高低温对推进剂装药抗高过载能力影响研究

固体推进剂作为典型的粘弹性材料,其力学行为具有很强的温度依赖性,不同的发射初温下装药抗过载能力存在差异。基于50℃高温和-40℃低温条件下某改性双基(CMDB)推进剂宽应变率下的单轴压缩试验,从材料性能的率相关性角度确立了50℃和-40℃条件下CMDB推进剂的本构模型和强度判据。基于宽应变率的Prony本构模型,对某端燃柱型装药进行有限元分析,通过应力场和应变率场的耦合分析,分别确立了高低温条件下装药最大抗过载幅值。结果表明,该型装药在50℃高温条件下抗过载极限约为16 000g;在-40℃低温条件下的抗过载极限为14 000g。     

加速度载荷下推进剂力学行为研究进展

为探究加速度载荷条件下固体推进剂及装药的力学行为,首先分析了加速度载荷条件下固体推进剂装药力学响应呈材料非线性、几何非线性和边界条件非线性的特点,并从宽泛应变率力学性能试验、线性与非线性粘弹性本构模型、失效准则、结构力学响应、装药检测验证等五方面,对加速度载荷条件下固体推进剂动态力学行为进行了综述。结果表明,完善深化加速度载荷下固体推进剂中应变率力学性能试验及装药检测验证方法,建立考虑温度、应变率、热化学反应的非线性本构模型等是发展抗过载推进剂的关键。在此基础上,梳理了下一步研究的重点,认为加速度载荷下推进剂装药失效机理、多层结构的热化学与力学的耦合仿真、抗过载推进剂装药设计准则等将是下一步的研究重点。     

冲击载荷下CMDB推进剂断裂性能实验研究

高过载冲击载荷下,固体推进剂出现断裂行为是影响箭弹发动机装药结构完整性的重要原因之一。采用霍普金森实验技术(SHPB),对CMDB推进剂进行了冲击断裂实验。运用实验-仿真的方法,将实验数据直接输入仿真模型中,验证了实验条件下试件满足动态平衡前提假设,获得了推进剂的I型动态起裂韧性;利用扫描电镜设备(SEM),对推进剂断面形貌进行了观察和讨论。结果表明,CMDB推进剂动态起裂韧性在60 000~100 000 MPa·m1/2/s加载率范围内表现出明显的线性率敏感特性,并在加载率达到100 000 MPa·m1/2/s后出现极值3.96 MPa·m1/2;CMDB推进剂在高过载条件下表现出明显的脆性起裂特性以及动态起裂韧性存在率敏感性,直接与应力波对基体和AP颗粒损伤程度相关。     

固体发动机药柱完整性失效的判据

固体发动机工作过程中,燃烧室药柱处于三向受压状态下,围压条件对推进剂力学性能有增强。该增强作用在细观结构上表现为延缓推进剂中微裂纹与真空孔穴(脱湿)的出现,并限制其在固体填料周围粘合剂中的扩展;在宏观力学性能上表现为在低温高应变率下推进剂的最大伸长率εm由常压下的较小值增大到接近断裂伸长率εb。通过围压环境对推进剂力学性能的影响分析,提出以推进剂断裂伸长率εb作为药柱在工作内压下的失效判据,并结合某翼柱型装药结构的有限元分析、完整性评估及地面试验,验证了该判据的合理性。     

高过载条件下固体推进剂药柱结构完整性分析计算

采用有限元法对固体火箭发动机药柱在高过载条件下的应力、应变和位移场进行三维线性粘弹性分析，得出了药柱在轴向和横向过载作用下的变形结果，为高加速固体发动机药柱结构设计提供参考。     

复合固体推进剂增材制造技术研究进展

将具有颠覆性的增材制造技术(3D打印技术)应用于复合固体推进剂领域,相比于传统设计和生产工艺,增材制造技术不受装药芯模限制,可设计生产出药型结构复杂、推力可变的药柱,能够大幅缩短工艺周期,提高生产效率和安全性,并有望实现一体化打印成型。综述了国内外增材制造用复合固体推进剂配方设计及药柱性能、增材制造工艺、增材制造系统方面的研究进展。由于复合固体推进剂药浆的粘性和含能特点,目前大部分研究聚焦在材料挤出成型工艺改进及其相应的复合固体推进剂配方调试、打印药柱的性能提升方面。亟需解决大型复杂药柱配方设计、固化时间长、药柱易变形等一系列问题,以实现复合固体推进剂增材制造工程化应用。     

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%。     

HTPB推进剂“脱湿”性能表征及影响因素试验研究

为研究HTPB推进剂的"脱湿"性能,基于气体膨胀计原理研制了复合固体推进剂"脱湿"性能测试装置,并采用该装置开展了配方及应变率对推进剂"脱湿"性能影响的试验研究。采用起始"脱湿"点、特征"脱湿"点和特征"脱湿"速率来表征推进剂的"脱湿"性能,试验结果表明,推进剂的"脱湿"性能具有明显的率相关性,应变率越高,推进剂的起始"脱湿"点和特征"脱湿"点越小,特征"脱湿"速率越大,但是推进剂的内部"脱湿"速率存在一个上限;HTPB推进剂中AP含量对推进剂"脱湿"性能的影响占主导地位,AP含量越高,则推进剂的起始"脱湿"点和特征"脱湿"点越小,特征"脱湿"速率越大。所建立的试验方法和"脱湿"性能表征方法对药柱结构完整性、药柱力学性能预示及可靠性评估均具有重要实用意义。     

固体推进剂药柱强度可靠性蒙特卡罗法数字仿真

使用了一种计算随机载荷下固体推进剂药柱强度可靠性的蒙特卡罗模拟方法，即通过建立固体推进剂药柱的累积损伤模型，采用直接模拟法模拟随机载荷和固体推进剂药柱初始强度来获取推进剂药柱的可靠度。该方法能有效地预测运输、飞行等环境下固体推进剂药柱的强度可靠性。最后，结合实例进行了可靠性数字仿真。     

固体发动机低温点火条件下药柱结构完整性分析

分别采用三维弹性和三维线粘弹性模型,对固体发动机药柱在低温和点火升压2种载荷下的结构完整性进行了计算分析。研究了推进剂弹性模量E、泊松比μ、药柱m数等参数对结构完整性的影响。结果表明,在发动机低温点火条件下,药柱内孔表面是最危险部位;固化降温和点火升压2种载荷引起的最大等效应变在此是相互叠加的;药柱m数对固化降温和点火升压载荷下的应变分布有重要影响。     

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。     

低燃速高固体含量HTPB推进剂

对大型发动机用的低燃速高固体含量HTPB推进剂进行了研制。采用超支化SU-2助剂降低推进剂药浆粘度为提高配方固体含量的方式,优化SU-2助剂含量,研制出固体质量分数89%的推进剂配方。依据抑制AP分解的质子转移机理,分别用高氯酸烷基胺衍生物A1N、草酸铵T29降燃速剂,获取低燃速HTPB推进剂,针对试验得到的推进剂性能数据,分析了单项降燃速剂的推进剂燃烧性能存在不足,提出了选用价廉的高氯酸烷基胺衍生物A1N/草酸铵T29/细AP复配方法,既降低燃速又能降低压强指数。经装药试验验证,获得6.86 MPa燃速5.185 mm/s,3～11 MPa压强指数0.328,密度≥1.80 g/cm3,20℃最大拉伸强度σm≥1.0 MPa,-40℃最大伸长率εm≥61.0%;5 h使用期粘度为2625 Pa·s;综合性能优良的高固体含量低燃速HTPB推进剂。以提高推进剂固体含量增加密度,增大HTPB推进剂比冲的设计方法,可供低燃速HTPB推进剂的发动机借鉴。     

基于体积膨胀的固体推进剂粘弹性泊松比测量方法

基于体积膨胀原理研制了一种固体推进剂粘弹性泊松比测量系统，实现了固体推进剂试件级的粘弹性泊松比实时快捷测量，粘弹性泊松比测量数值的有效位数达到3位，可以为固体发动机精细化设计提供有力支撑。采用该系统开展了应变率及配方对HTPB推进剂粘弹性泊松比的影响规律试验研究。结果表明，HTPB推进剂的粘弹性泊松比随应变增加，呈现非线性降低的特征，且与应变率及配方具有明显的相关性，应变率越大，其粘弹性泊松比下降的越剧烈，也表明其内部的“脱湿”损伤越剧烈，同时配方中的大颗粒AP的含量越高，其内部“脱湿”越容易发生，粘弹性泊松比越容易下降。     

双基固体推进剂药柱非线性蠕变特性实验研究

研究了某双基固体推进剂药柱的非线性蠕变性能。依据固体推进剂药柱试件在不同温度、应力水平条件下的蠕变实验,分析其蠕变行为的非线性特性。实验结果表明,其力学性能与时间、温度、应力强烈相关。构建了参考温度20℃和参考应力5 MPa水平条件下的蠕变柔量主曲线。理论和数值计算表明,较高温度和应力水平下的固体推进剂药柱短期蠕变实验,可用于预测其在较低温度和应力水平下的长期蠕变行为。利用5级Prony级数模拟的蠕变柔量函数与实验叠合主曲线能很好吻合。     

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。     

固体火箭发动机药柱主动段飞行时应力应变分析

为了探讨固体火箭发动机药柱主动段飞行时的形变、应力和应变变化规律,以星形药型发动机为例,采用三维粘弹性有限元法,根据推进剂药柱的燃烧规律,通过计算发动机药柱在整个工作过程中不同烧蚀情况下各构成部分的结构响应,得到了主动段飞行时发动机药柱在不同环境温度、燃气内压与轴向过载联合作用下位移、应力和应变场随时间的变化规律。结果表明,低温点火发射时,内压增压至峰值时为发动机最危险时刻。     

固体发动机低温点火适应性模拟试验技术

考虑影响固体发动机低温点火适应性的推进剂低温力学性能、药柱固化降温应变以及药柱在发动机点火升压条件下应变等3个关键因素,设计了可用于全尺寸发动机低温点火适应性研究的ф202 mm模拟试验发动机。通过选取合适的药柱设计参数和发动机初始压强,可对全尺寸发动机在低温点火下药柱应变状态进行模拟。模拟发动机已成功应用于A、B和C等全尺寸发动机低温-40℃或-50℃点火适应性研究中,获得了各发动机低温点火试车时的结构安全余量,可在类似发动机低温点火适应性研究中推广应用。     

双基固体推进剂的特性研究

在不同温度和应变率下,对双基固体推进剂试件进行了单轴拉伸试验。提出了一种针对双基推进剂屈服值的判断方法,应用一元回归数理统计方法对双基推进剂力学性能数据进行了分析。结果表明,双基推进剂力学性能与温度和应变率具有明显的相关性,在233.15 K下近似为脆性材料,而在288.15 K和323.15 K下呈现明显的塑性流动。针对双基推进剂不同受载情况,提出了与推进剂屈服值相关的强度准则,以便为双基推进剂药柱设计及结构完整性分析奠定基础。     

固体推进剂粘弹性泊松比应变率-温度等效关系

固体推进剂粘弹性泊松比严重影响着药柱结构完整性的分析精度。针对点火增压过程药柱的受力特点,基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法,设计了可测试推进剂粘弹性泊松比的单向定速拉伸试验,研究了温度和拉伸速率对推进剂粘弹性泊松比的影响规律,利用粘弹性材料参数的应变率-温度等效原理,建立了参考温度下推进剂粘弹性泊松比的应变率主曲线。研究表明,推进剂的粘弹性泊松比随温度和拉伸速率的增大而增大,当拉伸速率达到500mm/min时,推进剂泊松比逐渐趋近于某一常值。考虑到发动机点火增压过程,药柱的加载速率一般在0.5 s-1以上,应变率较大,因此可以将推进剂的泊松比取为一常数,但必须考虑发动机的工作温度,选取合适的泊松比。相关方法和结论可为固体发动机结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

优化复合推进剂力学与流变性能的一种新方法

测量与理论分析了复合推进剂的黏性与力学性能。实验研究了固体粒子尺寸分布和粘合剂固化比的影响。应用聚合物流变学的理论与概念来模拟推进剂特性。研究得知,细AP粒子在聚合物基体中起有效的填充剂作用,并增强机体的性能。对所研究的推进剂系列配方,当细AP含量接近20%时推进剂可达到最大应变与浇注中的最佳黏性。