燃烧条件下影响推进剂脱粘面扩展的因素

研究了固体火箭发动机推进剂与包覆层界面脱粘在燃烧条件下扩展的影响因素。对含有预制脱粘面的试件进行了大量的燃烧试验，用X射线实时成像系统记录了燃烧过程；根据组成试件的不同材料特性，分别用粘弹性和线弹性有限元方法计算了试件在燃烧过程中的应力应变状态，并利用修正后J积分法对脱粘面扩展的可能性进行了预估。理论分析和试验结果均表明：燃烧室增压速率、脱粘面尺寸、边界条件等因素对脱粘面扩展均有较强的影响。该研究结果对制定固体火箭发动机装药失效判据有一定参考价值。     

固体火箭装药包复层脱粘问题的分析

本文应用了二维轴对称弹性有限元分析方法计算了常见的三种火箭装药结构,因热载荷及火箭发动机工作内压力作用引起的脱粘主应力(发生在人工脱粘端点处包复层与推进剂药柱的相粘接的界面上),对比分析了火箭装药的外界载荷、人工脱粘结构形式及火箭装药的几何参数等对脱粘的影响。另外,对于预防火箭装药包复层的脱粘问题做了一些分析讨论。     

经验模态分解火箭发动机多界面粘结检测特征信号提取技术

针对固体火箭发动机在存放期间粘结界面易出现脱粘的情况,采用超声纵波对其一二界面粘结质量进行检测,得到的二界面脱粘缺陷回波信号通常混叠了一界面多次反射透射的信号,无法与一界面粘结信号区分。为了区分不同界面回波信号,选用EMD(经验模态分解)对回波信号分解,并根据相关性系数得到信号主导作用模态分量,提取其检测信号幅度特征,得到界面粘结情况,再根据时间确定粘结位置是一界面还是二界面。结果表明:通过EMD对超声回波信号的特征提取可以实现固体火箭发动机界面最小直径为4 mm的脱粘缺陷检测,同时有效地降低分析计算的数据量,为固体火箭发动机粘结检测提供一定基础。     

固体发动机燃烧室壳体／绝热层界面脱粘类型及解决的技术途径

界面粘接是固体发动机装药结构完整性的重要条件、通过对发动机燃烧室壳体／绝热层界面粘接进行的研究，指出燃烧室在绝热层整体粘贴中常见的四种脱粘类型。对各类脱粘原因通过抽样色谱分析、无损检测或解剖作了验证，提出解决脱粘问题的具体技术途径。研究结果表明，这些技术措施在发动机装药研制中取得较好的效果。     

装药几何参数不确定性优化设计

1引言固体火箭发动机装药设计,一般要求在满足发动机内弹道性能和相关约束条件下,选择药型并确定其几何参数,同时综合考虑燃烧室壳体内部绝热层、衬层和人工脱粘层的设计要求。装药设计作为发动机设计的核心,其设计质量很大程度决定了发动机性能优劣。航天飞机固体助推火箭发动     

考虑界面损伤的立式贮存药柱结构完整性研究

为了进一步结合实际分析固体火箭发动机药柱在立式贮存条件下的结构完整性，考虑推进剂/衬层界面损伤模式在复杂应力条件下具有多样性。以某型固体火箭发动机为例，与常规将衬层设置为粘接单元相比，模型在推进剂与绝热层之间设置粘接接触。对固体火箭发动机在立式贮存环境时经历固化降温、充气内压和重力载荷联合作用下有无界面损伤时的发动机进行仿真分析。结果表明:界面损伤的存在导致推进剂/绝热层界面这个薄弱环节更危险；该型固体火箭发动机药柱在充气内压增大过程中在人工脱粘层根部部位应力呈先增大后减小趋势；在充气内压达到0.085MPa之前，推进剂与绝热层之间考虑界面损伤时，推进剂在垂直于轴向的靠近人工脱粘层根部部分更容易损伤，之后则推进剂垂直于轴向的初始点更容易损伤。该结论可以为固体火箭发动机结构完整性精确仿真提供一定的指导。     

固体发动机无损检测新技术评述

文中阐述了无损检测新技术在固体发动机推进剂及多界面脱粘方面取得进展的部分情况。探讨和展示了装药发动机采用无损检测新技术中存在的难点及前景。     

固体火箭发动机多层粘接结构超声图像诊断

针对固体火箭发动机的钢壳、绝热层、衬层、推进剂多层粘接结构的粘接质量检测问题,利用聚焦探头采用斜声束液浸反射回波法,选用往返透射率高的板波模式,特别是采用了双模式检测技术以提高检测信号能量,获得有效检测信号,并开发出了检测系统。通过一次C扫描获得了双层包覆三个界面粘接质量诊断图像,其脱粘检测分辨率≤Φ5 mm。采用聚集探头双模式检测技术实现了固体火箭发动机多层粘接结构超声图像诊断。     

装药限燃包覆层脱粘和裂缝燃烧故障效应的试验研究

用模拟试验研究各种脱粘和裂缝燃烧对发动机造成的故障效应,为故障诊断和失效分析提供依据。自由装填限燃包覆层装药的脱粘燃烧,造成燃面增大和由于压力升高造成的燃速指数增大效应;具有贴壁的限燃包覆层的装药脱粘燃烧,还会产生极其强烈的侵蚀燃烧效应。浅裂缝燃烧只是造成燃面增大的效应;而深裂缝装药燃烧,还会产生极其强烈的侵蚀燃烧效应。无论是贴壁的限燃包覆层的装药脱粘燃烧或是深裂缝装药燃烧,均会在发动机点燃的初期,产生十分强烈的压力峰,如果燃烧室的安全裕度不是特别大,则会在发动机点燃后的短暂时间内发生爆炸。     

双钴-1推进剂粘弹力学性能的实验研究

本文利用DDV-Ⅲ-EA动态粘弹谱仪,对双钴-1固体推进剂的动态粘弹力学性能进行了实验测定.通过频-温(时-温)等效原理,动-静态粘弹力学特性间的关系,经过计算机分析处理给出了复模量E(ωα_T)和应力松弛模量E(t/α_T)主曲线及其数学表达式.其如果对固体火箭发动机装药结构完整性分析计算有实用意义.     

Structural assessment of a solid propellant rocket motor: Effects of aging and damage

The aim of this study is to perform structural analysis of a solid propellant rocket motor using the finite element method and to determine the effects of aging on the analysis results. Thermal and pressure loadings occurring during the shipping, storing and firing are considered to be the most critical in determining long-term behavior of the motor. Stress and strain distribution in the rocket motor under these loading conditions are determined. Maximum hoop strain at the surface of the propellant and bond stresses at the interface between the liner and the insulator are evaluated as indicators of cracking in the propellant grain and debonding at the liner–insulator interface. The analyses are performed for both unaged and aged propellants. The results can be used to estimate the service life of the motor.     

基于舰船摇摆载荷的推进剂粘接界面疲劳损伤模型

以某固体火箭发动机为例,建立了舰船摇摆载荷作用下发动机药柱粘接界面的疲劳损伤模型。通过推进剂粘接界面定应力往复剪切试验获得了界面的疲劳损伤S-N曲线;选取残余应变为损伤变量,并根据试验数据建立了推进剂粘接界面的疲劳损伤演化模型。试验及研究结果表明,推进剂粘接界面应力幅值和疲劳破坏次数的自然对数满足方程Y=0.748exp(-X/5.663)-0.0261。推进剂粘接界面在舰船摇摆载荷作用下的疲劳损伤量与循环加载比满足方程D=0.1517(1-exp(-β/0.0386))+0.8483(1-(1-β)1.1)。     

HTPB复合固体推进剂率相关损伤机理分析与验证

固体发动机在点火过程中常由于结构完整性问题而出现爆炸或性能曲线异常等问题，结合发动机在点火状态下推进剂的受载情况，亟待探索固体推进剂的率相关损伤机理。本研究从某HTPB复合固体推进剂在宽温和宽应变率下单向定速拉伸试验的力学响应特征入手，针对应力-应变曲线呈现的“双峰”、“脱湿”点前后移位等现象阐释了推进剂的率相关界面损伤特性。然后，基于建立的推进剂细观有限元模型对推进剂的率相关损伤过程进行了仿真计算，通过提取有限元分析结果的损伤界面分析了推进剂的界面损伤机理。最后，通过高速摄像试验的结果对损伤机理进行了验证。结果表明，推进剂的界面损伤过程具有很强的率相关性，“双峰”和“脱湿”点前后移位均与推进剂在不同应变率下拉伸时内部的损伤演化过程有关。通过对比推进剂在不同应变率下拉伸时断裂前的形貌，高应变率下AP颗粒析出数量较多，在一定程度上印证了本研究对推进剂损伤机理的阐释。     

长期贮存条件下固体发动机药柱应力分析

固体火箭发动机在贮存过程中壳体和推进剂共同承担各种复杂随机载荷,这些载荷的作用会引起推进剂装药力学性能的变化,从而直接危及发动机工作的可靠性。论文选用随机温度载荷为计算背景,并以通用有限元软件为平台,建立了固体发动机结构模型,通过仿真得到了发动机药柱在随机温度载荷下的等效应力变化规律。     

摇摆载荷作用下舰载固体火箭发动机药柱疲劳损伤

以某固体火箭发动机为例,建立了摇摆载荷作用下发动机药柱的疲劳损伤评估方法.首先,通过推进剂定应力往复拉伸试验获得了复合固体推进剂的疲劳损伤特性;其次,运用有限元分析方法得到了发动机危险部位的应力谱;最后,运用雨流计数法和Miner线性累积损伤理论对发动机危险部位的损伤进行了评估.结果表明,发动机装药危险部位一年时间由于舰船摇摆载荷所造成的损伤为0.0855.      

超期贮存固体火箭发动机使用性能评估

解剖了自然贮存14年的某型发动机,对所得推进剂进行了力学和燃烧性能测试.理论分析中建立了发动机三维内弹道和有限元模型,并根据计算流体动力学(CFD)计算边界网格和有限元模型(FEM)药柱表面网格异构但空间位置一致的特点,开发了发动机内弹道压力转化为药柱有限元载荷的算法,完成了发动机工作过程流场-结构的耦合分析,并对发动机的内弹道和药柱结构完整性进行了评估.试验表明:长期贮存后发动机中端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂力学性能变化体现模量增加和延伸率降低,燃烧性能也有一定变化;计算所得发动机内弹道能完成发射任务,同时发动机药柱的力学性能能保证工作期间的结构完整性,发动机基本满足使用要求.      

Numerical simulation of multi-phase combustion flow in solid rocket motors with metalized propellant

Multi-phase flowfield simulation has been performed on solid rocket motor and effect of multi-phases on the performance prediction of the solid rocket motor(SRM) is investigation.During the combustion of aluminized propellant,the aluminum particles in the propellant melt and formliquid aluminum at the burning propellant surface.So the flow within the rocket motor is multi phase or two phase because it contains droplets and smoke particles of Al2O3.Flowsi mulations have been performed on a large scale motor,to observe the effect of the flowfield onthe chamber and nozzle as well.Uniform particles diameters and Rosin-Rammler diameter distribution method that is based on the assumption that an exponential relationship exists betweenthe droplet diameter,dand mass fraction of droplets with diameter greater thandhave been used for the si mulation of different distribution of Al2O3 droplets present in SRM.Particles sizes in the range of 1-100μm are used,as being the most common droplets.In this approachthe complete range of particle sizes is dividedinto a set of discrete size ranges,eachto be defined by single streamthat is part of the group.Roe scheme-flux differencing splitting based on approxi mate Riemann problem has been used to si mulate the effects of the multi-phase flowfeild.This is second order upwind scheme in which flux differencing splitting method is employed.To cater for the turbulence effect,Spalart-All maras model has been used.The results obtained show the great sensitivity of this diameters distribution and particles concentrations to the SRMflowdynamics,primarily at the motor chamber and nozzle exit.The results are shown with various sizes of the particles concentrations and geometrical configurations including models for SRM and nozzle.The analysis also provides effect of multi-phase on performance prediction of solid rocket motor.     

固体火箭发动机衬层与药柱脱粘高能X射线检测技术

衬层与药柱脱粘严重影响固体火箭发动机的结构完整性和工作安全性,该缺陷的可靠检测至关重要。文章综述了固体火箭发动机高能X射线检测技术现状。基于射线照相检测和工业CT检测手段,评述了固体火箭发动机衬层与药柱脱粘的图像分析和缺陷评判技术。针对该类缺陷,提出了综合应用射线照相技术和工业CT技术进行印证检测的方法,评判结果表明能够满足缺陷检测的可靠性与准确性要求。     

固体火箭发动机燃烧室外压稳定性

应用有限元软件开展了燃烧室外压稳定计算,以壳体表面环向应变为判据,从环向应变-载荷曲线保守估算了燃烧室外压失稳载荷。为了验证有限元计算模型,通过假药配方的调试,研制外压试验用模拟燃烧室,开展全尺寸模拟燃烧室外压试验,得到了燃烧室失稳载荷。通过计算与试验结果的比较分析,为有限元模型的修正提供了基础,采用推进剂的压缩模量进行燃烧室外压稳定性计算更接近实际情况。