变推力发动机用高压强指数GAP推进剂的燃烧性能研究

为了获得变推力发动机用高压强指数聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂配方,采用靶线法研究了氧化剂的种类、粒径及配比、燃速催化剂的种类及含量、以及增塑比对GAP推进剂静态燃烧性能的影响规律,采用?118标准试验发动机对GAP推进剂进行了动态燃烧性能测试。研究表明,通过综合因素调节获得了一种高压强指数GAP推进剂配方,且当燃速催化剂RC-4含量1%时,GAP推进剂在1～15 MPa范围的动态压强指数高达0.66,满足变推力发动机对推进剂压强指数的要求,同时高压区间(9～15 MPa)的动态压强指数为0.51,低于1～15 MPa的压强指数,这有利于推进剂在高压范围内的稳定燃烧,为变推力发动机在高压范围内的正常工作提供依据。     

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。     

铝粉粒径对高铝含量富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

通过改变铝粉粒径大小制作高铝含量推进剂,在此基础上进行热分析试验、爆热测试以及燃速测试,分析总结了铝粉粒径大小对推进剂一次燃烧性能的影响。推进剂各组分相同时,热分析结果表明,推进剂凝相反应程度相近,铝粉粒径大小对推进剂凝相反应没有明显影响;爆热测试和燃速测试表明,超细铝粉可显著改善推进剂燃烧性能,提高燃速和爆热、降低压强指数,减少燃烧产物结块、改善产物分散性;同时,超细铝粉由于自身小尺寸优势在推进剂的燃烧过程中更多地参与了气相反应,提高了推进剂气相放热量。通过以上实验分析得出,铝粉主要参与推进剂气相反应,铝粉粒径大小对推进剂气相反应影响较大。     

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。     

GAP推进剂的燃烧

为了解高能叠氮聚合物的燃烧速率机理,对GAP(聚叠氮缩水甘油醚)推进剂的燃烧和分解过程作了研究.GAP推进剂的特点是在分子结构中附有-N_3官能团,燃烧试验结果表明:即使单位质量GAP推进剂所含的能量相对较低,GAP推进剂的燃速也较高;而且其燃速很大程度上依赖于初始温度和GAP推进剂中的混合浓度.AGP推进剂的燃速随着单位质量的GAP推进剂中-N_3官能团浓度的增加而增加.从GAP燃烧火焰结构的热分布试验和热化学试验中可发现,燃烧表面放出的热量比由热气流反馈到燃烧表面的热量大得多,GAP的初始分解是由-GH_2-N=N_2分子结构中键断裂生成-C≡N N_2引起的.该分解反应具有高达685kJ/mol的放出热,由此可得,所观察到的高燃速是由燃烧表面的热分解反应引起的.     

机载发动机药柱在温度循环载荷下的力学响应分析

针对机载导弹固体火箭发动机在地面常温贮存和高空低温下挂飞的实际情况,利用ABAQUS有限元软件计算分析了HTPB推进剂药柱在飞机多次起降过程中形成的温度循环载荷下受到的热应变分布,研究了循环次数和挂飞时间对药柱温度场和应变场分布的影响规律,重点分析了药柱内几个特征点的温度和应变随循环次数、挂飞时长的变化,基于以上分析对药柱结构完整性进行了失效评估。结果表明,在挂飞阶段结束时刻,最低温度位于燃烧室外表面,最大应变始终位于药柱内孔;在一定循环次数内,药柱所受热应变随次数的增加有所增大,而挂飞时长的增加会使药柱受到的热应变明显增大,对装药结构影响更加显著。仿真结果对后期进行推进剂试验研究和发动机挂飞工况下的安全设计都具有实际参考意义。     

含CL-20/HMX的GAP高能推进剂老化特性

GAP高能推进剂是固体推进剂的重要发展方向。为掌握该推进剂的老化特性,开展了含CL-20/HMX的GAP高能推进剂高温加速老化试验研究。结果表明,老化过程中推进剂模量显著升高、伸长率快速降低,且密度下降、燃速上升。采用SEM、XRD、凝胶分数、交联密度、HPLC等理化分析方法对推进剂老化特性进行了分析,揭示了CL-20与HMX在硝酸酯中的溶解、重结晶生成CL-20/HMX共晶,是造成GAP高能推进剂该老化特性的主要原因。     

GAP高能推进剂燃速数值模拟

分析了缩水甘油叠氮聚醚(GAP)的热分解特性和燃烧特性,提出了GAP燃烧初期热分解反应的假说,建立了由化学结构特性计算GAP单元推进剂及GAP高能推进剂的燃速公式,并计算了不同配比GAP高燃速推进剂的燃速特征.计算结果与实测值吻合得很好,大部分偏差在±10%以内,且全部误差在±15%以内.这说明所建立的模型基本合理,编制的GAP高能推进剂燃速计算程序基本可行.     

低温等离子体技术应用在固体推进剂包覆领域的探索研究

运用RFD-200型射频单电极低温等离子体表面处理机处理橡胶包覆层和推进剂药片(药柱),采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)、热重(TG)和差式扫描量热法(DSC)分别对橡胶包覆层和推进剂药片(药柱)的表面、组成和热分解性能进行表征;采用万能材料测试机对橡胶包覆层和推进剂药片(药柱)之间的粘结性能进行测试。实验表明,用设备处理后不会影响推进剂和橡胶包覆层本来的性质,但其表面形貌变得较粗糙,使处理后片状样品之间的剥离拉伸强度和最大力分别提高了40%和37.6%,柱状样品的剥离最大力提高了74.4%,残留有效长度大幅增加。因此,处理后样品的粘结强度能够达到传统手工打磨工艺的水平。     

变截面星孔药柱在温度冲击载荷作用下的力学特性

基于热传导方程,时装有变截面星孔药柱的火箭发动机物理模型进行了合理简化,并根据推进剂材料的粘弹性本构关系,结合热流变简单材料的特性,对其受温度冲击栽荷的情况进行了数值计算,得到温度冲击载荷作用下药柱的实时温度场及应力.应变特性,分析了星尖处的应力随时间的变化及在药柱长度方向上的变化规律,得到药柱肉厚及温度冲击都会对应力...     

复合固体推进剂的尺寸效应和性能分布

本文综述了大型复合推进剂药柱的尺寸效应和性能分布。介绍了国内外关于药柱尺寸、混合机容量、混合机型式、液体组分迁移现象对燃速及力学性能的影响。     

固体组分含量对GAP/CL-20推进剂燃烧性能的影响

利用水下声发射法测试静态燃速、线性回归法计算燃速压强指数,研究了GAP/CL-20高能固体推进剂中的固含量,固体组分AP/CL-20、CL-20/Al、Al/AP相对含量等配方组成因素对其燃烧性能的影响。结果表明,固含量在一定范围内升高,使燃速和燃速压强指数均升高;AP/CL-20中AP、CL-20/Al中CL-20含量的增加,均使燃速升高,而燃速压强指数下降;Al/AP中Al含量的增加,使推进剂的燃速下降,而燃速压强指数升高。最后,对GAP/CL-20高能固体推进剂燃速的主导机制进行了简单分析。     

界面损伤对复合固体推进剂黏弹性本构关系的影响

基于Eshelby-Mori-Tanaka细观力学理论及Weilbull统计学方程,建立了含界面损伤的复合固体推进剂黏弹性本构关系,研究了均匀开裂、环向开裂和顶部与底部开裂3种界面损伤模式对推进剂黏弹性本构关系的影响。数值分析结果表明:界面损伤对推进剂黏弹性本构关系影响显著,使其呈现明显的非线性黏弹性;不同界面损伤模式对推进剂黏弹性本构关系影响程度各异。     

复合固体丁羟推进剂药柱表面防湿涂层研制

介绍了一种丁羟推进剂药柱表面防湿保护涂层,它可以涂敷在药柱表面形成一层薄膜,其透湿系数小于3.0×10~(-13)g·cm/(m~2·s·Pa),能有效阻止湿气扩散到推进剂内部,这种保护涂层有效地降低了湿气对推进剂性能的影响,延缓推进剂的老化,而对推进剂点火性能无明显影响。     

叠氮增塑剂与粘合剂的相容性

叠氮增塑剂由于有正的生成热、密度高、成气性好,可作为复合固体推进剂的含能增塑剂,与缩水甘油叠氮基聚合物(GAP)一样,加入推进剂中可以组成叠氮复合固体推进剂。本文对聚(叠氮环氧丙烷)二硝酸酯(AZP-2)和端叠氮基聚(叠氮环氧丙烷)(AZP-3)与多种粘合剂做了相客性研究。在80℃下的热失重试验结果表明,含叠氮基(-N_3)的增塑剂对含烯键合剂和含氰基粘合剂化学不相容;粘合剂中的羧基对叠氮基分解有催化作用。这些结果为叠氮推进剂配方设计和研制提供了重要依据。     

由应力松弛试验数据确定松弛模量和蠕变柔量

用粘弹性有限元法计算药柱应力需要给出推进剂的松弛模量和蠕变柔量的Ｐｒｏｎｇ级精有达式，利用应力松弛模量的Ｐｒｏｎｇ级数模式，通过最小二乘法对由试验求得的应力松弛模量－时间曲线进行拟合，求出松弛模量的Ｐｒｏｎｇ级数中系数和指数，再利用蠕变柔量与松弛模量的关系式，求得蠕变柔量的Ｐｒｏｎｇ级数中的系数和指数，以此计算药柱的应力。     

GAP/CL-20高能推进剂燃烧性能调节研究

采用水下声发射法测试了聚叠氮缩水甘油醚(GAP)/六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)高能推进剂燃速,使用最小二乘法计算燃速压强指数,开展了GAP/CL-20高能推进剂燃烧性能调节研究.结果表明,减小CL-20粒度、增大AP粒度、使用增塑剂Bu-NENA(丁基硝氧乙基硝胺)部分取代硝酸酯增塑剂等途径,均可降低GAP/CL...     

丁羟推进剂定载破坏试验探索研究

研究了丁羟推进剂在定载荷下断裂所需时间与推进剂本身抗拉强度的关系，并且给出了环境温度和湿度，试件大小，形状和制作方法对推进剂断裂所需时间的影响，为固体火箭发动机药柱设计提供了参考数据。     

复合固体推进剂直写式3D打印工艺及其性能

开展了高固含量含能材料——复合固体推进剂的增材制造技术研究,开发出气动直写式增材制造打印系统,研制了相应的光固化三组元推进剂配方。同时,通过感度测试表明该光固化推进剂配方与普通热固化三组元配方危险等级相当,可以实现较安全打印。通过打印工艺参数的调节等大量试验研究,确定了打印头直径为1.5～2 mm,打印头直径越大精度越低,并获得了不同形状固含量75%和80%的推进剂药柱,进一步热固化后测试其抗拉强度分别为0.68、0.61 MPa,最大伸长率为31%、30%,密度为1.60、1.63 g/cm~3,6.68 MPa下的静态燃速为5.10、8.81 mm/s。随后,采用固含量80%的推进剂配方打印了?127 mm试验发动机药柱,成功实现地面点火,测得发动机的平均动态燃速为r=9.034 mm/s,平均压强为p_(tb)=6.112 MPa。     

低温状态点火瞬间固体发动机药柱结构响应分析

采用线粘弹性模型,针对固体发动机低温状态点火瞬间的推进剂相关力学特性对固体发动机药柱进行了低温状态点火瞬间的结构响应分析。点火瞬间的推进剂模量变化不大,对药柱的结构响应影响较小;而推进剂在不同状态下其泊松比并非一定值:低温状态下推进剂泊松比的值较小,点火升压下推进剂泊松比迅速增大至接近0.5,推进剂泊松比的微小变化对药柱的结构响应有很大影响。分别计算分析了低温状态点火瞬间推进剂泊松比为定值时与推进剂泊松比为非定值时的药柱结构响应仿真结果。分析结果表明,低温状态点火瞬间的药柱应变呈不断增高而应变率则逐渐降低;计算得圆管型模拟发动机的安全系数为1.48,这比推进剂泊松比为定值时计算得到的安全系数的值减小了13.5%。