含硼富燃料推进剂燃烧表面"沉积层"研究

针对含硼富燃料推进剂低压燃烧时燃烧表面产生“沉积层”的现象,结合该推进剂的燃烧过程,分析了“沉积层”的形成机理,建立了“沉积层”影响燃气流动的数学模型,研究了其对气相火焰高度的影响。结果表明,“沉积层”使气相火焰高度降低,传给燃面的热流密度占气相总热流密度的百分比增大,有更多的气相燃烧产生的热量反馈回燃烧表面,即使含硼富燃料推进剂燃烧过程中气相作用增强,易于在低压下维持稳定燃烧,并具有相对高的燃速和压强指数。这为含硼富燃料推进剂用于冲压发动机提供了有利的理论支持。     

镁粉对含硼富燃料推进剂能量释放特性的影响

为考察辅助金属燃料Mg对含硼富燃料推进剂能量释放特性的影响,采用氧弹量热计分别测定了Mg、Al和Ti的燃烧热,以及相应含硼富燃料推进剂的爆热Qv和燃烧热Hv,计算得出了推进剂在燃烧过程中的三个能量释放效率ηc1、ηc2和ηB。结果表明,Mg通过自身的低耗氧、高放热提高了含硼富燃料推进剂的爆热,进而提高了一次燃烧温度,为硼粉燃烧营造了一个较合适的高温环境,促进了硼粉的燃烧,因而明显提高了含硼富燃料推进剂的ηc1、ηc2和ηB。因此,在含硼富燃料推进剂中,采用B+Mg的主辅燃料组合是较佳选择。     

AP粒度和包覆层对硼燃烧的影响

通过对AP和硼及其混合物进行热分析实验,研究了硼在AP分解过程中参与反应的程度;用氧弹式量热计测试含硼富燃料推进剂的爆热,分析硼在推进剂燃烧过程中的放热。结果表明,对各组分含量相同的含硼富燃料推进剂用AP包覆硼粒子和提高超细AP含量可促使硼在AP分解过程中参与反应,使AP／B(1：1)热分解的放热量增加,提高推进剂的爆热,有利于推进剂中硼的燃烧。     

提高含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧效率的研究

为了解决含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧效率低、实验测试值不能正确表征实际燃烧热值的问题,研究了含硼富燃料推进剂燃烧热值测试过程中试样质量和充氧压强对测试结果的影响,在氧弹安全承载范围内,试样质量越大、充氧压强越大,含硼富燃料推进剂燃烧越完全。使用有机溶剂溶解后挥发的混合方式,将作为助燃剂的自制ZS与加工成20目含硼富燃料推进剂实现紧密结合,经过一系列工艺处理制得试样。根据含硼富燃料推进剂在氧弹内的燃烧特点设计加工了专用钨坩埚,使用改进型氧弹式量热仪对试样进行热值测试。实验结果表明,助燃法测试含硼富燃料推进剂的燃烧热值较为有效,解决了含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧不完全以及测试值不能正确表征理论燃烧热值的问题,具有较高的准确性和可靠性。     

硼粉的包覆及含包覆硼推进剂燃烧残渣成分分析

采用多种包覆剂对硼粉颗粒表面进行包覆,利用透射电镜、酸度计研究各种包覆剂对包覆硼粉的影响,采用化学分析法对含包覆硼推进剂的燃烧残渣成分进行了分析。结果表明,经包覆剂包覆后,在硼粉的表面形成了一层包覆层;包覆后硼粉加水悬浊液体系的pH值明显增大,并适合于含硼富燃料推进剂的制药工艺;包覆后硼粉的燃烧效率明显提高。     

含硼富燃料推进剂低压燃烧模型

针对含硼富燃料推进剂低压燃烧的凝相反应和气相燃烧具有气相反应在燃面上的惰性“沉积层”中进行、气相放热主要由AP与HTPB分解产物的扩散燃烧产生的特点,以BDP模型为基础,建立了含硼富燃料推进剂低压燃烧模型,分析了“沉积层”对气相燃烧的影响。结果分析认为,“沉积层”的存在是含硼富燃料推进剂能在较低压强下维持稳定燃烧,并具有较高燃速和压强指数的主要原因。燃烧模型实质是对BDP模型的拓展,利用该模型定性解释了含硼富燃料推进剂低压下特有的燃烧现象。     

含硼推进剂燃烧性能的改善

综述了改善含硼推进剂燃烧性能的研究状况，包括硼粒子表面包覆，火箭冲压发动机设计的改进，添加新的组分，调整配方以及改进推进剂制造工艺等，这些措施都可以提高含硼推进剂的燃烧性能。     

含硼富燃料推进剂一次燃烧喷射效率影响因素分析

通过燃气发生器法测试含硼富燃料推进剂一次燃烧喷射效率,分析推进剂组分和喷射装置对一次燃烧喷射效率的影响。研究认为推进剂组分调整中,有利于提高推进剂燃速和一次燃烧温度的因素,基本上有利于提高一次燃烧喷射效率;当硼含量为30%时,通过调整推进剂配方,选用非壅塞喷射装置,一次燃烧喷射效率可达97%。     

TGA测试含硼富燃料推进剂发火温度实验研究

采用一定实验条件下的TGA实验,对不同含硼富燃料推进剂发火温度进行测试,以验证方法的可靠性,并在此基础上,研究了初始温度、升温速率、装药量和坩埚等实验条件,以及配方对此方法测定的发火温度的影响。实验结果表明,采用TGA对含硼富燃料推进剂的发火温度进行测试具有较高的精确度,实验结果的通用性也较高;初始温度及升温速率基本不影响此方法测得的推进剂的发火温度;与氩气气氛相比,空气气氛下的含硼富燃料推进剂发火温度降低;在使用高压坩埚的情况下,推进剂的实测发火温度降低;使用HMX代替含硼富燃料推进剂中的AP、使用镁作为金属添加剂,以及增加推进剂中硼粉的含量,都能降低含硼富燃料推进剂的发火温度。     

NEPE推进剂中AP含量及粒度效应实验研究

通过对系统配方的推进剂进行多项实验，较为系统地研究了AP的含量与粒度对HMX型NEPE推进剂燃烧性能直接或间接的影响；依据推进剂燃烧波结构中的凝相机理，暗区理论和火焰性质，全面考察了AP的影响机制；并结合Al粉的存在，探讨了组分间相互作用的可能机理，分析结果表明：AP含量适当的增加与粒度级配可以在一定程度上改善推进剂的燃烧性能。     

固体推进剂燃烧波温度分布测定

采用相对光强度法测定了双基推进剂、复合推进剂及NEPE（氧化剂为HNIW或HMX）推进剂的燃烧火焰温度分布。结果表明,用相对光强度法测得推进剂的最高燃烧火焰温度比热电偶法更接近推进剂的理论燃烧温度,测试压强越高,最高燃烧火焰温度与理论燃烧火焰温度的误差越小。     

偶氮四唑胍对含催化剂的RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响研究

采用浇注工艺制备了GZT部分取代RDX的系列含催化剂的RDX-CMDB推进剂样品。研究了GZT对含催化剂的RDX-CMDB推进剂的燃速、压强指数及燃烧火焰结构等燃烧性能的影响,对比分析了GZT对含催化剂和不含催化剂的RDX-CMDB推进剂燃烧行为影响不同的原因,并采用DSC实验初步研究了含GZT和催化剂的RDX-CMDB推进剂的热行为。结果发现,GZT对推进剂的火焰温度、火焰的暗区厚度、燃面上的亮点数目、燃烧表面对凝聚相的温度梯度等都呈现一定规律性的影响;在1～10 MPa内,GZT使含催化剂的RDX-CMDB推进剂燃速降低,压强指数升高;热行为研究表明,含催化剂的GZT-RDX-CMDB推进剂的DSC曲线上出现了GZT单独分解峰,且DSC的第一分解峰温随GZT的加入而减小。     

纤维素甘油醚硝酸酯在双基推进剂中的应用

纤维素甘油醚硝酸酯NGEC是一种改性硝化棉,以NGEC为粘合剂代替NC,采用传统的无溶剂法制备了NGEC基改性双基推进剂。研究了以NGEC为粘合剂的改性双基推进剂的力学、燃烧和弹道性能及燃烧波结构。结果表明,NGEC具有较好的热塑性,NGEC基改性双基推进剂加工性能优良,其低温-40℃延伸率可达相同配方NC基改性双基推进剂的1.5倍以上,其推进剂弹道性能稳定,燃烧性能和燃烧波结构与NC基推进剂相似。因此,NGEC作为含能粘合剂代替NC,可用于改善改性双基推进剂性能的研究。     

高压强指数NEPE推进剂研究

分析了AP含量、增塑荆含量、催化剂种类、含能粘合剂体系等对NEPE推进剂燃烧性能的影响,找出了提高其燃速压强指数的有效方法.同时,采用DSC、单幅摄影、燃烧波测试等方法,研究了ZH-2催化NEPE推进荆的机理.实验结果表明,NEPE推进剂燃速压强指数提高至0.67,同时在宽压强(1.5～30 MPa)范围内消除了压强指数拐点.     

煤油/氧气同轴离心喷嘴燃烧数值模拟

为了更好地了解同轴离心喷嘴的工作特性,基于DDES模型研究了油气比分别为0.5、1、1.5下以煤油/氧气为推进剂的喷嘴的流体动力学特性与非预混燃烧特征。研究结果表明:由于旋流离心作用,在喷嘴出口轴心处和燃烧室顶部分别存在一个驻定涡和角涡,驻定涡径向分布在0.9 R~1.4 R,轴向尺寸在-1 R~14 R,随着燃料流量增大,驻定涡会向喷嘴内部推进,并且径向尺寸也会扩大。燃烧计算结果表明,随着燃料流量增大,推进剂的掺混拖曳区变长、掺混效果变好;而由于油气比的增加,燃烧室更加富油因此燃烧温度有所下降,同时火焰前锋向喷嘴内移。     

双脉冲发动机点火过程三维数值模拟

以喷射棒式双脉冲发动机燃烧室、级间隔离装置和喷管一体化为研究对象,采用数值仿真技术对Ⅱ脉冲点火过程三维流场特性进行分析研究。计算结果表明,点火初期燃气压力波峰超前于火焰峰到达级间隔离装置,并以压强冲击波形式传播,Ⅱ脉冲燃烧室相对高压区位置不断发生改变;级间孔打开过程对药柱末端压强影响较大,但对Ⅱ脉冲燃烧室压强整体上升过程影响较小;级间孔打开后,燃气经级间孔加速后形成高度欠膨胀射流,并在Ⅰ脉冲燃烧室内形成非对称带状低压区;级间孔分布的非对称性,导致压强及温度在发动机燃烧室中呈现显著的三维分布特性;高温区出现在隔板附近,而在装药前端、装药末端及外围级间孔轴线附近出现低温区。     

用详细化学动力学机理模拟固体推进剂组分燃烧的研究进展

针对未来固体推进剂燃烧模型的发展趋势,综述了近年来国外以详细化学动力学机理为基础建立的固体推进剂燃烧模型,并介绍了相关的理论公式和数值求解方法。模型可计算的燃烧特性参数包括燃速、压强指数、燃速温度系数、物种曲线、温度曲线、表面温度和火焰温度等。目前,模型已涉及到的物质包括硝胺类(RDX,HMX,CL-20,HNF)、叠氮类(GAP,BAMO,AMMO)、硝酸酯类(NG,NC,BTTN,TMETN,DEGDN)和硝酸盐类(ADN,AN)等。模型计算结果表明,预测的燃烧特性值与实验值比较一致,证明该机理可预测先进固体推进剂的燃烧特性和指导配方设计。但目前该类模型的主要局限是凝聚相内化学反应路径和反应速率以及凝聚相初生物种的确定问题。     

含Cs盐的HTPB/AP/Al复合推进剂特性研究

采用高倍率的扫描电镜观察了Cs盐的微观形貌,利用最小自由能法计算了不同含量Cs盐的复合推进剂能量性能并进行了测试,对Cs盐、含Cs盐复合推进剂的安全性能(撞击感度和摩擦感度)进行了评价,并对不同含量Cs盐推进剂的燃烧性能和燃烧火焰结构等性能进行了研究。结果表明,Cs盐的颗粒粒径较大,表面凹凸不平很不规则;含Cs盐复合推进剂的能量随Cs盐质量分数的增加稍有减小,推进剂密度从1.766 g/cm3提高到1.851 g/cm3;相对于AP,Cs盐和含Cs盐复合推进剂的感度均较低,当Cs盐含量为6%时,复合推进剂的机械感度最低,说明Cs盐在复合推进剂中应用是安全可行的;复合推进剂的燃速随Cs盐质量分数的增加而增大,当Cs盐含量为6%时,复合推进剂的压力指数降低幅度最大。