AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧模型及数值分析

为了研究AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧与流动特性,建立了二维三明治结构的稳态燃烧模型。该模型考虑了气相火焰热反馈与固相组分热传导之间的耦合,通过对气相求解完整的N-S方程组,获得了AP/HTPB的燃速与微尺度燃烧场各物理量的分布特性。结果表明,随着环境压力升高,燃烧火焰由预混结构逐渐发展为扩散结构;压力越高,火焰热释放及其对燃面的热反馈越强,燃面的温度与燃速越高,燃速的计算结果与实验结果吻合较好;AP/HTPB交界点附近气体组分发生强烈的扩散反应,侧向速度对燃烧与流动有显著影响。      

激光辐射下AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性数值模拟

为了研究激光辐射对AP/HTPB复合推进剂低压燃烧的作用机理，建立二维三明治稳态燃烧模型进行数值仿真研究。针对激光辐射强度1.4W/mm²，压强30～90kPa的工况下推进剂的燃烧进行仿真计算，并与130～160kPa压强下自持燃烧的仿真结果进行差异分析。结果表明，激光助燃工况下，仿真计算所得燃速与实验基本一致，最大误差不超过4.2%。在激光助燃和自持燃烧工况下，组分扩散速度快，气相火焰均为预混结构。激光助燃工况下，激光辐射的能量使得近燃面处的反应比较充分，初扩散反应在气相反应中占主导地位，气相火焰高温区域离燃面近；自持燃烧工况下，AP预混反应和初扩散反应共同主导气相反应过程，气相火焰温度在垂直于燃面方向上增长缓慢且高温区域离燃面远。激光助燃比自持燃烧时的压强指数低，推进剂燃烧对压强的敏感性较弱。     

细粒度AP的改性双基推进剂燃速预示模型

在一维气相稳态反应流模型的基础上,讨论了细粒度AP对改性双基(CMDB)推进剂燃速的影响,引入工艺粒度d*s,修正了AP对燃烧表面结构影响因子fAP和分解影响因子gAP,建立了适用于细粒度AP的CMDB推进剂燃速预示模型,该模型可从推进剂化学结构参数出发,定量计算AP-Al-CMDB推进剂的燃速。结果表明:在压强9.8～19.6MPa条件下,不同AP粒度和含量下的燃速计算结果和实验结果吻合较好,大部分误差在5.0%,检验了模型的可靠性,对推进剂配方研制具有较好的指导意义。     

固液火箭发动机工作过程三维数值仿真

根据固体燃料壁面与气相间的流固耦合得出了固体燃料燃速模型,对采用星形装药的H₂O₂/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)固液火箭发动机进行了燃烧流动三维数值仿真,得到了流场参数的分布及不同位置的固体燃料燃速,与二维轴对称仿真结果进行了对比.计算结果表明:装药截面的火焰层形状与装药星孔型面形状相似,但火焰层厚度与位置在星根与星角处存在差异;随着轴向位置的增加,氧化剂不断消耗,火焰层向通道中心移动;固体燃料燃速与氧化剂流率及不同装药位置有关,其大小随氧化剂流率的增加而增加,星根处燃速比星角处大;在相同氧化剂流率下,三维星形装药比二维轴对称装药的平均固体燃料燃速大.      

固体推进剂瞬态燃烧模型及其在液体喷射熄火研究中的应用

本文提出了一种固体推进剂瞬态燃烧模型。它考虑了凝相分布化学反应和辐射热流的深层吸收。以及燃面上的能量损失 ;在气相发展了空间分布厚火焰模型以求得有蒸汽掺混情况下的火焰热反馈。运用该模型能统一揭示快速降压、降热辐射和液体喷射等多种外界扰动下 ,推进剂的瞬变燃烧行为和熄火所需的临界参数。对液体喷射工况下进行的理论预示与实验结果相一致。     

电控固体推进剂热分解和燃烧性能研究

针对能实现多次启动和推力可控的固体火箭发动机需求,研究了成型过程快、钝感、电控性能好和贮存稳定的离子盐电控固体推进剂(ECSP)热分解和燃烧性能。采用同步热分析仪(TGDSC)、钨铼微热电偶、单幅照相技术和扫描电镜-能谱仪,研究了ECSP的热分解特性、燃烧波温度分布、熄火表面形貌以及元素分布。结果表明:ECSP的热分解过程中依次发生PVA分解反应、PVA分解产物与LiClO4强烈相互作用,其中小组分添加剂加快了PVA分解;其燃烧区域分为预热区、凝相反应区、气相反应区;电点火到稳态燃烧过程为:通入电流加热推进剂,ECSP开始点火,释放出大量的热和可燃性气体,产生初步火焰;热解产生的气相产物在气相区域进一步燃烧,同时大量熔岩状明亮颗粒在热分解气流作用下从燃面逸出,在气相区域燃烧并发出明亮的光。本文提出了ECSP的燃烧过程,为该类推进剂燃烧物理模型奠定基础。     

固体微推力器点火过程数值研究

为研究点火元器件加热区域受限下固体微推力器的局部点火过程,通过数值模拟手段,基于流固耦合传热模型和局部网格重构技术建立了推力器局部点火模型,研究了常压环境下的固体微推力器点火过程,分析了点火过程中推力器内燃气的流动和传热特性,并结合仿真所得推力-时间曲线与全表面点火模型和Jongkwang Lee提出的局部点火模型进行了对比。仿真结果表明,随着推进剂产生燃气往未燃推进剂表面的热反馈,推进剂燃面逐渐扩大。点火过程中喷喉燃气流速未达到声速,外界反压使微喷管内产生逆压梯度,导致喷管扩张段内出现边界层分离。由于喷管扩张段后部逆压梯度随时间增大,喷管扩张段后部回流相应加剧,从而增强了壁面表面的对流换热和燃气主流的动能耗散。模型的推力上升趋势与实际情况更加吻合。     

含高氮化合物BTATz的CMDB推进剂特性

以新型高氮化合物3,6-双(1-氢-1,2,3,4-四唑-5-氨基)-1,2,4,5-四嗪(BTATz)取代RDX制得了BTATz-CMDB推进剂试样,获得了燃速结果,并利用TG-DTG,PDSC,单幅照相、燃烧波温度分布和熄火表面形貌及元素含量测试技术对推进剂的热分解特性及燃烧特性进行了系统研究。结果发现,BTATz的氧平衡值较低,用其取代双基推进剂中的NC和NG后,推进剂的各能量特性参量出现不同程度的降低,因此,BTATz在推进剂中的含量不宜太高。BTATz-CMDB推进剂适用于常规无溶剂成型工艺进行制造;BTATz在燃速提升方面具有突出潜力,尤其在对推进剂主放热反应催化加速的催化体系(邻苯二甲酸铅、己二酸铜和炭黑的混合物)作用下,燃速提升效果更加明显;BTATz-CMDB推进剂燃烧时的火焰符合双基系推进剂火焰的一般特征,但由于BTATz不存在类似RDX那样的熔融过程,该类推进剂燃烧产生了发散火焰束,燃烧表面由熔融状变为疏松珊瑚状,火焰强度增强;随着压强升高,燃烧表面产生发散火焰束的活性点增多,暗区迅速变薄,增加了火焰区向燃烧表面的热反馈,加速了燃烧反应;催化体系对推进剂燃烧反应的气相区影响不大,它加强了凝聚相及表面附近的放热反应,改变了推进剂燃烧表面的结构,在推进剂燃烧过程中,催化剂(新生态)在推进剂的燃烧表面富集,催化了推进剂的分解和燃烧,促进了推进剂燃速的提高。     

AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性数值研究

为研究AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性,使用二维三明治模型进行了数值仿真研究。该模型使用简化的四步总包反应机理,考虑燃烧过程中的燃面退移,计算时大粒径AP取平均粒径,小粒径AP采用“均质黏合剂假设”,认为其与HTPB组成“均质黏合剂”。在0.02MPa-0.08MPa的压强下进行了仿真,并与高压（5MPa）下的燃烧仿真进行对比。结果表明,低压下固相AP对黏合剂的传热导致了交界面处燃面的下陷,下陷程度随压强减小而增大;随着燃烧的进行燃面各点燃速趋于一致,燃面形状不再改变。低压下气相反应表现为预混燃烧,初焰为主导反应。低压下燃速仿真与实验值基本一致,压强指数小于高压下的压强指数。     

氧化剂含量和粒度对NEPE推进剂燃速影响的模型化

以高能固体推进剂热分解特性和燃烧模型的研究成果为基础,建立了由化学结构参数计算NEPE推进剂的燃速和压强指数的公式,计算了氧化剂组分含量和粒度对燃烧性能的影响。经验证,计算结果与实测燃速值的偏差全部在±20%以内,其中80%的偏差在±10%以内。这说明所建立的模型基本合理,编制的NEPE类推进剂燃速计算程序基本可行。