粉末爆轰发动机的粉末燃料供应特性研究

为研究粉末爆轰发动机的粉末燃料供应特性,通过搭建一套流化仓内气固流动状态可视化的实验系统,采用称重传感器和静态压力传感器对粉末流化质量和流化仓内部压力进行实时监测,并采用电子天平精确测量粉末流化质量,对不同预压压力下粉末流化的时间均匀性,不同活塞速度下粉末流化的空间均匀性、粉末流化的流化能力特性展开分析。结果表明：粉末爆轰发动机的最佳工作时间为流化仓的压力稳定阶段和压力保持阶段;粉末在0.4-2MPa的预压压力下,其流化的时间均匀性几乎不变,且明显优于无预压下的粉末流化;粉末流化在空间上具有一定的均匀性,但其随着活塞速度的增大而逐渐减弱;粉末爆轰发动机燃料供应系统的气固比具有一个临界值,当实际气固比处于临界值以下时,会造成粉末来不及被流化气带走从而在流化仓中进行堆积最终堵塞流化仓;而当实际气固比高于临界值时,粉末流化能力随着活塞速度的增大而增大。     

喷注压降对Al/AP粉末火箭发动机工作特性影响研究

为研究喷注压降对Al/AP粉末火箭发动机工作特性影响,在考虑喷管两相流动损失的情况下,通过理论计算分析了压强、氧燃比对Al/AP粉末火箭发动机比冲、绝热燃烧温度及凝相产物质量分数的影响。以此为基础确定了Al/AP粉末火箭发动机工作参数,搭建了Al/AP粉末火箭发动机试验系统,通过改变流化气质量流率和粉末推进剂储箱出口通流面积的方法研究不同喷注压降下Al/AP粉末火箭发动机的工作特性。结果表明,流化气质量流率大小对Al/AP粉末火箭工作过程存在一定的影响,过小会导致粉末推进剂供给卡顿,过大会导致发动机性能降低。与此同时,Al/AP粉末火箭动机工作过程中存在由粉末推进剂输运时滞导致的燃烧室压力振荡,而通过提高粉末推进的喷注压降可以有效抑制这一振荡。当前技术状态下,由于在Al/AP粉末火箭动机燃烧室设计、粉末推进剂高效喷注和离散等方面存在不足,Al/AP粉末火箭动机的实际性能与理论性能还存在一定偏差,试验中最高燃烧效率为69.79%。     

纳米碳酸盐对复合固体推进剂燃烧性能的影响

研究了纳米碳酸盐对丁羟三组元、丁羟四组元、低燃速NEPE推进剂燃烧性能的影响。结果表明:纳米碳酸盐使丁羟三组元推进剂在高压(10～18MPa)和低压(4～10MPa)段的压强指数降低到0.2以下,同时使燃速明显降低;使丁羟四组元推进剂在高压段(10～18MPa)的压强指数降低到0.26左右;使低燃速NEPE推进剂的的压强指数(4～9MPa)从0.77左右降至0.55以下。从研究结果可以看出,添加该纳米碳酸盐是降低复合推进剂压强指数行之有效的途径。     

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。     

数字全息在固体推进剂铝燃烧三维测量中的应用研究

为获得固体推进剂铝颗粒动态燃烧的精细化过程,将数字全息技术用于固体推进剂铝燃烧三维动态过程测量中,成功地解决了传统光学显微成像法景深过小的问题。搭建了固体推进剂铝燃烧数字全息测量系统,分别在0.1MPa和1.0MPa压强条件下开展了推进剂中铝颗粒燃烧过程的三维测量工作,获得了铝颗粒动态燃烧过程的全息图像。研究结果表明:数字全息技术能够获得不同截面处的颗粒信息,并可跟踪颗粒的动态燃烧过程,准确地获得颗粒粒径信息,真正实现三维动态测量;全息法能够清晰地分辨出动态燃烧过程中十几微米至几百微米量级的铝颗粒,测量误差小于8%;跟踪单一铝颗粒的动态燃烧过程,可获得颗粒粒径、空间分布、粒径分布、燃烧火焰区域、运动速度以及氧化帽的动态生成过程等变化规律。     

硝酸酯增塑聚醚高能推进剂高压燃烧性能研究

实验研究了硝酸酯增塑聚醚高能推进剂高压燃烧性能。通过对PET,PEG和叠氮聚醚三种粘合剂;NG,TEGDN及BTTN三种增塑剂;AP,RDX,Al粉的含量和粒度进行研究,发现推进剂在9～25MPa压强范围内燃速 压强曲线存在拐点,得出了推进剂各主要组成及固体组分的含量和粒度变化时推进剂高压燃烧性能的变化规律:分别以PET,PEG和叠氮聚醚为粘合剂时,推进剂燃速依次升高;含不同增塑剂的推进剂的燃速随增塑剂中硝酸酯基含量的增加而增加;AP含量增加同时RDX含量减小,燃速增大并且压强指数降低;AP粒度减小时,燃速增大,并且超细AP可大幅度增加燃速;Al粒度减小时,燃速先减小后增大,致使推进剂压强指数升高。     

NEPE推进剂燃烧表面铝团聚物动态行为研究

针对NEPE推进剂燃烧表面铝团聚物的动态行为，在1,2,3MPa的N2环境中，对NEPE推进剂中铝团聚物在燃烧表面和脱离燃面后的动态燃烧过程进行了研究，提出了燃面与铝颗粒联合运动的简化理论模型。结果表明，铝颗粒的团聚分为堆积、聚集和团聚三个过程，铝团聚物在燃烧表面以及脱离燃面后均可能发生二次团聚，铝团聚物的二次团聚过程通常会形成大尺寸的铝团聚物。通过燃面与铝颗粒协同运动的简化理论模型，认为铝团聚的团聚时间受到压强、铝颗粒的体积分数和半径的影响。同尺寸铝团聚物的团聚时间随着压强的增大而较小，且在高压环境中的影响程度降低，与理论模型一致。同时压强会影响铝团聚物脱离燃面后的随流运动速率，同一压强条件下，直径越小的初始团聚物随流运动速率越快，直径越大的初始团聚物随流运动速率越慢。     

粉末火箭发动机研究进展

新型粉末火箭是以颗粒形态燃料或氧化剂为主要推进工质,以少量流化气体为输送介质的火箭推进系统,具有推力可调、多脉冲工作的功能和结构简单、环境温度适应性强、工作可靠性高等性能优势,在近地空间开发、深空探测等领域具有深远的研究价值。本文针对粉末火箭发展历史及技术现状进行了概述分析,并以此梳理出粉末推进剂装填与改性、粉末供给输送、粉末喷注与燃烧等主要关键技术,并对包括冷态标定、常压点火以及样机试车等粉末火箭发动机系统研究过程进行了介绍,同时提出了高性能粉末推进剂研究、发动机低压点火、粉末输送分流与多点喷注、发动机系统控制、环境温度适应潜力等是粉末火箭发动机技术的发展方向。通过对粉末火箭发动机研究经验归纳整理,明确了粉末发动机自身工作特点与优势。     

基于数字同轴全息的铝颗粒燃烧粒度分布研究

铝颗粒的团聚效应会对固体推进剂燃烧造成不良影响,产生积渣、两相流损失等问题。为掌握铝颗粒的团聚机理,了解初始铝颗粒尺寸以及压强对铝团聚的影响,以优化推进剂配方及粒度级配,有必要对三维空间内铝颗粒的粒度分布进行研究。为解决传统检测方法的景深问题,采用了数字同轴全息（DIH）技术,并用普通镜头搭配4f透镜组取代长焦显微镜头构建了成像系统。实验一方面对两种具有不同初始粒径的推进剂A和B进行燃烧测量,另一方面对推进剂B分别在0.1,0.2,0.3MPa三种不同压强下的燃烧进行了测量,然后通过全息重建以及图像处理技术得到了燃烧铝颗粒的粒径信息,相对测量误差在9%以内,最后采用Normal和Log-Normal多峰拟合获取了粒度分布的详细参数。对比实验结果发现,常压下铝团聚体的尺寸随着初始铝粉粒径减小而减小;随着压强增大,铝团聚物的尺寸逐渐变小,体积概率密度逐步由双峰分布变为单峰分布,说明压强升高对于铝团聚有抑制作用。     

单轴拉伸下HTPB推进剂细观损伤演化实验研究

为了研究HTPB固体推进剂在单轴拉伸载荷下的细观损伤机理,采用高精度微CT对拉伸过程中的HTPB推进剂进行了扫描实验,获取了不同拉伸应变下推进剂的细观损伤形貌以及孔隙率变化规律,分析了推进剂细观损伤对宏观力学性能的影响。结果表明：初始损伤的存在使得推进剂在受到载荷作用时AP颗粒就开始脱湿,AP颗粒脱湿形成的孔洞是推进剂细观损伤的主要形式。拉伸应变较小时,相对小尺寸AP颗粒而言,大尺寸AP颗粒附近的缺陷更容易发展成孔洞。随着拉伸应变的增大,绝大多数AP颗粒都开始脱湿,在推进剂宏观断裂前,大量AP颗粒脱湿形成的孔洞发生汇合,最终使推进剂断裂。加载过程中推进剂孔隙率随拉伸应变呈指数变化,初始孔隙率为1.8%,60%拉伸应变时孔隙率为19.1%。推进剂宏观力学性能处于线弹性段时,其内部细观损伤依旧在不断增加,当细观损伤累积到一定程度时推进剂的承载能力下降,宏观力学性能进入非线性段;由于AP颗粒仍具有一定的增强作用,且HTPB基体也具备承载能力,所以推进剂的应力随拉伸应变呈缓慢增加的趋势。