NEPE推进剂破片冲击数值模拟研究

为研究NEPE推进剂破片冲击响应特性,利用有限元动力学软件对NEPE推进剂受破片冲击的动力过程进行数值模拟,并进行试验验证。分析不同规格破片冲击起爆NEPE推进剂的情况,计算其临界起爆速度。结果表明,随着破片速度增加,NEPE推进剂受冲击响应情况有所不同,即破片速度在0～1121 m/s时,推进剂不发生反应; 1121～1247 m/s推进剂开始发生反应; 1247～2508 m/s推进剂响应情况由快速反应转为爆轰;破片速度大于2508 m/s时,破片直接引爆推进剂;破片质量和体积的增加都会使推进剂临界起爆速度减小,但影响程度递减;圆柱形和立方体破片冲击推进剂的临界起爆速度相近,都小于球形破片;钨合金破片和钢破片的临界起爆速度与破片质量和体积有关,但都小于铝合金破片。文中采用的破片冲击数值模拟研究方法可有效解决NEPE推进剂破片冲击特性研究的难题。     

固体推进剂爆轰感度影响因素研究

卡片试验是考察固体推进剂爆轰感度的重要试验项目。首先对卡片试验的输入冲击波压力进行了标定,然后开展了不同种类固体推进剂的爆轰感度试验,考察了固体推进剂种类、固体含量、Al含量和RDX含量对其爆轰感度的影响。结果表明,卡片试验的输入冲击波压力为7 GPa;固体推进剂的种类及配方组成是影响爆轰感度的主要因素;丁羟三组元推进剂、富燃料推进剂和燃气发生剂不具有爆轰感度;在HTPB四组元固体推进剂中,固体含量和Al含量对爆轰感度影响不大,RDX是影响爆轰感度的主要因素,RDX含量越高,爆轰感度越低,临界RDX含量为11.5%。     

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。     

硝胶复合推进剂的感度

本试验主要是用卡片间隙测试法测硝胺复合推进剂的冲击起爆感度。文章还研究了HMX含量、HMX粒度与推进剂起爆所必须的临界冲击波压力、临界直径之间的关系,以及推进剂的空隙度对起爆感度的影响。从这些实验结果来看,可以认为向硝胺推进剂中添加的HMX量若在10％左右,那么在安全性方面是没有问题的。     

NEPE推进剂发动机振动安全性试验研究

为了评估NEPE推进剂全尺寸发动机在经受弹射和飞行振动载荷下的安全性,在不同试验条件下进行了NEPE推进剂165 mm发动机的振动试验。理论分析认为,NEPE推进剂全尺寸发动机在振动条件下因药柱温度升高及静电积聚而发生危险的可能性很小,通过相关试验验证了该结论,说明采用NEPE推进剂165 mm发动机进行全尺寸发动机振动安全性评估可行。     

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。     

高氯酸铵／硝胺推进剂冲击感度研究

对高氯酸铵/硝胺推进剂冲击感度的研究结果表明,在丁羟推进剂中加入黑索今(RDX),可使其冲击感度增大,但RDX加入量增大,则其冲击感度增大的幅度却逐渐下降。研究还表明铝粉对推进剂的冲击感度也有影响。     

环境压强对NEPE推进剂单向拉伸力学行为的影响

采用单向拉伸实验,研究了不同温度、不同拉速、不同环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响。结果表明,环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响存在一个阈值,超过该阈值后,环境压强对最大强度的影响不大,对最大伸长率无明显影响规律。同时,采用双剪强度理论,建立了NEPE推进剂最大剪应力强度与环境压强的关系。结果表明,两者呈现较好的线性关系,根据关系式得出,在低温下推进剂最大剪应力强度对环境压强更敏感,并对该关系式的其他应用进行了简要分析。采用SEM法观测结果表明,环境压强主要在抑制颗粒脱湿、降低空穴方面有较强作用。     

热塑性聚氨酯弹性体包覆CL-20及对NEPE推进剂性能影响

采用热塑性聚氨酯弹性体,通过水-溶液悬浮法将其包覆于六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20),并对包覆后的CL-20分别进行了XPS、SEM、撞击感度和表面能测试;研究了弹性体包覆CL-20对含CL-20的NEPE推进剂常温力学性能、燃烧性能的影响.研究表明,热塑性弹性体能有效包覆CL-20,在大幅度提高含CL-20的NEPE推进剂常温力学性能并改善"脱湿"的同时,改善高能低特征信号配方燃烧性能,σm最大提高了47%,εm最大提高了184%;燃速压强指数n降低了12%.     

NEPE推进剂力学性能的统计特性及贮存老化的影响

固体推进剂力学性能是决定固体推进剂药柱可靠性的关键性能。为准确评估贮存寿命和可靠性,需要掌握固体推进剂力学性能的分布规律以及贮存老化的影响。研究了NEPE推进剂老化过程中抗拉强度、初始模量、最大伸长率和断裂伸长率等力学性能参量的统计分布特性,以及加速老化过程中统计参数的变化规律。研究结果表明:同一老化状态和测试条件下,NEPE推进剂单向拉伸力学性能参量测试值呈正态分布;不同老化状态的力学性能变异系数与老化时间、温度无关,呈正态分布。将不同老化温度、老化时间的力学性能变异系数作为来自同一总体样本的随机变量,求出了NEPE推进剂抗拉强度、最大伸长率、初始模量和脱湿因子的变异系数的99%置信上限,作为固体推进剂药柱贮存可靠性评估的基础数据。     

基于环境压强下NEPE固体推进剂双剪强度准则

基于双剪强度理论和已有的NEPE固体推进剂强度试验资料,提出了一个NEPE固体推进剂双剪强度准则的推广形式,探讨了该双剪强度准则相关参数的选取问题,验证了该双剪强度准则的合理性。研究表明,多轴应力状态下NEPE固体推进剂强度与应力相关,八面体剪应力随平均主应力的增加呈非线性增加;NEPE推进剂的破坏强度随拉伸速率的增加而提高。     

NEPE推进剂主要组分催化分解的研究

应用原位红外光谱仪研究了NEPE推进剂主要组分HMX、AP、NG及聚醚胶在升温至爆燃过程中,凝聚相红外光谱的变化。并研究了对NEPE推进剂提高燃速明显的YB2-450和降低压强指数效果较好的B2Pb两种催化剂对上述分解过程红外谱图的影响。发现B2Pb主要催化了HMX的分解,YB2-450主要催化了NG的分解,YB2-450还可在高温下加速AP的分解。这些结果为解释NEPE推进剂的燃烧特性提供了一定的试验依据。     

NEPE固体推进剂动态力学性能的研究

利用傅立叶红外光谱仪及扭辫法研究了不同粘合剂系统中异氰酯活性基团与羟基基团的当量比值，扩链剂以及预聚时间对ＮＥＰＥ固体推剂的次级转变温度、等参量的影响。研究结果对该类推进剂配设计和工艺参量选择提供了必要的实验依据。     

高能固体火箭发动机爆炸冲击波毁伤效应研究

采用解析计算法,计算了NEPE高能复合固体推进剂的爆速和爆压。通过对冲击波超压进行计算,确定了超压与距离的关系,并与试验结果进行了对比。通过研究冲击波在空气中的衰减情况,确定出推进剂爆炸后的安全范围。研究结果表明,在无掩蔽的情况下,高能固体火箭发动机爆炸冲击波超压对人员有杀伤作用的距离为82 m,爆炸后人员的安全距离为120 m。     

固体推进剂综合感度模糊评价法

利用模糊数学方法,建立了固体推进剂综合感度评价的模糊数学模型,并用于NEPE推进剂的综合感度评价。应用结果表明,根据固体推进剂在不同生产工艺过程中各项感度值不同的特点,通过赋予不同的权重系数,消除了传统几何均值感度的片面性;无量纲化处理消除了各项感度之间量纲的不同;等级参数处理使固体推进剂综合感度值数字化,从而可以准确、直观地反应出固体推进剂的危险度。     

高能固体推进剂燃烧转爆轰的数值模拟

利用一维两相反应流模型,建立了NEPE高能推进剂在颗粒床中燃烧转爆轰的控制方程和辅助方程,用M ac-Corm ack差分格式进行数值求解,并与实验值进行了比较。结果表明,数值预测与试验结果有较好的一致性,在DDT的各个阶段,颗粒床都存在不同程度的动态压缩,压缩波和燃烧波的相互作用是NEPE推进剂燃烧向爆轰转变的内在原因。     

甲烷-乙烷混合推进剂深度过冷技术的实验研究

针对甲烷采用液氮过冷可能发生甲烷冰堵风险,提出了在甲烷中添加乙烷,制备凝固温度更低的甲烷-乙烷混合推进剂的新方案,搭建实验系统测试了甲烷-乙烷凝固温度变化规律。研究发现,随着甲烷含量提高,混合推进剂凝固温度先降低后升高。当甲烷、乙烷比例为0.71∶0.29时,混合推进剂达到最低凝固温度,约73.0 K。当采用常压饱和液氮对混合推进剂过冷时,控制甲烷含量在0.52~0.81间可避免推进剂冻结。相较于常压饱和甲烷,防冻结区的混合推进剂密度提高了24.0%~38.4%,液相存在温区增大至35.7 K~40.5 K。此外,甲烷-乙烷混合推进剂具有理论比冲高、再生冷却性能佳、结焦与积碳小等优势。所提出的甲烷-乙烷混合推进剂在火星探测等任务中具有可观的应用前景。     

复合燃速调节剂对NEPE推进剂高压燃烧性能的影响

利用DSC-TG联用和燃速测试等方法,从降低CMDB推进剂和AP类复合推进剂压强指数的燃速调节剂中,筛选出了纳米PbO、QC、C及SEA、Fe2O3、Co3O4等燃速调节剂,并考察了这些燃速调节剂对NEPE推进剂燃烧性能的影响。通过分析两类燃速调节剂发挥作用的主要压强区间及其对推进剂燃速的影响趋势,对两类燃速调节剂进行了复配研究。试验结果表明,复合调节剂ZH-2(由纳米过渡金属氧化物、铅/铜盐等复配而成)使NEPE推进剂高压(10~25 MPa)燃速压强指数由0.78降低至0.62,而且在宽压强范围内消除了压强指数的拐点。     

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.