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。     

降速剂对低燃速NEPE推进剂高压燃烧性能的影响

添加降速剂和调节RDX/AP含量是调节NEPE推进剂燃速的两种常用途径。采用水下声发射燃速测试仪、密闭燃烧器、BSF φ75 mm发动机等测试方法,研究了低燃速NEPE推进剂静态高压燃烧性能规律和发动机动态高压燃烧稳定性。研究发现,NEPE推进剂的中低压区燃速随着降速剂含量增大而显著降低,高压区燃速降低幅度相对较小,燃速-压强(r-p)曲线在15 MPa和45 MPa出现两个拐点,而且降低RDX含量对降低高压段燃速作用显著。BSF φ75 mm发动机试车结果表明,低RDX含量的C1配方(28%)最大工作压强不超过20 MPa,而高RDX含量(38%)的C4配方最大工作压强达到30 MPa。发动机稳定燃烧的最大压强随NEPE推进剂的燃速降低而下降,主要原因是低燃速推进剂铝粉燃烧效率降低使凝聚相燃烧产物含量和粒度增大。     

基于BDP模型的AP/HTPB推进剂燃速参数敏感性分析

稳态和非稳态燃烧模型对于研究AP/HTPB复合推进剂中低频下的压强耦合特性问题是十分重要的,可信的稳态计算结果是非稳态计算的前提。在应用稳态燃烧模型对推进剂的燃速进行计算时,参数值的选取对计算结果具有很大的影响。针对AP/HTPB复合推进剂燃烧特性,在BDP多火焰结构理论的基础上,采用了AP/HTPB复合推进剂稳态燃烧模型,并对模型进行了数值计算,研究了AP和HTPB的指前因子和活化能及δ参数对推进剂燃速的影响。计算结果表明,AP活化能Es,ap的取值对推进剂燃速结果影响较大,在高压下更为敏感;HTPB的指前因子As,b对燃速几乎没有影响,其活化能Es,b对燃速影响较小,高压条件下,影响作用略微增强;参数δ值的选取对计算燃速值影响很大。     

新型降速剂对聚醚推进剂燃烧性能的影响

为了进一步降低聚醚推进剂燃烧速度,采用TG/DTA法分析了新型降速剂对推进剂主要组分(粘合剂、增塑剂、氧化剂)热分解行为的影响,并考察了降速剂在聚醚推进剂中的应用效果,研究了降速剂粒径、含量对推进剂燃烧性能的影响。研究表明:新型降速剂可以抑制PET、AP的热分解,使PET分解温度提高约40℃,使AP低温分解提高约30℃,使高温分解提高约15℃;新型降速剂在聚醚推进剂中降速效果明显,当用量为2%,压强为7 MPa下静态燃速由8.73 mm/s降低至6.26 mm/s,降幅为28.3%,动态燃速由10.85 mm/s降低至8.59mm/s,降幅为20.8%,效果优于碳酸钙、草酰胺等常用降速剂;提高降速剂含量、减小粒径,均有利于提高降速效果,但对降低压强指数没有作用。该降速方法可以推广到其他推进剂体系中。     

二茂铁功能化SBA-15的制备及其对AP／HTPB固体复合推进剂燃烧催化作用研究

二茂铁(Fc)及其衍生物是AP/HTPB固体复合推进剂的有效燃速催化剂,但在推进剂中的迁移始终是其应用的最大障碍。将二茂铁通过缩合反应接枝到介孔材料SBA-15的表面,制备了一种低迁移催化剂Fc-SBA-15。X射线衍射和N2吸附-脱附实验表明,Fc均匀致密地固定在了SBA-15的内外表面,Fc的负载没有对SBA-15的介孔结构造成破坏。改进的迁移性实验表明,制备的Fc-SBA-15复合材料是一种低迁移的催化剂。Fc-SBA-15对AP的热分解与AP/HTPB推进剂的燃烧具有较好的催化效果,添加2%的Fc-SBA-15使AP的高温热分解峰温度降低64℃,使AP/HTPB固体复合推进剂的燃速提高43%,压强指数下降30%。     

碳硼烷衍生物在高燃速丁羟固体推进剂中的应用研究

针对高燃速推进剂的发展需求,筛选出一种成本较低的二茂铁型碳硼烷衍生物TPT-01,研究了其作为燃速催化剂对高燃速丁羟(HTPB)固体推进剂工艺性能、燃烧性能、安全性能的影响及迁移性情况。结果表明,添加6%TPT-01的HTPB推进剂药浆粘度较低,工艺性能良好;HTPB推进剂药浆及成品药安全性能良好;HTPB推进剂6.86 MPa下燃速由24.2 mm/s提高至49.6 mm/s, 6.86～15 MPa的静态燃速压强指数为0.330;此外,TPT-01在HTPB推进剂中的迁移性低于辛基二茂铁,有利于HTPB推进剂的燃烧稳定性和界面粘接性能;相较于辛基二茂铁和正己基碳硼烷NHC物理掺混使用,TPT-01是一种效果更好的燃速催化剂。     

硝胺对低燃速丁羟推进剂能量与燃速的影响

从推进剂的能量特性和燃烧性能的角度探索了硝胺（RDX、HMX）在低燃速丁羟推进剂应用的可能性，结果表明：保持固体含量和铝粉含量恒定时，在推进剂中加入一定量的硝胺部分取代AP，可以提高低燃速丁羟推进 理论比冲和显著降低推进剂的燃速压强指数，但加入RDX、HMX降低丁羟推进剂燃速的幅度非常小。     

适应高压燃烧的HTPB/AP/Al推进剂用钙盐降速剂研究

研究了碳酸钙(CaCO_3)和一种自制钙盐(CaOr)对HTPB/AP/Al推进剂燃烧性能和常温力学性能的影响,采用DSC-TG和SEM方法对比研究了CaOr、CaCO_3对AP热分解的影响,及含两种化合物的推进剂熄火表面形貌。结果表明,在3~17 MPa压强范围内,CaCO_3和CaOr均能有效降低HTPB/AP/Al推进剂的燃速和压强指数,CaOr比CaCO_3具有更好的燃速抑制效果,在高压段内的压强指数可降为0.17,达到平台推进剂水平。CaOr的加入使AP两个阶段的分解放热峰均向高温方向移动,CaCO_3对AP的低温分解峰没有影响,使AP的高温分解峰推迟。CaOr的降速效果优于CaCO_3的主要原因是其推迟了AP的低温分解峰,同时改变了AP的热分解历程,且在凝聚相中的分散性更好。     

未固化AP/Al/HTPB推进剂燃速预示法——DSC法

研究了未固化推进剂的燃速预示方法，用DSC法（差示扫描量热法）研究了多种AP／Al/HTPB推进剂的常压热分解特性。根据BDP燃烧模型，考察了推进剂的燃速与热分解参数的关系，提出了未固化推进剂燃速的预示方法。实验结果表明，用DSC法可较准确地预示未固化推进剂的燃速，并成功预示了某配方的基础燃速。     

纳米Ni／CNTs对AP／HTPB推进剂热分解及燃烧性能的影响

采用化学液相沉淀法制备了纳米Ni/CNTs复合催化剂,用SEM、XRD、XPS对纳米Ni/CNTs的形貌、微观结构、组成进行了表征,采用DSC研究了其对AP和AP/HTPB推进剂热分解的催化性能,并考察了纳米Ni/CNTs对AP/HTPB推进剂燃速和压强指数的影响.结果表明,纳米Ni能够均匀包覆在CNTs表面,纳米Ni/CNTs可显著降低AP及AP/HTPB推进剂的热分解峰峰温,使AP及AP/HTPB的总表观分解热明显增大,并能有效提高AP/HTPB推进剂的燃速和降低其压强指数.相同量的纳米Ni/CNTs、纳米Ni和纯CNTs进行对比,纳米Ni/CNTs具有更好的催化性能,表现出较好的正协同催化效应.     

添加剂HMX对AP/HTPB复合推进剂燃速行为的影响

本文研究了添加剂HMX对AP丁羟推进剂燃速的影响。试验研究发现:在AP/HTPB复合推进剂中加入HMX时,其燃速降低;随着推进剂中HMX含量的增加,其燃速压力指数呈现出先下降后上升的“情形”;当HMX的粒度变细时,推进剂的压力指数显著降低。我们基于BDP模型的气相火焰结构设想,并强调燃烧表面上HMX熔层在燃烧过程中的作用,提出了一个多重竞争火焰—凝聚相结构和反应模型。它能解释AP—HMX双元系统丁羟推进剂的燃速行为和现象,并能对这种推进剂的燃速和压力指数调节的各种途径进行预示。此外,还提出了BDP和GDF模型一致性的设想和一些等价概念。     

基于含硼推进剂的微推进器燃烧特性及推进性能

为研究使用含硼推进剂的微推进器点火燃烧特性及推进性能,搭建了激光点火测试实验台,配制了B/AP、B/KNO_3及B/AP/HTPB三种含硼推进剂配方,分别在2~6 mm不同内径微燃烧室中进行了燃烧测试实验。实验结果表明,配方B/KNO_3的燃速快,推力大,在内径为2.76 mm燃烧室中的平均推力达到0.028 56 N;配方B/AP的推力作用时间长,冲量大,在内径为4.92 mm燃烧室中的最大冲量为0.042 28 N·s;配方B/AP/HTPB燃烧较稳定,粘合剂的添加可改善燃烧特性,但会降低推进性能,且推力、比推力、冲量、比冲量等推进性能均随燃烧室内径的增大呈先增大、后减小的趋势。     

两种十氢十硼酸金属盐的表面特性及在富燃料推进剂中的应用

基于硼氢盐化合物具有高燃速、高燃烧热值等优点,探索了两种十氢十硼酸金属盐化合物(BHM)在富燃料推进剂中应用前景。采用DCAT 21型动态接触角/表面张力仪测量了BHM、AP、Mg、团聚硼、HTPB的接触角,计算了固体组分与HTPB之间的粘合功W和铺展系数S,结果显示几种固体组分与HTPB粘合剂相互作用大小次序为AP/HTPBBH-2/HTPB团聚硼/HTPBMg/HTPBBH-1/HTPB,且SHTPB/BH-1较小,因为BH-1不能充分浸润于HTPB粘合剂,界面间产生排斥作用,导致含硼氢盐BH-1推进剂内部出现裂纹。还研究了含硼氢盐BH-2富燃料推进剂的流变性能、能量性能和燃烧性能。结果表明,用硼氢盐BH-2替代团聚硼粉,能降低推进剂药浆的表观粘度和屈服值,提高推进剂实测热值,其中,BH-2含量30%的B-2配方,推进剂药浆的屈服值为44.5 Pa,表观粘度为188 Pa·s,燃烧效率达到了93.2%。发现硼氢盐使推进剂燃速降低,且产生大量的燃烧残渣,这与燃烧产物中凝聚相碳(C)的大幅增加有关。依据硼氢盐分解和燃烧特点,认为其适应于燃料冲压发动机。     

燃速催化剂对无铝推进剂点火性能的影响

用DSC法研究了几种无铝推进剂的常压热分解特性。分析了燃速馔化剂对其点火性能的影响。在RDX／AP／HTPB推进剂配方中，催化剂使RDX的表观分解速率增大，而实际上减少了氧化性气体的生成量，不利于燃烧反应。AP分解温度提前对改善推进剂的点火性能起主要作用。在AO／AP／HTPB推进剂配方中，AO抑制了AP的分解，而催化剂的存在加速了AP的高低温分解，缩短了热反馈时间，表观分解热升高是改善点火性能的主要原因。燃速催化剂自身的分解放热也有利于促进推进剂点火燃烧。     

含SrCO3低燃速HTPB推进剂燃烧压强温度敏感特性研究

针对含SrCO3低燃速HTPB推进剂的燃烧特性，进行了不同压强或初温条件下的燃速测量、近距单幅摄影及CCD图像采集、SEM-能谱分析、TG—DTG分析等实验研究。结果表明：SrCO3的使用可显著降低推进剂的燃速压强指数和温度敏感系数；压强因素比初温条件对燃烧火焰形貌的影响大；高、常温熄火表面元素皆发生聚集，但在不同温度下熄火，元素的含量及各元素重叠的相对位置发生改变；添加SrCO3会让AP的分解峰向高温方向移动，抑制AP的分解并降低燃速，导致AP的两分解峰之间失重速率与热释放量增加，使凝相燃烧表面温度升高，燃速温度系数降低。     

AP复合固体推进剂燃烧模型

本文提出了一个复合固体推进剂的综合燃烧模型和相应的数学处理方法。该模型对凝聚相反应作了更细微的分析,特别重视和强调了各种热量传递对燃烧所起的作用,并以推进剂中处于连续相的粘合剂线性分解速度表示推进剂的线性燃速。根据此模型编制程序并进行了大量计算。计算结果与实验符合得很好。对AP/HTPB多级配推进剂的计算结果中,相对误差小于10％的占80％,对Ae/AP/HTPB推进剂则占90％以上。     

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。     

键合剂对AP/HTPB推进剂贮存老化性能的影响

本文用高温加速老化的方法,通过测定 AP/HTPB 推进剂的单轴拉伸,交联密度、硬度、燃速等性能随时间的变化,比较了三乙醇胺、三氟化硼三乙醇胺、MAPO、MAPO·HAC 和 HX-752等五种常用键合剂对 AP/HTPB 推进剂贮存老化性能的影响.并通过热重分析,对含键合剂的 AP/HTPB 推进剂的老化机理进行了初步探索,粗略估算了推进剂的贮存寿命.     

GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响因素

采用水下声发射法测试了推进剂静态燃速,用线性回归法计算了推进剂燃速压强指数;研究了GAP/CL-20高能固体推进剂中增塑比及固体组分AP、CL-20、Al粉粒度等配方组成因素对燃烧性能的影响。研究结果表明,增塑比一定范围内的变化不会对推进剂燃烧性能产生显著影响,其燃速和燃速压强指数基本不变;CL-20粒度减小或AP粒度增加均会导致燃速不同程度的降低,Al粒度减小也会使燃速减小,但在达到一定程度后,燃速又增加;推进剂燃速压强指数随CL-20、Al粉粒度减小和AP粒度增加而减小,并对其燃烧性能的影响机制进行了简单分析。     

复合固体推进剂燃面上复盖分数的确定

本文基于PU/AP和HTPB/AP复合固体推进剂在不同压力下中止燃烧的燃面采用X射线光电子能谱的测试结果,对燃面上氧化剂AP颗粒表面受熔化粘合剂复盖的面积分数进行了半定量计算。结果表明,在燃烧压力大于1.96MPa时,两种推进剂燃面上的粘合剂复盖分数,随压力上升而增加。这一结果将有助于复合固体推进剂稳态燃烧模型的深化和改进。