HTPB推进剂温度及率效应的累积损伤模型研究

为揭示机械载荷作用下HTPB推进剂的力学性能变化规律和破坏机理,利用单轴拉伸法研究了温度及应变率对HTPB推进剂力学性能的影响。运用单轴拉伸方法,研究了5组不同应变率(0. 000 333～0. 167 s-1)和不同环境温度(-50～35℃)下HTPB推进剂的恒速率单轴拉伸破坏试验。通过试验数据获取损伤模型参数,并最终建立了含应变率和温度因子的累积损伤模型。利用建立的累积损伤模型来预测HTPB推进剂在特定温度及应变率(0.000 333～0.167 s-1)条件下的失效情况,计算结果与试验结果吻合较好。此累积损伤模型可为固体推进剂装药结构完整性分析方法和HTPB推进剂损伤和破坏研究提供一定依据。     

丁羟推进剂拉伸脱湿的电子显微镜观测

采用单向拉伸和扫描电子显微镜的实验手段，研究了慢拉伸速率对丁羟复合固体推进剂拉伸的影响，并对不同拉伸速率下丁羟推进剂的破坏机理进行了分析。     

固体推进剂宽温-气体围压试验系统设计与试验

针对固体推进剂常压条件下力学性能满足要求,而发动机药柱结构完整性破坏频发的难题,研制了固体推进剂宽温-气体围压试验系统,对某HTPB推进剂进行了不同环境压力、温度和拉伸速率下的定速拉伸试验,获得了环境压力、温度和拉伸速率对推进剂应力-应变曲线的影响规律。研究表明,围压环境下推进剂应力-应变曲线没有明显的"脱湿"点,推进剂的抗拉强度明显提高;快速拉伸条件下,围压环境极大地降低了推进剂的延伸率,23℃常温8 MPa围压环境1000mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率相对常压条件降低45%;低温围压快速拉伸条件下推进剂的力学性能最为恶劣,-50℃低温8 MPa围压环境500 mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率降至11%。相关方法和结论可为固体发动机精细结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

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。     

AP级配及含量对HTPB固体推进剂界面约束作用影响机理研究

复合固体推进剂是一种含能非均质颗粒填充材料,其基体聚合物分子通过物理缠结及氢键作用吸附于填料表面,产生基体-填料界面相互作用,这种相互作用使基体聚合物交联网络分子的运动受到限制。以高氯酸铵(AP)级配及含量不同的端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂为研究对象,通过动态力学试验、溶胀试验、单向拉伸试验、循环拉伸试验,探究了AP级配及含量变化引起的HTPB固体推进剂界面约束作用差异,并探究其对推进剂结构及性能的多维度影响。结果表明：随着细粒度AP含量及AP总含量的提高,约束区域占比增加,基体交联网络分子受限作用增强,HTPB固体推进剂界面相互作用提高,单向拉伸状态下的推进剂强度、模量提高,伸长率下降;循环载荷作用下,约束作用则提高了能量耗散过程,加剧HTPB固体推进剂疲劳损伤进程。     

固体推进剂空隙含量的体积模量测定

本研究采用体积压缩系数测量来确定固体推进剂中因气体逸出而导致的内部空隙含量(空隙区)的变化。而且测定了复合改性双基(CMDB)、交联双基(XLDB)和硝酸酯增塑聚醚(NEPE)三种推进剂体内空隙形成的速率。发现在400mm立方体内空隙含量和体积压缩系数,同用X—射线的检查结果具有良好的一致性。在这三种推进剂中,采用70和80℃下的高温贮存来加速空隙的形成。其中CMDB推进剂显示出最高的空隙形成速率。最后,探讨了断裂力学在空隙形成研究中应用的最新进展。     

某单室双推力发动机串联装药固体推进剂界面力学性能分析

为解决某单室双推力发动机串联装药两级固体推进剂界面力学性能差的问题,通过热力学理论计算,采用优选燃速调节剂,优化匹配两级推进剂的固体物级配、键合剂组合、增塑比、固化参数(NCO/OH摩尔比或R)等方法优化推进剂配方,对试样进行力学性能测试,并分析了各助剂对推进剂界面力学性能的影响。结果表明,在70℃,拉伸速率2 mm/min条件下,抗拉强度σ_m≥0.6 MPa,最大延伸率ε_m≥45%;在-50℃,拉伸速率100 mm/min条件下,σ_m≥3.0 MPa,ε_m≥45%。所研制的高固含量、高能量密度两级推进剂的界面力学性能优良,解决了单室双推力发动机现有串联装填药型、能量和燃速不同的推进剂界面力学性能偏低的问题。     

固体推进剂药柱的可靠性—力学模拟发动机的设计和试验

评价固体推进剂药柱的可靠性,主要是依据对其力学性能的评估。用全尺寸药柱进行试验,通常是很困难的,并且费用昂贵。本文介绍了一种能反映全尺寸发动机的特型小尺寸、低成本模拟发动机的研究和试验。这种发动机可模拟全尺寸发动机药柱(88%固体含量的CTPB推进剂)的条件进行力学性能试验。进行了大量的、承受多种载荷条件(温度循环和/或加压)的模拟发动机试验。给出了试验结果,并首次给出了与尚在发展中的理论计算有关的分析。     

光纤光栅传感器在固体推进剂内部应变测量中的试验研究

针对固体推进剂内部应变监测的难题,采用仿真与试验相结合的方法,开展了光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Grating)传感器在固体推进剂内部应变的测量研究。研究中采用增加增敏结构的方法解决FBG应变测量传感器与固体推进剂的变形协调性问题,通过数值仿真初步筛选了增敏球尺寸,结合仿真结果设计并加工了植入4种不同结构(不带增敏结构和带有2 mm、3 mm、4 mm增敏小球)的FBG应变测量传感器的固体推进剂试件,并对试件开展不同加载速率下的拉伸及压缩试验。结合试验结果分析了增敏小球直径、加载方式与加载速率对固体推进剂内部应变测试结果的影响,获得了内埋FBG传感器的固体推进剂内部应变变化规律。研究表明,采用增敏小球结构可有效解决FBG应变传感器与固体推进剂的变形协调性问题,大幅提高应变测量的灵敏度与传递效率,且增敏小球直径越大传递效率越高。所得研究成果可为FBG传感器用于固体发动机药柱应变监检测提供技术支撑。     

HTPB推进剂的老化及使用寿命

为了进行老化评价研究,选择和研制了三种不同固体含量的(88～91%)端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂。已经证实,88%固体含量的HTPB推进剂符合以前提出的老化模型。这种老化模型已成功地进一步用于较高固体含量的推进剂以及其它计划用的HTPB推进剂的实测力学性能老化数据。采用这种老化模型,根据加速热老化试验数据予测了长期力学性能,予测数据与六年实测老化数据相当一致。利用予测的推进剂破坏性能,结合火箭发动机的要求,来确定予先选定安全裕度的发动机药柱的使用寿命。本文列出了各种复合推进剂老化速率的比较数据。根据老化结果的分析,提出了一个宽范围老化行为的数学表达式。     

用拉氏量计和分析技术研究固体推进剂冲击波作用过程

本文建立了适合于研究固体推进剂冲击波作用过程的拉氏量计和分析技术,应用这种技术能清楚地表现固体推进剂内部状态变化过程和化学反应过程。并用这种技术研究了聚硫复合推进剂、丁羟复合推进剂、双基推进剂和改性双基推进剂冲击波转爆轰和爆轰过程。结果表明,复合推进剂与双基和改性双基推进具有明显不同的状态变化过程和化学反应过程。     

近年固体火箭推进技术发展趋势

讨论了在冷战结束后的政治、军事环境下固体发动机应用领域的动向和固体火箭推进技术的发展特点，重点了发动机设计及固体推进剂、壳体、喷管、点火系统等单项技术的发展趋势。     

复合固体推进剂脱模型的研究

研究了复合固体推进剂颗粒界面的脱湿机理。运用弹笥－粘弹性对应笥原理建立了复合固体推进剂粘弹性脱湿两相球颗粒分析模型，利用能量守恒得到了脱湿时间的控制方程，并导出了以界面粘结能表示的临界脱湿应力的简洁表达式。计算结果表明，颗粒的体积分数、粒径和加载速率对脱湿时间有显著的影响。     

复合固体推进剂双折线脱湿损伤模型参数影响分析

为分析双折线损伤模型参数对复合固体推进剂细观损伤及宏观非线性力学性能的影响,采用分子动力学方法建立复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在高氯酸铵(AP)颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤。利用有限元方法对具有不同损伤参数的颗粒夹杂模型进行计算,并对比数值仿真结果。结果表明,损伤起始应力对复合固体推进剂抗拉强度、最大延伸率有较大的影响;界面初始刚度在一定程度内的变化,对复合固体推进剂宏观力学性能及细观损伤形貌影响较小;界面失效距离主要影响复合固体推进剂的最大延伸率。     

微铝含量推进剂配方与刮涂成型装药工艺

为满足瞬间变换内弹道和燃烧产物而能量不变的特殊发动机装药要求，设计了微铝含量复合推进剂配方。经地面热试车考核，发动机性能满足设计要求，为今后高装填密度，高质量比的发动机装药开拓出一条新途径。     

低成本固体火箭发动机技术研究

简述了国外低成本固体火箭技术研究背影和动向，分析了国外降低固体发动机成本的主要技术途径，着论述了低成本的固体推进剂原材料及推进剂生产工艺，低成本的喷管材料及喷管制造技术、低成本的固体自动化制造技术 。     

固体火箭发动机羽烟特征信号的分类及测试评估概述

介绍了国外低特征信号固体推进剂分类标准和固体火箭发动机羽烟特征信号分类及测试技术等方面的工作,主要内容涉及发动机羽烟特征信号的定义、产生根源、对使用的影响、理论预估及特征信号测试评估的各种实验方法和设施,并预示了羽烟特征信号测试与评估的发展方向。     

国外GAP推进剂研制现状

综述了缩水甘油叠氮聚醚(GAP)及其推进剂的热、力学及弹道性能,GAP推进剂有较高的燃速和能量,但其燃速压强指数和温度敏感系数偏高。GAP推进剂的力学性能较差,改性GAP和支化GAP更具吸引力。GAP推进剂可用于燃气发生剂、微烟推进剂、高能推进剂及改性双基推进剂。     

轨控发动机不锈钢喷注器扩散钎焊工艺

为研制新型轨控发动机所用的喷注器,对不锈钢环槽多层板进行了扩散钎焊工艺研究。随着焊接温度和保温时间的增加,焊缝与母材间各元素的扩散程度逐渐加深;扩散未完全时焊缝由靠近母材的固溶体和中部的化合物组成,扩散完全时焊缝全部由固溶体组成。中间层内Ni、Si、B向母材扩散,母材内Fe向中间层扩散;Ni、Fe、B扩散速度较快,Si扩散速度较慢;Si和B的含量决定组织形态,Ni的含量影响接头强度。接头抗拉性能与扩散程度成正相关,其极限值已达母材的101%;接头断口形貌最初为准解理完全脆断,随后发展到细韧窝部分塑断,最终呈现为大韧窝完全塑断。对于40μm厚的B—Ni2中间层,最佳焊接温度、保温时间和加载压强分别为1050~1075℃、2 h和0.01~0.02 MPa。最佳工艺参数先后成功应用于模拟件和产品,焊接的某新型发动机已通过试车考核。     

固体火箭发动机药柱点火过程结构可靠性的响应面法

结合响应面法与数值模拟方法,分析了药柱的结构动态可靠度。针对固体火箭发动机药柱有限元分析计算量大的问题,根据少量的试验点设计响应面,同时采用拉丁超立方(LHS)技术提高抽样效率,考虑药柱材料参数的随机性,引入极小化变换方法,计算了固体火箭发动机药柱结构的动态可靠度。结果表明,该方法精度较高、通用性强,能够满足工程应用的要求。