复合固体推进剂增材制造技术研究进展

将具有颠覆性的增材制造技术(3D打印技术)应用于复合固体推进剂领域,相比于传统设计和生产工艺,增材制造技术不受装药芯模限制,可设计生产出药型结构复杂、推力可变的药柱,能够大幅缩短工艺周期,提高生产效率和安全性,并有望实现一体化打印成型。综述了国内外增材制造用复合固体推进剂配方设计及药柱性能、增材制造工艺、增材制造系统方面的研究进展。由于复合固体推进剂药浆的粘性和含能特点,目前大部分研究聚焦在材料挤出成型工艺改进及其相应的复合固体推进剂配方调试、打印药柱的性能提升方面。亟需解决大型复杂药柱配方设计、固化时间长、药柱易变形等一系列问题,以实现复合固体推进剂增材制造工程化应用。     

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。     

某单室双推力发动机串联装药固体推进剂界面力学性能分析

为解决某单室双推力发动机串联装药两级固体推进剂界面力学性能差的问题,通过热力学理论计算,采用优选燃速调节剂,优化匹配两级推进剂的固体物级配、键合剂组合、增塑比、固化参数(NCO/OH摩尔比或R)等方法优化推进剂配方,对试样进行力学性能测试,并分析了各助剂对推进剂界面力学性能的影响。结果表明,在70℃,拉伸速率2 mm/min条件下,抗拉强度σ_m≥0.6 MPa,最大延伸率ε_m≥45%;在-50℃,拉伸速率100 mm/min条件下,σ_m≥3.0 MPa,ε_m≥45%。所研制的高固含量、高能量密度两级推进剂的界面力学性能优良,解决了单室双推力发动机现有串联装填药型、能量和燃速不同的推进剂界面力学性能偏低的问题。     

PEPA/AP膏体推进剂配方研究

开展了PEPA／AP型膏体推进剂配方研究。结果表明，PEPA／AP膏体推进剂的流变行为遵循Ostwalld幂定律，通过增稠剂种类和含量的改变可有效调节膏体推进剂的流变参数，增调剂NJ－4可使膏体推进剂具有良好的稳定性并保持稳定的流动性。燃烧调节剂FC－1能有效改善配方的点火和燃烧性能，拓宽了燃速范围（6．86MPa下，燃速15mm/s指高到15mm/s以上），显著降低了燃速压强指数（2．94－8．83MPa下，压强指数由0．71降至0．4）。     

火箭发动点火器的MTV烟火药研究

本文叙述了 MTV(Magnesium-Teflon-Viton)烟火药的研究,其目的是为了研制和试验适用于火箭发动机点火器的配方。大量的热化学计算表明,组分比例和燃烧压力对 MTV 燃烧产物的热力学性能和组分有影响。用三种配方进行了热量、热分析、工艺和内弹道研究。配方中含有维通 A 4%及两种粒度的特氟隆。此配方满足密实要求。用压力范围在0.8～4.2MPa 的小型试验发动机进行管状药柱的点火试验。用含有镁58%MTV 的组分获得了非常良好的结果,其计算的燃烧产物中50%以上处于凝聚状态。在220 MPa 压力下这种密实的点火药的燃速定律为:γ(cm/sec)=1.69 P(MPa)~(0.22)在100 MPa 压力下密实,其燃速升高15%。用上述 MTV 烟火药制成的药柱进行了一系列的环境试验,并成功地用来点燃小型研究发动机及推进剂鉴定发动机。     

变推力发动机用高压强指数GAP推进剂的燃烧性能研究

为了获得变推力发动机用高压强指数聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂配方,采用靶线法研究了氧化剂的种类、粒径及配比、燃速催化剂的种类及含量、以及增塑比对GAP推进剂静态燃烧性能的影响规律,采用?118标准试验发动机对GAP推进剂进行了动态燃烧性能测试。研究表明,通过综合因素调节获得了一种高压强指数GAP推进剂配方,且当燃速催化剂RC-4含量1%时,GAP推进剂在1～15 MPa范围的动态压强指数高达0.66,满足变推力发动机对推进剂压强指数的要求,同时高压区间(9～15 MPa)的动态压强指数为0.51,低于1～15 MPa的压强指数,这有利于推进剂在高压范围内的稳定燃烧,为变推力发动机在高压范围内的正常工作提供依据。     

H_2O_2/HTPB缩比固液火箭发动机药柱燃速试验研究

对采用90%H2O2/HTPB基推进剂组合的缩比固液火箭发动机开展了药柱燃速试验研究,得到了不同点火方式和不同氧化剂流率下的药柱燃速。试验结果表明,在相同的氧化剂流率下,催化点火方式比点火药点火方式药柱燃速要高,燃烧室压力更为平稳,同时建压时间要长。根据点火药点火方式下不同氧化剂流率的药柱燃速拟合得到了燃速公式,并运用燃速公式对300 mm全尺寸发动机进行了装药设计及内弹道性能计算,得到的理论性能曲线与试验结果吻合很好,验证了本文采用的燃速研究方法及结果。     

固体发动机径向同心双层装药工艺技术

在单室双推力固体发动机的各种方案中,同心双层装药对推进剂配方及装药工艺来说是难度最大的一种。本文介绍了在国内现有工艺基础上,采用推进剂预固化的两次浇注技术,成功地完成了小开口翼栏型发动机径向同心双层药柱的快、慢两种燃速配方的装药工艺.研究了尾部开口φ290mm发动机,从原材料进厂验收到制成推进剂,从壳体进厂到发动机总装测试出厂,全过程工艺技术。     

固体火箭发动机加压固化的研究

本文研究了一种制造固体火箭发动机的新型加压固化方法。其研究总旨,是以此来消除推进剂药柱在制造时所产生的热应力。通过加压固化对推进剂物理特性影响的初步研究结果表明,虽然力学性能由于受到加压固化的一定影响,而具有脆化的倾向,但是,实用尚无问题。同时加压固化有利于药柱和绝热层之间牢固粘接,燃速几乎不受其影响。为了考察加压固化的固化点而进行了发动机实际装药固化试验。根据对推进剂药柱的内应力和发动机壳体形变的实际测量,定量地证实了加压固化的效果。用加压固化法制造的发动机进行燃烧试验的结果表明,燃烧是稳定的,对燃烧性能没有影响。根据上述研究结果,可以认为,加压固化法具有实用的可能性。     

低燃速HTPB复合推进剂过载情况下燃烧性能试验研究

利用固体火箭发动机离心试验方法,研究了低燃速(4 mm/s,4 MPa)、高铝粉含量的HTPB复合推进剂在过载情况下的燃烧加速度敏感性。试验分2组进行,第1组试验发动机平均工作压强为4 MPa,第2组为12 MPa,分别在0、5gn、8gn、15gn离心加速度条件下进行试验。通过对试验机理和试验数据分析发现,此类HTPB复合推进剂的燃速对过载加速度非常敏感。在较低加速度情况下,垂直于加速度的燃面处燃速出现了增加;同一压强(4 MPa)下,在0~15gn范围内,燃速与加速度近似呈线性关系。     

新型高燃速推进剂在固体发动机内燃烧特性研究

新型高燃速推进剂是一种采用小球粘结、无溶剂挤成型的复合改性双基推进剂,20℃、6.86MPa下用靶线法实测静态燃速为46.25mm/s。为研究这种新型高燃速推进剂在发动机内的燃烧特性,在不同燃通比和燃喉面积比的装药条件下,进行了发动机试验,获得了相应的压强-时间曲线。分析结果表明,该推进剂在火箭发动机内不同压强下可出现3种完全不同的燃烧类型,即类似于双基推进剂的平行层燃烧、类似于超高燃速推进剂的对流燃烧和有限对流燃烧,并给出了3种燃烧类型的判断条件。     

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。     

镁铝富燃料推进剂燃烧性能研究

为了研究镁铝富燃料推进剂燃烧性能,采用捏合机混合物料、真空浇注、恒温固化的方法制备推进剂试样,用靶线法测试推进剂燃速(0.5~2.0 MPa),用Vieille经验公式r=apn计算压强指数。研究表明,细粒度AP含量增加,燃速逐渐增加,而压强指数先升高后降低。采用复合催化剂GFP/Fe2O3可同时提高燃速和压强指数。当催化剂质量含量为5%时,改变GFP/Fe2O3比对推进剂的燃速及压强指数的影响与氧化剂AP级配有关。对于细粒度AP含量高的配方,GFP/Fe2O3对燃速和压强指数影响较大。金属含量对燃速影响较大,对压强指数影响很小。而Mg/Al比对燃速和压强指数影响都很小。随着氧化剂中KP含量增大,燃速呈下降趋势,压强指数先升高后下降。     

GAP微烟推进剂的燃烧性能影响因素研究

通过配方组分对GAP推进剂燃烧性能影响的分析,确定了影响GAP微烟推进剂燃烧性能的主要因素,并在此基础上研究了推进剂燃烧性能的变化规律,通过选择合适的增塑剂、调整AP和HMX的相对含量及AP粒度级配,可使推进剂基础配方静态燃速在6 MPa下达到10.5～12.0 mm/s,3～10 MPa下静态压强指数可降至0.40以下。     

高燃速丁羟推进剂配方研究

通过多种途径的试验,对高燃速丁羟推进剂配方进行了研究.试验结果表明,采用超细防结块氧化剂和液固组合燃速催化剂能使推进剂的燃速达到70mm/s以上(在6.864Mpa压强下);采用组合工艺助剂可改善推进剂工艺性能.本推进剂燃烧稳定,压强指数和温度敏感系数较低,力学性能良好,为高燃速推进剂的研制奠定了良好的基础.     

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。     

膏体富燃料推进剂配方研究

研究了可用于双射程冲压发动机的膏体富燃料推进剂。结果表明,以PEPA/EG为粘合剂、无定型硼粉为燃料添加剂时,推进剂的实测热值可达28.7 M J/kg。使用经表面处理的无定型硼粉,加入量可在40%以上。膏体富燃料推进剂具有剪切变稀的性质,其流动指数和稠度系数随温度的上升呈下降趋势。配方的低压可燃极限为0.2~0.3 MPa,燃速r0.5MPa>12 mm/s,压强指数约为0.43。     

膏体推进剂点火和燃烧特性的实验研究

膏体推进剂的点火和燃烧特性是发动机设计的重要参数。本实验研究给出的PEPA／AP膏体推进荆自燃温度约为150℃，容易点燃；在工作压强大于0．6MPa时的燃烧临界直径小于1mm。在发动机工作状态下的燃速与静态燃速一致。预计该推进剂适合于多次起动的发动机。     

可燃喷管固体助推器的研究现状

本文介绍了低成本、高可靠性运载火箭固体助推器可燃喷管的研究现状.可燃喷管是用一种低成本、高强度和低燃速推进剂制成的,宅在工作过程中可以燃烧,有利于固体火箭发动机降低成本和提高可靠性.其可行性已由美国联合工艺公司所验证,并由φ152mm 和φ762mm 发动机试车所证实.试验结果表明,可燃喷管的消蚀速率(相当于药柱的燃速)高于预估值,发动机性能优于预计情况(实际比冲比预计比冲1979.6N·s/kg 高25.5N·s/kg).