复合固体推进剂脱湿研究进展

复合固体推进剂的"脱湿"是影响固体发动机装药结构完整性的重要因素,其演化行为及失效机理的定量表征一直是国内外研究的重点与难点问题。从"脱湿"的观测及表征方法、理论模型及数值模拟三方面评述了复合固体推进剂"脱湿"的研究现状及进展,指出本领域未来的研究方向和研究重点。分析认为,在观测表征方面,加强高精度实时动态监检测技术手段的开发、解决好定量化表征问题仍是今后"脱湿"机理研究工作的重点;在理论模型方面,应充分考虑不同模式的损伤与失效因素,开展"脱湿"损伤与化学反应耦合理论与模型研究,以及推进剂的动态损伤本构关系研究,以促进"脱湿"表征技术的发展与破坏机制研究;在数值模拟方面,应综合考虑体积分数、颗粒尺寸、形状、排列、界面性能等细观因素,发展基于细观尺度的数值模型与计算方法,进一步提高计算精度与效率。     

固体发动机人工脱粘的二维实验与数值模拟

针对固体火箭发动机前封头人工脱粘缝隙,设计了二维实验装置,用来模拟发动机点火过程中前封头人工脱粘位置受到点火冲击后的应力-应变情况.同时,采用流固耦合的数值方法,对比计算了实验工况,计算得到人工脱粘根部的应力-应变与实验吻合很好.通过数值研究发现,点火初期燃气对人工脱粘部位的冲击,会引起缝隙内部的压强振荡及装药表面的振...     

固体发动机界面结构试件脱粘健康监测研究

以复合材料壳体和绝热层脱粘模型试件为对象,利用粘贴于壳体外表面的压电主动激励传感器,基于高频机电阻抗方法,对模拟药柱/绝热层界面脱粘的结构健康状态监测进行了数值仿真和实验研究,得出了不同脱粘损伤工况下的导纳频谱曲线,计算了能表征脱粘程度的平均绝对偏差损伤指标。结果表明,高频机电阻抗方法可利用粘贴于壳体外表面的压电传感器有效地识别内部结构的界面脱粘,相比于传统检测方法,能实现实时的结构健康监测,损伤指标能量化表征脱粘程度,实验采用的两种压电传感器中,MFC传感器较PZT传感器更适合于曲面固体发动机壳体脱粘检测,为开展实际工况下的固体发动机药柱结构界面脱粘损伤监检测工作提供理论与技术支撑。     

发动机点火过程中压强振荡对人工脱粘的冲击分析

针对固体火箭发动机点火过程,采用流固耦合的方法数值模拟了点火过程中发动机内流场以及药柱人工脱粘附近应力应变的变化情况.计算表明,点火初期发动机内部出现激波,并在药柱通道内振荡传播,随时间减弱为压强振荡.压强波动时人工脱粘缝隙的冲击会影响脱粘缝内流场的分布和应力应变,人工脱粘层尖端应力变化与升压梯度变化存在对应关系.激波对人工脱粘缝隙的冲击会引起装药明显变形,但是不会使缝隙增大.     

固体发动机燃烧流动基础问题与研究建议

针对固体火箭发动机（SRM）的未来发展进行了探讨，提出了多学科协同的发动机总体设计优化技术、发动机精细化设计和性能精确调控技术、发动机虚拟试验与数字孪生技术以及发动机先进试验与测量技术是支撑固体发动机未来发展和应用的重要技术。为了实现固体发动机的细粒度建模、多维度设计和高精度仿真，在燃烧流动领域需要重点关注的基础问题包括：发动机环境下固体推进剂细观燃烧机理和燃烧模型、发动机内凝相运动行为模式及多相流输运规律、发动机非线性燃烧不稳定机理、凝相撞击壁面的行为模式和对壁面的力热作用规律、多相燃烧产物作用下绝热结构失效模式与破坏机理、多相燃烧产物生成与输运过程对能量转换的影响机理。最后提出了相关建议，以期更好地推动固体发动机燃烧流动领域的基础研究，更好地服务于固体发动机技术的未来发展。     

固体火箭发动机药柱结构完整性研究进展

从推进剂及粘接界面力学性能、推进剂及粘接界面失效、发动机药柱及推进剂数值仿真方法、发动机药柱结构试验技术四方面，对药柱结构完整性发展现状进行了全方位多角度的评述，分析了目前固体发动机药柱结构完整性研究所面临的挑战，指出未来应重点发展推进剂和粘接界面力学特性及失效的多尺度表征和测试方法、先进数值仿真方法和发动机药柱结构试验技术，以及开发药柱结构完整性评估一体化平台。     

固体火箭发动机寿命预估方法研究进展

综述了俄、美固体火箭发动机寿命预估的主要方法;梳理了现阶段国内固体火箭发动机寿命预估方法的研究进展,总结了固体火箭发动机寿命预估方法要点("一个判据,两个模型,三个一致"),主要失效模式,药柱、推进剂、粘接界面的失效判据和寿命评估方法;指出了固体火箭发动机寿命预估下一步的工作重点,即在发展固体发动机监检测技术获取寿命评估数据的基础上,研究失效机理、明确失效判据,完善寿命评估模型;之后,从安全使用角度,提出了当前固体火箭发动机寿命预估急需解决的4个问题;最后,对我国固体火箭发动机寿命评估进行了总结和展望。     

固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面细观损伤过程数值模拟研究

为了研究固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面的细观损伤特点,建立了其细观代表性体积单元。针对推进剂内部颗粒夹杂的特点,采用分子动力学方法对其进行了颗粒填充处理。将基于表面粘结损伤的粘性接触算法用于粘接界面推进剂一侧内部颗粒脱湿的模拟,采用最大主应力准则用于模拟粘合剂基体的损伤与失效过程。研究结果表明,数值模拟结果的损伤形貌与试验结果吻合良好,建立的数值模型能较好地反映粘接界面细观损伤过程;对于初始粘接良好的粘接界面,颗粒的脱湿与粘合剂基体的损伤导致了拉伸过程中粘接界面应力应变曲线的非线性;为了提高粘接界面抵抗脱粘的能力,一方面应提高推进剂内部颗粒与粘合剂基体的粘接强度,另一方面颗粒脱湿之后,提高粘合剂基体的最大失效应力。     

基于面绘制的固体火箭发动机装药缺陷预整形方法

研究了固体火箭发动机ICT扫描体数据面绘制的移动立方体算法,得到了由大量三角面片组成的固体火箭发动机三维网格模型。根据固体火箭发动机三维网格模型的特点,研究了切割工具仿真、碰撞检测、路径定义、网格重建和切割分离过程等方法,实现了固体火箭发动机三维网格模型交互切割操作。对标准试验发动机分别进行药柱整形及脱粘部位整形,实现了断面处的三角面片重构。整形结果表明,对于裂纹缺陷可根据裂纹的形态,设定圆球切割工具的直径,进行直接挖除裂纹处理,处理断面较平滑;对于脱粘缺陷表面的预处理,采用圆柱体为切割工具,可获取较平滑的处理结果。     

人工脱粘层制作工艺

论述了固体火箭发动机用人工脱粘层的研制过程，通过试验筛选了三种制作工艺，并采取技术措施完善了二次成型一次硫化工艺，生产状况和发动机试车结果表明所研制的制作工艺具有很高的可靠性。     

ZL104局部阳极氧化工艺研究

研究了铝合金材料阳极氧化理论以及ZL104铝合金材料局部硫酸阳极氧化处理后膜层粘脱现象产生的原因与机理,指出了该现象产生的原因是氧化膜在贮存、水试等环节受到污染而使氧化膜的封孔结构被破坏.根据理论分析和模拟试验结果,提出了局部阳极氧化前增加水封闭处理对氧化膜进行修复的工艺技术.该项技术可有效杜绝氧化膜层粘脱现象.采用该项工艺技术制造的液体火箭发动机已经用于常规运载火箭系统,该运载火箭已经完成飞行任务考核.     

固体火箭发动机冷气冲击瞬态内流场分析

运用高压氮气冲击固体火箭发动机来模拟在发动机点火时产生的高压峰值对药柱及发动机壁面的冲击,测量出发动机头部、中部、尾部的压力分布,对固体火箭发动机冷气冲击试验过程进行模拟。应用(fluent)流体计算软件,对瞬时内流场进行了二维轴对称非定常数值分析。研究结果表明,所模拟的3个测量点压力-时间曲线与试验曲线吻合较好,药柱头部位置及内端面受冲击力较大,易造成结构完整性破坏,进一步证明试验能够较好的模拟真实点火峰压对发动机及药柱造成的影响,为发动机点火设计及试验提供有力的参考。     

温度载荷下伞盘深度与脱粘深度对药柱应变的影响

为了有效降低含伞盘固体火箭发动机药柱在温度载荷下的应变水平,基于三维粘弹性有限元分析方法,利用有限元分析软件MSC.Nastran,对不同伞盘深度和人工脱粘层深度的发动机药柱进行了应力-应变分析。研究结果表明,伞盘深度和脱粘深度对伞盘最大Von Mises应变有较大影响,其中伞盘深度对最大Von Mises应变的影响规律随脱粘深度的不同发生明显改变。所得结论可为固体火箭发动机药柱设计提供有益参考。     

固体推进剂药柱在内压载荷下的应力应变分析

采用有限元法，对含人工脱粘层的某固体火箭发动机药柱进行了线粘弹性分析，研究了在工作内压戴荷下人工脱粘层和材料泊松比对药柱应力应变的影响。分析结果表明，增加人工脱粘层面积可导致药柱头部应力增大。增加泊松比也会加大药柱应力。     

固体火箭发动机封头界面粘接相控阵超声检测技术可行性研究

固体火箭发动机封头部分的界面粘接状态目前还没有有效的检测方法,采用相控阵超声自动电子聚焦技术为该结构的检测提供了新思路.根据声线理论,研究等厚、不等厚壳体的界面粘接相控聚焦检测方式,得出相控聚焦具有较高的检测分辨率,同时也能解决不等厚壳体构件的界面粘接检测;对固体火箭发动机封头构件的粘接状态进行仿真分析,结果显示相控阵超声能很好地检测出构件的脱粘区域和大小,表明该检测方式在界面粘接检测方面具有广泛的应用前景.     

特种结构固体火箭发动机燃烧室随机振动疲劳分析

随机振动下固体火箭发动机的疲劳破坏分析与疲劳寿命准确预测一直是困扰固体发动机设计的难题。通过模态分析、随机振动分析和基于高斯分布的三区间法、Miner疲劳累积损伤理论进行的疲劳计算，仿真分析了一种特种结构固体发动机燃烧室经过随机振动试验后的疲劳破坏规律及影响因素。结果表明，发动机燃烧室在经历径向随机振动激励时，结构响应最大，最大等效应力位于与燃烧室壳体交界附近的装药杯支撑杆上，是发动机燃烧室的最薄弱处;发动机燃烧室存在90、294、411 Hz三个共振频率，设计时要注意避开。极限随机振动试验表明，振动60 s时，燃烧室未发生疲劳破坏，而振动15 min发生了疲劳破坏，这与仿真的结果是吻合的，验证了数值振动模型和疲劳破坏计算方法的有效性，可为预测固体火箭发动机的疲劳破坏和疲劳寿命提供参考和指导。     

用扫频超声法检测H—Ⅱ火箭固体发动机的衬层／推进剂界面脱粘

本文所介绍的扫频超声检测法,既可检测固体发动机壳体/衬层界面,又可检测衬层/推进剂界面的脱粘。这种检测法,已成功地用于生产现场、发射阵地 H-Ⅰ火箭的远地点发动机和第三级发动机的检测.试验结果证明此法还可用于 H-Ⅱ火箭固体发动机的检测.     

固体火箭发动机含裂纹药柱应力场有限元模拟的新方法

针对研究固体火箭发动机药柱出现裂纹前、后药柱内应力/应变场的需要,提出利用奇异单元和生死单元技术模拟含三维裂纹药柱的新方法,并利用该方法对固体火箭发动机三维非贯穿裂纹进行模拟,分析药柱裂纹附近区域应力分布的规律。结果表明,该方法便捷有效,尤其适用于对比研究裂纹、脱粘等药柱缺陷引起的应力释放和应力分布的变化。     

固体火箭尾舱热环境研究

对固体火箭尾舱热环境的组成成分进行了分析，利用理论和数值仿真方法，给出固体火箭沿真实飞行轨道条件下的热环境预示结果，并与地面试验及飞行试验测量结果进行对比。结果表明，固体火箭尾舱热环境存在天地差异，在地面发动机试车状态时，尾舱热环境以喷流辐射热流为主；真实飞行状态时，在发动机喷流和高速来流的相互作用下，火箭尾舱还存在量值更大的对流热流。针对固体火箭尾舱对流热环境提出的线性化热学参数单一介质数值模拟方法可用于固体火箭尾舱热环境设计。     

四院召开界面学术研讨会

航空航天部四院于1992年9月2日在西安召开固体发动机界面学术研讨会,会议由院科技委组织,为时二天。与会同志就界面理论、工艺研究、质量控制以及界面测量技术进行了交流和讨论,共发表学术论文14篇。复合材料固体火箭发动机有多种界面,包括增强纤维/基体界面(相),推进剂/衬层/绝热层/壳体各粘接界面,人工脱粘层粘结面,密封材料与部件接触面等等。界面质量不仅是材料和机械制造的一般问题,更是困扰宇航和导弹发动机研制生产厂家的重要问题。八十年代以来,在造成发射及试验失败的诸多原因之中,界面失效占了相当大的比例。因此抓住界面研究和工艺改进,正是抓住了固体发动机向高质量、高可靠性发展的一个关键。