NEPE推进剂破片冲击数值模拟研究

为研究NEPE推进剂破片冲击响应特性,利用有限元动力学软件对NEPE推进剂受破片冲击的动力过程进行数值模拟,并进行试验验证。分析不同规格破片冲击起爆NEPE推进剂的情况,计算其临界起爆速度。结果表明,随着破片速度增加,NEPE推进剂受冲击响应情况有所不同,即破片速度在0～1121 m/s时,推进剂不发生反应; 1121～1247 m/s推进剂开始发生反应; 1247～2508 m/s推进剂响应情况由快速反应转为爆轰;破片速度大于2508 m/s时,破片直接引爆推进剂;破片质量和体积的增加都会使推进剂临界起爆速度减小,但影响程度递减;圆柱形和立方体破片冲击推进剂的临界起爆速度相近,都小于球形破片;钨合金破片和钢破片的临界起爆速度与破片质量和体积有关,但都小于铝合金破片。文中采用的破片冲击数值模拟研究方法可有效解决NEPE推进剂破片冲击特性研究的难题。     

NEPE型推进剂述评

一、前言随着战略及战术武器的发展,对固体推进剂的要求越来越高,不仅要求能量高(大于250秒)、力学性能好,而且使用温度范围要宽、安全贮存性能要好。要满足以上要求,单纯地在复合推进剂和改性双基推进剂的原有基础上改进是比较困难的。目前固体推进剂发展的主要趋势是:发挥复合推进剂和改性双基推进剂各自的优点,突破这两类推进剂的界限而发展成为高能交联推进剂。从美国 K.Klager 提出的固体推进剂发展历程(表1)中可以清楚地看到这种趋势。     

固体推进剂的最新进展—NEPE推进剂

什么是NEPE推进剂NEPE是硝酸酯增塑聚醚的英文缩写,全称是Nitrate Ester Plasti cized Polyether。NEPE推进剂是美国为满足MX洲际导弹的需要,赫克力斯公司于70年代末研制成功,80年代初开始使用的一种新型固体推进剂。对于MX导弹的高能量、高性能的要求,目前的复合固体推进剂和改性双基推进剂都不能满足。但复合固体和改性双基各有所长,突破两者的界限,充分发挥双基中硝酸酯增塑剂的能量高、复合固体中高分子主链低温力学性能好的优点,再加入高性炸药HMX,就组成了NEPE推进剂。它不仅能量高、低温性能好、不脆变,而且其它性能也满足要求。除在MX第     

NEPE推进剂用中性聚合物键合剂的分子设计

中性聚合物键合剂(NPBA)是美国Kim C.S.发明的一种新助剂。这种键合剂可显著提高NEPE推进剂的力学性能。本文根据Kim C.S.发表的专利和论文,介绍了降温相分离沉积包覆的原理,归纳提出了NPBA的分子设计方法,并且举例说明。     

基于湿热老化试验的NEPE推进剂贮存寿命预估

用NEPE推进剂进行湿热加速老化试验获得了推进剂在不同湿热老化条件下抗拉强度和弹性模量随老化时间的变化规律,建立了推进剂湿热老化失效物理模型,并提出了将弹性模量作为失效判据预估推进剂贮存寿命的方法。分别用抗拉强度和弹性模量作为失效判据,对推进剂贮存寿命进行估算。结果表明：将弹性模量作为失效判据预估NEPE推进剂贮存寿命的方法可行。     

基于Micro-CT的NEPE推进剂装药界面细观结构

NEPE推进剂装药界面粘接问题是制约NEPE推进剂推广应用的技术瓶颈之一,急需有效的细观结构表征技术,以揭示NEPE推进剂装药界面形成机理。采用Micro-CT技术,开展了NEPE推进剂/衬层/绝热层界面细观结构研究,发现Micro-CT图像可明显区分界面各相以及各相的基体与填充物,可识别不同的固体填充物;绝热层/衬层界面存在有锯齿状的镶嵌结构的扩散层,厚度不超过10μm;推进剂与衬层之间有一定的扩散,存在明显的推进剂与衬层基体富集层,在推进剂一侧,还形成40~80μm的HMX颗粒富集层。     

NEPE推进剂凝胶分数测定方法研究

采用溶剂取法完成了NEPE推进剂凝胶分数测定。样品先经乙腈／二甲基亚砜混合溶剂（体积比为50：50），浸泡12h以上，然后在回流萃取器中以丙酮／甲醇混合溶剂（体积比为88：12）提取4－5h。从不被提取部分中按配方组成或实测结果扣除铝粉质量后，即可得到纯净凝胶质量，以此为基础，计算样品的凝胶分数，该方法标准偏差不大于0．45％。     

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.     

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固体推进剂动态力学性能的研究

利用傅立叶红外光谱仪及扭辫法研究了不同粘合剂系统中异氰酯活性基团与羟基基团的当量比值，扩链剂以及预聚时间对ＮＥＰＥ固体推剂的次级转变温度、等参量的影响。研究结果对该类推进剂配设计和工艺参量选择提供了必要的实验依据。     

NEPE推进剂中活泼氢组分的固化反应动力学研究

通过二正丁胺滴定法,分别对端羟基聚醚(PEG)/苯异氰酸酯(PI)、键合剂(NPBA)/PI、安定剂(MNA)/PI体系进行了反应动力学研究,得到了相应体系在不同温度下的反应速率常数及活化能,并分析了反应速率的影响因素及3种组分对固化体系网络结构的影响。结果表明,PEG/PI、键合剂/PI、安定剂/PI体系的固化反应都为二级反应,活化能分别为24.96、43.27、9.1 kJ/mol;反应速率的影响因素可能是溶剂和各组分的结构;3种组分对网络结构的影响可能是聚醚/N-100形成体系的基本网络结构,键合剂提高界面过渡层的交联密度,安定剂/N-100降低体系的交联密度。     

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。     

基于环境压强下NEPE固体推进剂双剪强度准则

基于双剪强度理论和已有的NEPE固体推进剂强度试验资料,提出了一个NEPE固体推进剂双剪强度准则的推广形式,探讨了该双剪强度准则相关参数的选取问题,验证了该双剪强度准则的合理性。研究表明,多轴应力状态下NEPE固体推进剂强度与应力相关,八面体剪应力随平均主应力的增加呈非线性增加;NEPE推进剂的破坏强度随拉伸速率的增加而提高。     

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.     

拉伸速率对NEPE推进剂力学性能的影响

运用单向拉伸手段,研究了不同拉伸速率(0.5～500 mm/min)、测试温度(25～70℃)对NEPE推进剂最大抗拉强度σm和最大伸长率εm的影响。试验结果发现,NEPE推进剂σm和εm均与拉伸速率v呈幂律函数关系,建立了相关性较好的幂函数方程σm=k(T)va和εm=f(T)vb。利用该方程,对极慢拉伸速率下NEPE推进剂σm和εm进行了预示,计算结果可为固体火箭发动机设计及推进剂贮存性能研究提供技术支持。     

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。     

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。