超高速撞击下PTFE/Al含能材料薄板的载荷特性分析

不同于传统惰性材料的空间碎片防护结构,含能材料防护结构在超高速撞击下的冲击起爆特性是其防护能力得以提高的根本原因。PTFE/Al含能材料防护结构的冲击起爆特性改变了弹丸强冲击载荷下的破碎机制,弹丸内部的冲击压力对于分析含能材料在超高速撞击下的防护机理具有重要意义。对超高速撞击试验中回收的PTFE/Al防护结构后板进行损伤特性分析,获得了对应速度条件下弹丸的破碎特性。基于一维冲击波理论,分析PTFE/Al靶板在超高速撞击条件下的冲击响应过程,结合考虑化学反应效率的热化学反应模型,获得了弹丸在碰撞与爆炸联合作用下的载荷特性,通过与试验结果对比验证,获得该材料完全反应的临界撞击速度约为1800 m/s,弹丸的临界破碎速度为2875 m/s,小于铝防护结构中对应的临界破碎速度。给出了弹丸在PTFE/Al、铝两种防护结构中产生相同冲击压力时对应的临界速度,分别为弹道段的800 m/s和破碎段的3580 m/s。     

固体火箭发动机撞击靶板安全性数值分析

为研究固体火箭发动机撞击安全性,建立了固体火箭发动机撞击靶板的计算模型,模型中发动机的推进剂装药采用点火增长反应速率方程.采用非线性有限元流体动力学方法,对发动机径向撞击靶板过程进行了数值模拟,分析了不同撞击速度下发动机中推进剂装药的反应情况.计算结果表明,发动机径向撞击靶板爆炸的临界速度范围为150～200 m/s;低强度多次撞击过程中推进剂会发生延迟爆轰情况.     

破片速度对碳纤维层合板冲击损伤的影响

为提升战斗部破片对航空复合材料结构的毁伤效果,采用空气炮冲击、数值仿真、战斗部静爆试验等手段,研究了层合板冲击损伤类型和分层面积随破片速度的变化规律,并分析了损伤机理。研究表明:层合板冲击损伤类型、机理和程度,与破片速度和层合板冲击临界速度(即冲击物穿透层合板的最小速度)的相对大小有关。在本文试验速度范围内,当破片速度小于层合板冲击临界速度时,造成背面裂缝型损伤,分层面积随破片速度增大而增大;当破片速度略大于层合板冲击临界速度时,造成背面炸裂型损伤,分层损伤范围最大;而更高的破片速度则造成切孔型损伤,分层损伤面积随破片速度的增大而减小,并趋近于切孔面积。为提高对复合材料结构的毁伤效果,应使破片着靶速度略大于层合板的冲击临界速度。     

高能固体发动机火箭橇试验及数值模拟

为了对高能固体火箭发动机进行冲击安全性评价,进行了?480 mm×640 mm高能发动机的火箭橇冲击试验,试验结果表明,高能发动机在冲击作用下存在无反应、燃烧和爆炸3个反应级别,且明显受到推进剂损伤程度的影响,测试获得了各反应级别对应的冲击速度区间,并分析了推进剂损伤对反应剧烈程度的影响规律。建立了高能发动机冲击起爆的数值仿真模型,该模型基于计算单元压力大小作为是否起爆的判据,可用于分析冲击起爆的初始位置,计算结果与试验基本吻合,验证了仿真模型的正确性。该项研究可为高能发动机冲击安全性研究与评价提供参考。     

考虑应变率和温度响应的少烟NEPE推进剂粘弹性本构模型

为研究少烟NEPE推进剂力学性能的应变率及温度相关性,使用万能材料试验机分别在不同应变率(4.17×10-4～4.17×10-1s-1)和温度(-40～50℃)下测试了推进剂的力学性能,建立了考虑应变率和温度响应的本构模型。结果表明,少烟NEPE推进剂具有应变率硬化特性,其拉伸应力与对数应变率呈线性关系;降低温度使推进剂的定伸应力和模量增大,升温则相反。结合少烟NEPE推进剂的线性对数应变率效应和温度变化特性,建立了粘弹性本构模型,该模型用多蠕变模式与非线性弹簧的组合来反映力学性能的率相关性,用率相关模型与温度函数的乘积形式来描述力学性能的温度相关性。模型预测与实验曲线对比表明,所建模型在实验温度、应变率、0.1～1.0应变范围内预测的准确性较好,其百分误差小于24%。     

拉伸速率对NEPE推进剂力学性能的影响

运用单向拉伸手段,研究了不同拉伸速率(0.5～500 mm/min)、测试温度(25～70℃)对NEPE推进剂最大抗拉强度σm和最大伸长率εm的影响。试验结果发现,NEPE推进剂σm和εm均与拉伸速率v呈幂律函数关系,建立了相关性较好的幂函数方程σm=k(T)va和εm=f(T)vb。利用该方程,对极慢拉伸速率下NEPE推进剂σm和εm进行了预示,计算结果可为固体火箭发动机设计及推进剂贮存性能研究提供技术支持。     

基于Micro-CT的NEPE推进剂装药界面细观结构

NEPE推进剂装药界面粘接问题是制约NEPE推进剂推广应用的技术瓶颈之一,急需有效的细观结构表征技术,以揭示NEPE推进剂装药界面形成机理。采用Micro-CT技术,开展了NEPE推进剂/衬层/绝热层界面细观结构研究,发现Micro-CT图像可明显区分界面各相以及各相的基体与填充物,可识别不同的固体填充物;绝热层/衬层界面存在有锯齿状的镶嵌结构的扩散层,厚度不超过10μm;推进剂与衬层之间有一定的扩散,存在明显的推进剂与衬层基体富集层,在推进剂一侧,还形成40~80μm的HMX颗粒富集层。     

HMX对固体推进剂在强烈冲击条件下反应特性的影响

为探索HMX对固体推进剂配方的低易损特性的影响,选取两种固体推进剂典型配方A和B(两配方的差异在于A中添加了20%的HMX,B不含有HMX),分别开展了不同冲击方向下的子弹撞击、高速破片撞击和聚能射流撞击试验。结果表明,子弹撞击试验和破片撞击试验中,固体推进剂A和B的响应类型均为燃烧;与子弹撞击试验的相比,样品中加入少量HMX对破片撞击试验中的燃烧速率提升较为明显,轴向和径向试验中燃烧速率分别提升了4.44倍和1.15倍;推进剂轴向撞击刺激响应程度平均为径向的1.61倍;在射流撞击试验中,样品A发生了爆轰,样品B发生了爆燃。由此可见,HMX对复合固体推进剂在射流试验中的响应特性具有显著影响。     

NEPE推进剂“两段式”老化的动力学研究

NEPE推进剂老化表现为"两段式",即稳定剂完全消耗前后(分别对应Ⅰ阶段和Ⅱ阶段),推进剂力学性能出现显著差异.文中借鉴双基系推进剂和NEPE推进剂老化研究结果,在进一步分析"两段式"老化特性的基础上,探讨了提高NEPE推进剂贮存寿命的技术途径,计算了"两段式"老化过程的动力学参数,并比较了温度对两阶段主要反应的影响.结果表明,Ⅰ阶段稳定剂消耗反应和Ⅱ阶段推进剂聚合物基体降解反应的表观活化能分别为86.18 kJ/mol和166.35 kJ/mol,常温25 ℃时两阶段的老化速率分别为1.30×10~(-4) d~(-1)和2.75×10~(-6) d~(-1),温度对两个老化阶段都有很大影响,但老化第Ⅱ阶段受温度的影响远大于第Ⅰ阶段.     

HTPB/TDI衬层与NEPE推进剂的界面反应机理

采用富立叶变换红外光谱(FTIR)和全反射红外光谱(FTIR/ATR),研究了半固化的HTPB/TDI衬层表面的活性基团以及不同的—NCO基团与不同羟基的反应速率。结果表明,半固化的HTPB/TDI衬层表面含有大量的—NCO基团;HTPB/TDI衬层和NEPE推进剂粘合剂相的—NCO基与—OH的交叉反应速度较NEPE推进剂的固化反应速度快得多。HTPB/TDI衬层与NEPE推进剂界面的化学反应机理是粘合剂相中—OH基和—NCO基的交叉反应,其中衬层中TDI分子的—NCO基与PEG分子的—OH基的反应速度稍快于NEPE推进剂中N100分子的—NCO基与HTPB分子的—OH基的反应;在界面区域,HTPB/TDI衬层与NEPE推进剂通过氨基甲酸酯键形成化学粘接。     

含1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)推进剂能量特性计算研究

利用国军标方法及CAD系统软件,在标准条件(pc/po=70:1)下,计算了含1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)的各类推进剂的能量特性.发现TNAZ单元推进刺的理论比冲为2 700.2 N·s/kg,与DNTF单元推进剂接近;用TNAZ取代丁羟复合固体推进剂中的AP,比冲可提高37.9 N·s/kg;用TNAz取代NEPE推进剂中的AP,推进剂最大理论比冲可达2 671.1 N·s/kg;NC/NG/TNAZ组成的无烟改性双基推进剂比冲可达2 573.6 N·s/kg;由GAP/TNAZ/BDX组成的无烟推进剂,在很宽的范围内都可得到2 600 N·s/kg以上较高的理论比冲值.研究结果表明,TNAZ在高能推进剂尤其在高能无烟推进剂中有着广阔的应用前景.     

NEPE推进剂用HTPB衬层老化研究(Ⅰ)——化学环境对衬层老化行为的影响

根据衬层的使用特点,研究了NEPE推进剂用HTPB衬层在NEPE推进剂环境及自由状态下的老化特性,发现NEPE推进剂对HTPB衬层的固化和老化都有严重影响。NEPE推进剂药浆影响HTPB衬层固化,导致衬层固化不完全。NEPE推进剂环境下的取样衬层与衬层材料具有不同的老化机理。取样衬层老化过程中HTPB网络发生了交联反应,模量、凝胶分数增大;而衬层材料老化以降解断链反应为主。老化对衬层材料动态损耗因子没有明显影响,但对取样衬层损耗因子曲线α峰影响显著。     

3,3'-二硝胺基-4,4'-偶氮呋咱二肼盐的合成、表征及性能研究

以二氨基呋咱(DAF)为原料,经氧化、硝化、中和反应合成出3,3'-二硝胺基-4,4'-偶氮呋咱二肼盐(Hy2DNAAF),对其结构进行了表征,并对其热性能、机械感度性能、爆轰性能、单元推进剂和Hy2DNAAF-CMDB推进剂的性能进行了研究。结果表明,Hy2DNAAF的热分解峰温为208℃,特性落高为25.7cm。Hy2DNAAF的理论爆速为8635m/s,理论爆压为32.61GPa,Hy2DNAAF单元推进剂的理论比冲为2717N·s/kg,特征速度为1734.3m/s。Hy2DNAAFCMDB推进剂的理论比冲为2 522.9N·s/kg,特征速度为1591.1m/s。     

验证板反射冲击波对固体推进剂冲击起爆影响的实验研究

根据隔板实验确定固体推进剂临界爆轰压力时,往往假定被测推进剂药柱是在隔板界面附近起爆,忽视了验证板界面会反射强冲击波的特性,这些假定并没有实验进行验证和事实依据。因此,文中对隔板实验中验证板反射的冲击波对冲击起爆影响进行了实验研究,设计了对比验证实验,对比实验结果清楚地消除了验证板反射冲击波影响的不确定性,为以隔板界面入射冲击波压力作为被测推进剂药柱临界爆轰压力提供了可靠依据。     

冲击载荷下CMDB推进剂断裂性能实验研究

高过载冲击载荷下,固体推进剂出现断裂行为是影响箭弹发动机装药结构完整性的重要原因之一。采用霍普金森实验技术(SHPB),对CMDB推进剂进行了冲击断裂实验。运用实验-仿真的方法,将实验数据直接输入仿真模型中,验证了实验条件下试件满足动态平衡前提假设,获得了推进剂的I型动态起裂韧性;利用扫描电镜设备(SEM),对推进剂断面形貌进行了观察和讨论。结果表明,CMDB推进剂动态起裂韧性在60 000~100 000 MPa·m1/2/s加载率范围内表现出明显的线性率敏感特性,并在加载率达到100 000 MPa·m1/2/s后出现极值3.96 MPa·m1/2;CMDB推进剂在高过载条件下表现出明显的脆性起裂特性以及动态起裂韧性存在率敏感性,直接与应力波对基体和AP颗粒损伤程度相关。     

NEPE推进剂／衬层粘接界面层厚度表征方法研究

采用纳米压痕分析法和超声波扫描显微镜分析法,研究了NEPE推进剂/衬层粘接界面层的厚度。纳米压痕分析结果表明,界面层与粘接物的细观力学性能有明显差异,差异区域的厚度约为80μm;超声波扫描显微镜分析结果表明,界面层是非均匀性的复杂实体,计算出未老化粘接界面的厚度为84.94μm。计算结果和测试值基本一致,认为NEPE推进剂/衬层粘接界面层的厚度为80~85μm。     

复合固体推进剂静电危险性数值模拟

建立了一维非稳态传热、传质、裂纹扩展方程,对复合固体推进剂在静电激励下的危险性反应过程进行了数值模拟研究。计算了使一种HTPB推进剂发生危险的临界放电能量为0.74 J,与文献报道值0.76 J接近,说明本数值计算模型比较准确。在模型验证的基础上,考察了某推进剂的特征参数,如断裂韧性、裂纹扩展速度、固相分解热、燃速及静电放电时间对该推进剂发生危险时的临界放电能量和功率的影响规律。研究表明,放电时间、断裂韧性、裂纹扩展速度、燃速对推进剂发生危险变化的临界能量影响较大,断裂韧性越大、裂纹扩展速度越低、燃速越高的推进剂越容易在静电激励下发生危险。     

固体推进剂装药枪击试验数值模拟与试验

固体推进剂的枪击试验是评价固体推进剂及装药在受到枪击的情况下,是否发生燃烧、爆炸及爆轰等剧烈反应的重要试验方法。采用LS-Dyna有限元仿真软件研究了枪击试验推进剂的反应过程,并采用12.7 mm枪击试验验证了LS-Dyna的计算结果。结果表明,以点火增长模型、Johnson-Cook本构模型和Gruneisen状态方程分别赋予推进剂、子弹及推进剂壳体,计算结果表明,推进剂发生明显的燃烧反应,且推进剂燃烧在壳体内部产生的压力显著增大。采用12.7 mm枪击试验验证的试验结果表明,推进剂装药在12.7 mm子弹以约850 m/s速度撞击下,推进剂发生燃烧,此结果与模拟结果相一致。     

典型低温推进剂的热力学性能参数评估

近年来,低温推进剂在火箭推进领域得到了广泛应用,针对液氧、液氢以及液甲烷等低温推进剂的研究也得到了深入开展。然而,有关低温推进剂热力学性能的研究虽有开展,但各种推进剂性能的特点和差异缺乏研究,对低温推进剂的热力学性能缺乏综合性分析研究和系统认识。统计了1960年以来火箭推进剂的使用以及按照火箭级应用分布情况,对低温推进剂在火箭推进领域的应用与发展进行系统性综述。从低温推进剂的基础热物理性质出发,面向航天推进应用,对不同低温推进剂的动力特性、传输特性、贮存特性以及致密化特性4个方面进行综合评估。结果表明：液氢推力特性最好,氢氧发动机理论比冲可达457 s。相同管路和工况条件下,液氢流动阻力最小,液氧流动温升最小,液甲烷流动阻力和温升特性表现居中。以管长为10 m、管内径为0.1 m的加注管路为例,液氢流动压降小于5 kPa,液氧流动温升小于0.5 K。在地面停放过程中液氧和液甲烷温升小,贮箱增压慢,同时液甲烷热分层现象较弱。对于高5 m、直径3 m的圆柱形贮箱来说,当外界热流密度为50 W/m²时,液氢温升可达4.83 K,液氧仅为1.93 K;液氧贮存周期可达36...     

固体火箭发动机枪击过程数值模拟

为研究固体火箭发动机枪击安全性,对7.62 mm子弹射击过程进行了数值模拟.根据高速变形条件下功-热转化理论,计算出子弹穿透壳体温升,对灼热弹体与推进剂高速摩擦生热条件下的瞬态热传导问题,建立了相关理论模型,并进行了数值模拟.研究结果表明,子弹以750 m/s初速射击发动机,能使固体推进剂内形成高温热点,为发动机枪击过程模拟提供了新方法.