典型含能材料压延塑化过程模拟分析

应用POLYFLOW软件模拟典型含能材料的压延塑化过程,得到了压延辊隙处物料的运动状态和流场分布情况。研究发现,随着辊筒的旋转,物料在辊隙上方会形成漩涡,仅有一小部分的物料会以较大速度通过辊隙;靠近辊筒表面的物料所受拉伸效果显著,辊隙上方物料流速最小,粘度最大,在拉伸和剪切的双重作用下实现塑化;减小辊隙,可使物料所受压力大幅增加,在保证安全的前提下,可适当增大辊筒速比,减小辊隙。模拟结果对含能材料压延塑化过程中的运动状态和工艺过程的优化提供了理论指导。     

GAP/CL-20固体推进剂的力学性能

采用单向拉伸试验、扫描电镜、动态热机械分析等方法研究了增塑比、固含量及固体组分相对含量等配方因素对GAP/CL-20推进剂力学性能的影响,并对各因素的影响进行了简要分析。研究结果表明,增塑比提高,伸长率提高、抗拉强度降低,损耗因子增大、玻璃化温度降低,推进剂结构更加致密紧实;固含量提高,推进剂伸长率降低、抗拉强度提高,损耗因子和玻璃化温度均提高;固体组分中有利于提高伸长率和抗拉强度的顺序为Al粉、CL-20、AP。分析认为,颗粒粒度是固体组分相对含量影响推进剂力学性能的主要原因。     

水/丙酮混合溶剂提取HTPB推进剂中AP组分的工艺因素

为提高废弃HTPB推进剂中高氯酸铵(AP)组分的回收率,采用水/丙酮混合溶剂体系对HTPB推进剂中的AP进行提取。探讨了超声提取时间、提取温度、水/丙酮体积比、液料比、推进剂试样厚度对AP提取率的影响规律。采用傅里叶漫反射红外光谱仪(DRIFT)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段对提取结果进行表征。结果表明,提取温度45℃、超声提取时间3.5 h、水/丙酮体积比2∶1、液料比10∶1、试样厚度3 mm是提取HTPB推进剂中AP组分的最佳工艺参数。在该工艺条件下,AP的回收率为96.3%,AP的纯度为96.5%。结果证明,水/丙酮混合体系可用于废弃HTPB推进剂中AP组分的分离回收。     

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。     

复合固体推进剂细观损伤形貌数值模拟

为准确模拟固含量不同时复合固体推进剂细观损伤产生、演化、聚合至宏观裂纹形成的过程,及该过程对复合固体推进剂非线性力学性能的影响,采用分子动力学方法建立了复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在AP颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤。利用有限元法,对含损伤颗粒夹杂模型进行计算,通过对比数值仿真结果,研究了固含量及界面损伤对复合固体推进剂细观损伤形貌及宏观力学性能的影响。结果表明,当固含量较低时,颗粒与基体之间界面损伤的聚合往往发生在少部分颗粒之间,随固含量增大,参与界面损伤聚合的颗粒逐渐增多,形成的宏观裂纹越来越明显;颗粒与基体之间的界面损伤,对复合固体推进剂非线性力学性能影响较大,不可忽略。     

复合固体推进剂长贮中HTPB胶微结构损伤研究

为研究HTPB复合固体推进剂老化过程中微结构损伤机理,设计了HTPB/TDI、AP+HTPB/TDI、RDX+HTPB/TDI、Al+HTPB/TDI及HTPB复合固体推进剂5个体系,表征在75℃、92 d的热加速老化过程中各复合体系及线性HTPB微结构变化规律。结果显示,在密闭热加速老化过程中,线性HTPB分子间不饱和的CC键相互交联,生成了高分子网络结构,是线性HTPB及各复合体系在老化过程中数均分子量及交联密度增大的原因之一;AP、RDX、Al粉等组分间相互作用加速了HTPB复合固体推进剂的热老化过程,且电镜未观察到组分与粘合剂产生"脱湿"现象。     

固体推进剂爆轰感度影响因素研究

卡片试验是考察固体推进剂爆轰感度的重要试验项目。首先对卡片试验的输入冲击波压力进行了标定,然后开展了不同种类固体推进剂的爆轰感度试验,考察了固体推进剂种类、固体含量、Al含量和RDX含量对其爆轰感度的影响。结果表明,卡片试验的输入冲击波压力为7 GPa;固体推进剂的种类及配方组成是影响爆轰感度的主要因素;丁羟三组元推进剂、富燃料推进剂和燃气发生剂不具有爆轰感度;在HTPB四组元固体推进剂中,固体含量和Al含量对爆轰感度影响不大,RDX是影响爆轰感度的主要因素,RDX含量越高,爆轰感度越低,临界RDX含量为11.5%。     

改性双基推进剂代用料的研制

以典型改性双基推进剂配方为基础,对高能液体炸药组分A(GY)、固体炸药组分B(GG)的惰性替代物进行了选择分析,确定了其代用料的主要组分为硝化棉(NC)、惰性增塑剂(DZ-1)及惰性固体填料(YT-1).分别从增塑剂的溶解能力、固体填料含量及溶棉比三方面研究了其对改性双基推进剂代用料流动性的影响.研究表明,上述三方面因...     

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。     

固体碳氢推进剂在涡轮增压固冲发动机中的应用

提出了固体碳氢推进剂作为涡轮增压固冲发动机(TSPR)驱涡推进剂的方案,分析了适用于TSPR推进剂的热力参数和一次燃烧产物成分,完成了驱涡推进剂的选择;进行了备选推进剂(CH04)对TSPR性能的影响性评估,证明该推进剂能够满足TSPR的性能要求;对所选推进剂了进行了一、二次燃烧试验,试验结果表明,CH04推进剂在补燃室点火较困难,但其一次、二次燃烧稳定性好,燃气参数基本满足TSPR对推进剂性能要求。     

AP级配及含量对HTPB固体推进剂界面约束作用影响机理研究

复合固体推进剂是一种含能非均质颗粒填充材料,其基体聚合物分子通过物理缠结及氢键作用吸附于填料表面,产生基体-填料界面相互作用,这种相互作用使基体聚合物交联网络分子的运动受到限制。以高氯酸铵(AP)级配及含量不同的端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂为研究对象,通过动态力学试验、溶胀试验、单向拉伸试验、循环拉伸试验,探究了AP级配及含量变化引起的HTPB固体推进剂界面约束作用差异,并探究其对推进剂结构及性能的多维度影响。结果表明：随着细粒度AP含量及AP总含量的提高,约束区域占比增加,基体交联网络分子受限作用增强,HTPB固体推进剂界面相互作用提高,单向拉伸状态下的推进剂强度、模量提高,伸长率下降;循环载荷作用下,约束作用则提高了能量耗散过程,加剧HTPB固体推进剂疲劳损伤进程。     

Bu-NENA/PBT推进剂安全性能

开展了增塑剂品种、固体填料含量对Bu-NENA/PBT推进剂安全性能影响研究,炸药HMX和增塑剂Bu-NENA含量对Bu-NENA/PBT推进剂危险等级影响研究及钝感Bu-NENA/PBT推进剂综合性能评价。研究结果表明,Bu-NENA可显著降低PBT推进剂的机械感度,HMX含量控制在13%以下,Bu-NENA含量控制在12%以下,Bu-NENA/PBT推进剂危险等级评定为1.3级,Bu-NENA/PBT推进剂理论比冲大于267 s,玻璃化温度Tg为-65℃,-60～70℃宽温力学性能优良。     

定应变下NEPE推进剂的贮存老化性能

以NEPE推进剂为研究对象,通过10%定应变下的高温加速老化实验和多种老化性能测试方法,从外观形貌、关键组分含量、力学性能三方面对推进剂老化过程中的性能特征进行研究。结果表明,NEPE推进剂老化过程中,表层颜色逐渐加深、粘度增加,且内部出现了大量的肉眼可见的气孔;固体颗粒断裂、粘合剂体系团聚及两者之间出现的小凹坑等典型"脱湿"老化现象是重要的细观特征;推进剂内部增塑剂和安定剂含量呈现不同速率的减小;硬度值和准静态力学性能参数(最大抗拉强度σ_m和最大延伸率ε_m)均呈现三阶段老化特征,其中,硬度值先增大,后缓慢减小,最终迅速减小,而σ_m和ε_m在老化初期小幅增大,老化中期前者小幅震荡,后者逐渐增大,老化后期两者均急剧减小。     

复合固体推进剂浇入发动机时的流变学

浇铸时未固化的复合固体推进剂的流动特性是十分重要的,因为它直接关系到发动机装药的完整性。增加推进剂的固体含量,可以提高能量特性,却导致药浆的流动性变坏。固体含量高的推进剂呈现非牛顿假塑性流动特性,即表观粘度依赖于剪切应力,以及随着未固化推进剂存放时间的增长,假塑性也增加。本文介绍了在 NASA 主办下进行浇铸研究的一些情况。对浇铸过程中剪切应力的三个明显不同区域和每一区域中推进剂的流动特性,进行了讨论。叙述了推进剂组分和工艺条件的变化对表观粘度的影响和浇铸过程中形成药柱缺陷的有关流变性能的实验结果。     

改性双基推进剂剪切压延过程的数值模拟

剪切压延机在改性双基推进剂加工过程中的应用,解决了传统工艺生产间断,生产效率低,产品成品率低以及产品质量差的弊端,可以实现自动化、连续化生产,并且大大提高了混合效率和塑化性能。将计算流体动力学方法(CFD)方法引入到对改性双基推进剂剪切压延过程的研究中,使用Pro/Engineer软件建立剪切压延机的几何模型,使用Hyper Mesh软件对几何模型进行有限元网格划分,使用POLYFLOW软件建立该过程的数值模型并进行模拟计算,分析该过程的速度、压力、剪切速率、粘性生热、温度、混合指数等参数的分布规律,为实际设备和工艺的选择优化提供参考。根据数值模拟计算结果分析:改性双基推进剂药料在剪切压延机的辊隙区域受到两个辊筒旋转产生的较大的剪切挤压作用,该区域的压力、剪切速率、粘性热、混合指数明显高于其他区域;药料的最大混合指数可达0.88左右;药料的速度分布和剪切速率分布的均匀性较好,有利于提高产品成型质量,忽略进出口效应后,平均速度在0.376 m/s附近波动,最大剪切速率在25～30 s-1范围内波动;药料在一定温度和压力下完成塑化过程,剪切压延过程中温度和压力的变化较平稳,没有出现突变,工艺的安全性较高。     

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.     

固体推进剂药浆流平性对发动机装药结构完整性的影响

为分析固体推进剂浇注质量对发动机装药结构完整性的影响,首先采用流平仪对推进剂药浆放置不同时间后的流平性进行了试验,然后通过单轴拉伸试验和微CT扫描试验对相应条件下推进剂的力学性能和孔隙率进行了研究,最后结合有限元计算方法对发动机装药的结构完整性进行了分析。结果表明,随着推进剂药浆放置时间的增加,推进剂流平性逐渐变差,药浆放置5 h后药面有条痕堆积现象,但推进剂的单轴拉伸力学性能差异并不大。通过微CT扫描试验发现,推进剂药浆放置时间由1 h增加到5 h,孔隙率由2.65‰增大至7.97‰,使得推进剂泊松比降低,导致发动机装药在低温点火压力载荷下的变形增大,安全欲度降低。     

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。     

高固含量改性双基推进剂的烤燃试验研究

采用非限定烤燃试验,测定了高固含量改性双基推进剂药柱的热爆炸临界温度,讨论了固含量与临界温度的关系及临界温度的尺度效应;通过高压热分解研究,获得了高固体含量推进剂热分解反应非等温动力学参数,探讨了固含量对临界温度的影响机理。结果表明,固含量由0％增加至50％,热爆炸临界温度由134．5℃上升到156．1℃,3 MPa压力下第一热分解峰温由201．8℃上升到206．2℃（β＝10℃／min）,表明热稳定性增加;长径比为1的GLX?4药柱临界温度与直径的对数呈线性关系。此外,随着固含量升高,热分解活化能由161．0 kJ／mol升高到181．9 kJ／mol,揭示了烤燃试验热获得的爆炸临界温度升高这一现象的高压热分解动力学理论依据。     

含锆或氢化锆推进剂的能量特性分析

通过CEA软件,研究了Zr粉和Zr H2粉含量、压强及HTPB含量等对含锆或氢化锆推进剂的比冲、密度比冲和燃烧室温度等能量特性的影响。计算结果表明,随着Zr粉、Zr H2粉和Zr/Zr H2混合物含量增加,推进剂比冲下降,但密度比冲呈现先增后减的趋势,含Zr推进剂燃烧室温度先增后减,而含Zr H2推进剂燃烧室温度持续下降;相比于含Al推进剂,密度比冲是含锆或氢化锆推进剂一个显著优势;随着压强增大,能量特性参数均呈现增大趋势;随着HTPB含量减小,推进剂能量特性参数均增大。