且超细AP可大幅度增加燃速;Al粒度减小时,燃速先减小后增大,致使推进剂压强指数升高。     

“AP/HTPB/Al/催化剂”推进剂燃烧模拟计算方法

本文以我们在文献[1～4]中提出的“AP/HTPB/Al”推进剂燃烧模型为基础,首先讨论了催化剂作用部位与推进剂燃速、压力指数变化的关系,然后引入一个催化剂作用因子B.并以二茂铁系列催化剂为例,对模型中的几个与二茂铁催化剂作用部位相连系的反应动力学参数作“催化作用因子”校正,计算研究了四种二茂铁催化剂用量对燃速、压力指数的影响规律.计算结果与实验符合得很好,相对误差均小于±10%,证明本文提出的模拟计算方法具有较高的可靠性.     

NEPE推进剂的高压燃烧特性研究

应用高压燃速测试、微热电偶测温及燃烧火焰单幅摄影等技术,研究了NEPE推进剂的高压燃烧特性与燃烧机理。实验结果表明:NEPE推进剂高压压强指数出现拐点;且随压强以及AP含量升高,燃烧波由硝胺-CMDB向AP-CMDB推进剂转变。分析认为硝酸酯基的含量及AP单元推进剂的扩散火焰是控制NEPE推进剂燃速及压强指数的主要因素。     

纳米碳酸盐对复合固体推进剂燃烧性能的影响

研究了纳米碳酸盐对丁羟三组元、丁羟四组元、低燃速NEPE推进剂燃烧性能的影响。结果表明:纳米碳酸盐使丁羟三组元推进剂在高压(10～18MPa)和低压(4～10MPa)段的压强指数降低到0.2以下,同时使燃速明显降低;使丁羟四组元推进剂在高压段(10～18MPa)的压强指数降低到0.26左右;使低燃速NEPE推进剂的的压强指数(4～9MPa)从0.77左右降至0.55以下。从研究结果可以看出,添加该纳米碳酸盐是降低复合推进剂压强指数行之有效的途径。     

含铜有机络合物在丁羟推进剂中的作用过程初步探索

通过常压热重法、高压差热分析、夹心件中断熄火燃烧实验及SEM观察和XPS分析等多种实验观测手段,初步研究了一种能有效地降低HTPB/AP复合推进剂压强指数的含铜有机络合物(TP)的作用过程。研究表明,TP通过促进氧化剂AP的高温分解过程促进推进剂的燃速;TP的作用效果与这种化合物的耐热性和燃烧过程中各种产物的性质有关。对典型催化剂TP的研究结果为筛选燃速催化剂和进一步研究燃速催化机理提供了分析的依据。     

GAP/AN推进剂安全性能研究

利用冲击感度和摩擦感度测试研究了聚叠氮缩水甘油醚／硝酸铵（ＧＡＰ／ＡＮ）推进剂及其常用组分的安全性能,指出了影响ＧＡＰ／ＡＮ推进剂冲击感度和摩擦感度的主要因素为硝酸酯（ＢＴＴＮ／ＮＧ）,ＡＰ,ＨＭＸ等添加剂。硝酸铵具有非常低的冲击感度和摩擦感度,是理想的低易损性推进剂的氧化剂。硝酸酯增塑的ＧＡＰ／ＡＮ推进剂不仅具有较高的能量,而且安全性能显著优于ＧＡＰ／ＡＰ,ＧＡＰ／ＨＭＸ,ＧＡＰ／ＨＮＦ推进剂。     

TMO复合催化剂对AP推进剂燃速催化作用研究

系统地考察了4种TMO催化剂(CuO、Fe₂O₃、Co₂O₃和Cr₂O₃)及其等质量比(1∶1)的6种TMO复合催化剂对AP/HTPB和AP/Al/HTPB两类复合固体推进剂燃烧性能的影响。实验结果表明, TMO复合催化剂对推进剂燃速的影响可分为正协同效应、无协同效应和负协同效应3类;具有正协同效应的TMO复合催化剂提高燃速效果最佳, TMO复合催化剂对AP复合推进剂燃速的影响取决于推进剂的种类, 协同效应的类属和单一TMO催化剂的催化活性。      

AP/RDX/HTPB复合推进剂燃速特性计算研究

考虑了AP／RDX／HTPB推进剂中两种氧化剂的含量、配比和粒度对推进剂燃面结构及燃速的影响，建立了一个高氯酸铵／硝胺复合推进剂的“双区”稳态燃烧模型。两区所占的面积比由两种氧化剂的数密度之差决定，这样可同时反映这类推进剂中两种氧化剂配比和粒度的影响。计算结果表明，该模型可较好地模拟AP／RDX少烟推进剂的燃速特征。     

含铝复合固体推进剂的燃烧模拟计算

本文以我们提出的AP/HTPB推进剂的稳态燃烧模型为基础,对多级配AP/Al/HTPB推进剂的燃速和压力指数进行了模拟计算,并对铝粒径、铝含量对燃速和压力指数的作用规律及其机理作了说明。计算结果和实验符合得很好,相对误差小于10％的达90％以上,能满足定量予估的要求。      

氧化剂含量和粒度对NEPE推进剂燃速影响的模型化

以高能固体推进剂热分解特性和燃烧模型的研究成果为基础,建立了由化学结构参数计算NEPE推进剂的燃速和压强指数的公式,计算了氧化剂组分含量和粒度对燃烧性能的影响。经验证,计算结果与实测燃速值的偏差全部在±20%以内,其中80%的偏差在±10%以内。这说明所建立的模型基本合理,编制的NEPE类推进剂燃速计算程序基本可行。     

AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性数值研究

为研究AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性,使用二维三明治模型进行了数值仿真研究。该模型使用简化的四步总包反应机理,考虑燃烧过程中的燃面退移,计算时大粒径AP取平均粒径,小粒径AP采用“均质黏合剂假设”,认为其与HTPB组成“均质黏合剂”。在0.02MPa-0.08MPa的压强下进行了仿真,并与高压（5MPa）下的燃烧仿真进行对比。结果表明,低压下固相AP对黏合剂的传热导致了交界面处燃面的下陷,下陷程度随压强减小而增大;随着燃烧的进行燃面各点燃速趋于一致,燃面形状不再改变。低压下气相反应表现为预混燃烧,初焰为主导反应。低压下燃速仿真与实验值基本一致,压强指数小于高压下的压强指数。     

含铝复合固体推进剂液体喷射熄火研究

本文对含铝 18.5%、 16%的 PU和 HTPB推进剂进行了液体喷射熄火研究。结果表明:可靠熄火用液量随推进剂能量增加而增加;随着射流压降的增加,熄火速率和用液量分别增加和减少;燃烧室压强升高,用液量增加;除熄火用液量外,存在一个无因次参数,它综合反映了推进剂能量和燃速特性、喷射工况、液体性质、燃烧压强等对熄火过程的作用。      

GAP/AN推进剂燃烧波温度分布研究

利用先进的双钨铼微热电偶技术, 研究了ＧＡＰ／ＡＮ 推进剂的燃烧波温度分布。ＧＡＰ／ＡＮ推进剂的燃烧波可以分为凝聚相反应区、暗区、气相反应区。硝酸酯ＢＧ及高氯酸铵对ＧＡＰ／ＡＮ 推进剂的燃烧波结构有显著的影响,硝酸酯ＢＧ导致推进剂的燃速降低,压强指数升高;高氯酸铵的影响恰好相反。凝聚相反应的温度梯度及暗区厚度是影响推进剂燃速及压强指数的主要因素。     

整体级发动机用含硼BAMO／THF推进剂的探索研究

采用最小自由能法（ｗｈｉｔｅ法），计算研究了增塑剂与粘合剂质量比（Ｐ１、Ｐ０）、固体含量、硼含量、ＨＭＸ含量对用于整体级发动机的含硼ＢＡＭＯ／ＴＨＦ（１：１）推进剂能量的影响。实验研究制得的６５％固体含量的ＢＡＭＯ／ＴＨＦ（１：１）含硼固体推进剂的基础燃速、压强指数较低；φ６５ｍｍ发动机的试车结果表明：实验制得的６５％固体含量的含硼ＢＡＭＯ／ＴＨＦ（１：１）推进剂的比冲效率为８４．４５％。     

HAN基电控固体推进剂电热耦合特性及燃烧特性实验研究

为了探究HAN基电控固体推进剂(ECSP)的电热耦合特性和燃烧性能,通过改变施加电压和环境压力对ECSP进行燃烧性能测试。在ECSP燃烧性能测试装置中采用电压、电流探头记录燃烧过程中通过推进剂的电压和电流,利用高速摄影仪记录推进剂的燃烧过程,借助法拉第电化学分解定律计算推进剂理论电化学分解质量在总燃烧消耗质量中的占比,分析电压和压力对推进剂燃速和质量损失的影响,同时拟合出ECSP燃速(r)与功率(P₁)和压力(P₂)的经验公式。结果表明：随着电压和压力的增加,ECSP理论电化学分解质量和实际燃烧质量增加,理论/总燃烧质量比值降低,燃速和质量损失增加。在ECSP的可控燃烧范围内,其燃速与功率和压力满足r = 0.0105P_1^0.705P_2^0.251。本文得到了热分解反应在ECSP的燃烧过程中占主导地位,是高压力下造成推进剂不可控燃烧的主要原因,为揭示ECSP的燃烧可控机理提供理论基础。