NEPE类推进剂力学性能调节的新技术

为满足复合固体推进剂高能、低特征信号的要求，近年来ＮＥＰＥ类推进剂在兼顾能量及力学性能调节方面研究已经取得了一些进展。本文归纳总结了这类推进剂力学性能调节的最新技术途径，并进行了理论上的分析，例如：调节粘合剂相的网格和形态结构；调节填料／粘合剂基体间的相互作用等。     

添加剂对 NEPE推进剂力学性能的影响研究(Ⅰ)

采用单向拉伸法和化学溶胀法研究和剖析了添加剂对NEPE推进剂力学性能的影响机理。单向拉伸实验表明，添加剂加入推进荆后，可以显著提高NEPE推进荆的力学性能；化学溶胀法分析表明，加入添加剂使推进剂的凝胶含量和化学交联密度稍有降低；通过进一步数据处理表明，添加剂的加入明显提高了推进剂的物理交联密度而几乎不影响填料／基体的相互作用。因此综合分析认为，加入添加剂可提高推进剂的物理交联密度，从而改善NEPE推进剂的力学性能。     

NEPE推进剂粘合剂网络结构调节研究

把混合固化剂、扩链剂聚乙二醇200(PEG200)、交联剂三羟甲基丙烷(TMP)、三官能度环氧乙烷四氢呋喃共聚醚(PET)、端异氰酸酯预聚物以及互穿网络的使用作为调整NEPE推进剂粘合剂网络结构的主要措施。采用单向拉伸手段,研究了它们对NEPE推进剂力学性能的影响。结果表明,TMP能提高推进剂的拉伸强度,异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)与PEG200混合使用能提高推进剂的最大延伸率;三官能度PET能使推进剂的强度和延伸率均有所提高,当粘合剂中三官能度PET的质量分数为50%时,推进剂常温下的拉伸强度和最大延伸率分别比空白样提高了16%和161%;端异氰酸酯预聚物能改善推进剂的力学性能,尤其是对提高最大延伸率有明显作用;将新型聚合物P31引入推进剂粘合剂体系形成互穿网络,推进剂在不同温度下的拉伸强度先增大后减小,延伸率一致增大,当P31的含量占粘合剂体系的5%时,拉伸强度达到最大值。     

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。     

围压对NEPE推进剂强度的影响

从微观、细现和宏观角度分析了围压对NEPE推进剂强度的影响.在细观尺度范围内讨论了剪切阻力、张开性裂纹和空洞的影响,并给出了基于双剪强度准则的围压对推进剂强度影响的模型.三种尺度的结合还须更多的研究.     

组分迁移对NEPE推进剂界面粘接性能的影响

根据70℃下加速老化试验中粘接性能的变化和界面区域迁移组分含量的变化,研究了NEPE推进剂中硝酸酯、功能助剂的迁移对粘接性能的影响。结果表明,随着衬层粘合剂的极性增大,推进剂中硝酸酯和功能助剂AD1、AD2向衬层的迁移量增加;AD1、AD2的迁移对界面粘接性能有显著影响。     

环境压强对NEPE推进剂单向拉伸力学行为的影响

采用单向拉伸实验,研究了不同温度、不同拉速、不同环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响。结果表明,环境压强对NEPE推进剂力学行为的影响存在一个阈值,超过该阈值后,环境压强对最大强度的影响不大,对最大伸长率无明显影响规律。同时,采用双剪强度理论,建立了NEPE推进剂最大剪应力强度与环境压强的关系。结果表明,两者呈现较好的线性关系,根据关系式得出,在低温下推进剂最大剪应力强度对环境压强更敏感,并对该关系式的其他应用进行了简要分析。采用SEM法观测结果表明,环境压强主要在抑制颗粒脱湿、降低空穴方面有较强作用。     

复合固体推进剂单向拉伸力学模型

本文提出了复合固体推进剂单向拉伸力学模型。导得的数学表达式指出：推进剂的伸长率不仅与弹性粘结体的伸长率和固体填料体积分数有关，而且还与界面粘结层厚度和固体粒子直径有关。理论计算结果较Ｔ．Ｌ．Ｓｍｉｔｈ和Ｆ．Ｂｕｅｃｈｅ的计算结果更接近实际推进剂的结果。     

NEPE推进剂的热分解研究(IV)

采用快速热裂解原位反应池(气体原位反应池)／快速扫描傅里叶变换红外光谱仪(RSFT-IR)和固体原位池／RSFT-IR联用技术，实时测定了含与不合催化剂的NEPE推进剂气相及凝聚相热裂解产物，研究获得了在线性升温条件下两种推进剂配方的热分解特征，并讨论了金属燃料铝粉和燃速催化剂Pb—CO3对NEPE推进荆热分解特性的影响。     

NEPE推进剂/衬层粘接界面细观力学性能/结构研究

研究了不同组成的NEPE推进剂/衬层粘接界面细观力学性能和结构的差异,以及对应粘接界面贮存过程中粘接性能和破坏方式的变化规律,探索了粘接界面的细观力学性能、结构与破坏方式的内在关联,初步提出NEPE推进剂/衬层粘接界面失效模式。试验结果表明,粘接界面细观力学性能、结构与界面粘接质量相关,是影响界面失效模式的主要因素。粘接界面具有高模量、高硬度层,N元素含量高且有明显梯度变化时,粘接质量较好,发生内聚破坏,反之发生界面破坏或混合破坏;老化过程中,粘接界面的模量和硬度降低、N元素的含量明显降低决定粘接界面依次发生内聚破坏、混合破坏和界面破坏。     

降低NEPE推进剂燃速的途径探讨

通过对NEPE推进剂燃烧表面的热平衡分析，指出了影响推进剂燃速的3个因素：“嘶嘶”区（fizz）的温度梯度、凝聚相反应热和燃面温度，提高了降低NEPE推进剂燃速的可能途径，研究了某些燃速降速剂的作用及其对推进剂能量的影响。用实验证明了降低燃速几个途径的可行性。     

高压强指数NEPE推进剂研究

分析了AP含量、增塑荆含量、催化剂种类、含能粘合剂体系等对NEPE推进剂燃烧性能的影响,找出了提高其燃速压强指数的有效方法.同时,采用DSC、单幅摄影、燃烧波测试等方法,研究了ZH-2催化NEPE推进荆的机理.实验结果表明,NEPE推进剂燃速压强指数提高至0.67,同时在宽压强(1.5～30 MPa)范围内消除了压强指数拐点.     

热塑性聚氨酯弹性体包覆CL-20及对NEPE推进剂性能影响

采用热塑性聚氨酯弹性体,通过水-溶液悬浮法将其包覆于六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20),并对包覆后的CL-20分别进行了XPS、SEM、撞击感度和表面能测试;研究了弹性体包覆CL-20对含CL-20的NEPE推进剂常温力学性能、燃烧性能的影响.研究表明,热塑性弹性体能有效包覆CL-20,在大幅度提高含CL-20的NEPE推进剂常温力学性能并改善"脱湿"的同时,改善高能低特征信号配方燃烧性能,σm最大提高了47%,εm最大提高了184%;燃速压强指数n降低了12%.     

NEPE推进剂发动机振动安全性试验研究

为了评估NEPE推进剂全尺寸发动机在经受弹射和飞行振动载荷下的安全性,在不同试验条件下进行了NEPE推进剂165 mm发动机的振动试验。理论分析认为,NEPE推进剂全尺寸发动机在振动条件下因药柱温度升高及静电积聚而发生危险的可能性很小,通过相关试验验证了该结论,说明采用NEPE推进剂165 mm发动机进行全尺寸发动机振动安全性评估可行。     

复合燃速调节剂对NEPE推进剂高压燃烧性能的影响

利用DSC-TG联用和燃速测试等方法,从降低CMDB推进剂和AP类复合推进剂压强指数的燃速调节剂中,筛选出了纳米PbO、QC、C及SEA、Fe2O3、Co3O4等燃速调节剂,并考察了这些燃速调节剂对NEPE推进剂燃烧性能的影响。通过分析两类燃速调节剂发挥作用的主要压强区间及其对推进剂燃速的影响趋势,对两类燃速调节剂进行了复配研究。试验结果表明,复合调节剂ZH-2(由纳米过渡金属氧化物、铅/铜盐等复配而成)使NEPE推进剂高压(10~25 MPa)燃速压强指数由0.78降低至0.62,而且在宽压强范围内消除了压强指数的拐点。     

NEPE推进剂粘接体系中的组分迁移及影响

采用高效液相色谱(HPLC)和等离子发射光谱(ICP),并结合粘接强度的变化,研究了NEPE推进剂粘接体系中组分的迁移及对粘接性能的影响.结果表明,NEPE推进剂中的硝酸酯和稳定剂向HTPB/TDI衬层中的迁移量,随氨基甲酸酯硬段含量的升高而增大;硝酸酯的迁移对衬层的粘接贮存性能无明显不利影响,但显著降低了HTPB/TDI衬层的力学贮存性能;NEPE推进剂中TPB的单向迁移降低了衬层/推进剂界面的粘接性能,稳定剂的单向迁移显著降低了界面的粘接贮存性能.     

复合推进剂拉伸应变条件下燃速变化计算分析

建立了复合推进剂在拉伸应变条件下燃速变化计算模型,并针对所建立方程进行了实验验证。结果表明,所建立模型在拉伸形变为0%~20%情况下与实验结果相符,燃速比与拉伸形变之间服从二次函数关系,燃速随应变增加而增大;复合推进剂的泊松比越小,则燃速比随拉伸应变增长越快;复合推进剂中粘合剂组分越少,应变状态下燃速比变化越显著。复合推进剂在拉伸状态下,粘合剂会出现疏松和裂纹,同时粘合剂和固体颗粒AP之间出现空隙,AP裸露面积增加,进而推进剂燃烧速度更快,燃速比更大。