一种多任务模式离子液体推进剂的制备、表征及催化分解研究

为获得可用于多任务模式、高密度、高比冲、宽液态温度范围、良好热稳定性的新型离子液体推进剂,以N-甲基咪唑为原料,通过烷基化反应生成离子盐,该盐与四氟硼酸钠/双三氟甲磺酰亚胺锂发生复分解反应,制得一系列咪唑基离子液体。利用核磁共振 (1H NMR、13C NMR)、高分辨质谱（HRMS）等对产物结构进行了表征。并分别利用热重分析仪、密度仪、粘度计等,研究离子液体的热稳定性、密度、粘度等性能。通过点滴着火试验,借助高速摄像机评价了硝酸羟胺和1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯盐复合后的推进剂点火燃烧性能。采用化学反应平衡产物软件考察了硝酸羟胺含量对推进剂能量特性的影响规律。结果表明,硝酸羟胺含量在40-60wt%之间是优选的推进剂配方。本文试验证明了50wt%硝酸羟胺与50wt%1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯盐复合推进剂具有良好的催化分解燃烧性能,是一种有潜力的新型多任务模式离子液体推进剂。     

电控固体推进剂热分解和燃烧性能研究

针对能实现多次启动和推力可控的固体火箭发动机需求,研究了成型过程快、钝感、电控性能好和贮存稳定的离子盐电控固体推进剂(ECSP)热分解和燃烧性能。采用同步热分析仪(TGDSC)、钨铼微热电偶、单幅照相技术和扫描电镜-能谱仪,研究了ECSP的热分解特性、燃烧波温度分布、熄火表面形貌以及元素分布。结果表明:ECSP的热分解过程中依次发生PVA分解反应、PVA分解产物与LiClO4强烈相互作用,其中小组分添加剂加快了PVA分解;其燃烧区域分为预热区、凝相反应区、气相反应区;电点火到稳态燃烧过程为:通入电流加热推进剂,ECSP开始点火,释放出大量的热和可燃性气体,产生初步火焰;热解产生的气相产物在气相区域进一步燃烧,同时大量熔岩状明亮颗粒在热分解气流作用下从燃面逸出,在气相区域燃烧并发出明亮的光。本文提出了ECSP的燃烧过程,为该类推进剂燃烧物理模型奠定基础。     

高能点火药中固体微粒对复合推进剂点火性能的影响

利用高速实时激光全息摄影分析了点火药(Mg/(C_2F_4)n)的燃烧过程,提出了该点火药的燃烧产物对复合推进剂的传热模型,建立了热粒子点燃复合推进剂的综合点火模型.通过计算分析和实验研究,得到推进剂的点火延滞时间随着点火药中Mg粉粒度的增加而增长.同时预示了复合推进剂的点火性能与点火药性能、推进剂性能及环境条件等之间的依赖规律.     

催化硝胺推进剂的高压热分解及燃烧性能

选择了一种典型硝胺推进剂,研究了加入不同的催化剂后燃烧性能的变化及样品高压ＤＳＣ热分解行为。发现铅盐以及铜盐使硝胺推进剂在５ＭＰａ下的分解反应提前完成,热焓增加,碳黑的加入不产生该趋势,但三元复合催化剂加剧了此作用;三元复合催化剂使该硝胺推进剂在１９１．７℃到２３９．５℃的分解反应速度提高,这一区域放热的增加正是燃速提高的原因。参量ΔＨ与ΔＴ之比ΔＨ／ΔＴ与推进剂燃速之间有关联,ΔＨ／ΔＴ越大,燃     

氧化剂对水冲压镁基富燃料推进剂燃烧特性影响

理论近似计算了镁基富燃料推进剂中镁粉与不同氧化剂反应时的爆热、燃烧产物的温度等;测试了不同推进剂体系的燃烧速度;对含四种不同氧化剂的镁基富燃料推进剂的燃烧产物的反应活性进行了研究。研究结果表明:高氯酸铵体系的一次燃烧温度最高,一次燃烧剩余镁粉含量最少;氧化剂为硝酸钾的体系的燃烧温度最低;硝酸钠作为氧化剂的体系的燃速最高,含有高氯酸铵体系的燃速最低;高氯酸钾体系的燃烧产物与水反应的产气总量最多,高氯酸铵体系的燃烧产物与海水反应启动速度最快。     

BAMO-THF复合推进剂催化燃烧特性分析

为调节BAMO-THF复合推进剂的燃速,通过燃速测试、热分析、扫描电镜研究了燃烧催化剂Fe2O3,OME,OMB对其燃烧性能的影响。实验发现Fe2O3,OME,OMB均可提高BAMO-THF复合推进剂燃速,降低燃速压力指数。热分析表明Fe2O3对叠氮粘合剂体系热分解没有催化作用,OME,OMB可显著减低复合推进剂起始热分解温度。熄火燃烧表面扫描电镜分析发现,Fe2O3,OME,OMB改变了推进剂燃烧表面形貌。     

宽压强范围少烟无铝推进剂燃烧性能研究

针对固体火箭发动机对少烟无铝推进剂的需求,研究了宽压强范围（1~22MPa）少烟无铝推进剂的燃烧性能。通过添加高熔点燃烧稳定剂、压指调节剂复配等技术手段,采用静态燃速测试仪、标准试验发动机、全尺寸发动机以及静态烟箱法等研究了推进剂燃速、压强指数、能量性能和烟雾特征信号与燃烧稳定剂（CW-1）、复合压指调节剂（YZJ-A/B）含量的变化规律。试验结果表明：（1）采用高熔点的燃烧稳定剂（CW-1）取代铝粉,当燃烧稳定剂用量在1%~4%,推进剂在1~22MPa宽压强范围内可以稳定燃烧。（2）燃烧稳定剂（CW-1）取代铝粉后,推进剂比冲下降,烟雾特征信号降低。（3）添加有机钡盐和季铵盐-二茂铁类复合压指调节剂（YZJ-A/B）,推进剂在17 ~22MPa动态压强指数由0.39降低至0.275。     

HAN基单组元发动机均匀分配喷注器设计及试验研究（“液体火箭推进”专刊）

硝酸羟胺基（简称HAN）推进剂要比肼类推进剂稳定,将相同质量的HAN基推进剂完全分解,HAN基推进剂所需的时间要比肼推进剂要长。为了增大推进剂与催化剂的初始接触面积,使推进剂在催化床内均匀分布,开展了发动机喷注器的均匀分配方式研究。通过采用VOF模型对新型喷注器结构的喷注过程和雾化效果进行数值仿真研究,为喷注器结构优化提供理论支持。同时通过三维PDA（Phase Doppler Anemometry）测量系统,获得了两种喷注器结构雾化液滴空间上的密度分布、直径大小以及轴向速度等对比情况。最后,通过地面热试车试验,对两种喷注器结构的发动机在脉冲温启动、稳态工作性能及燃烧反应特性等方面进行了对比,带喷注芯体的喷注器结构在开机响应特性和燃烧性能方面都更好。     

HAN基单组元发动机均匀分配喷注器设计及试验研究

硝酸羟胺基（简称HAN）推进剂要比肼类推进剂稳定,将相同质量的HAN基推进剂完全分解,HAN基推进剂所需的时间要比肼推进剂要长。为了增大推进剂与催化剂的初始接触面积,使推进剂在催化床内均匀分布,开展了发动机喷注器的均匀分配方式研究。通过采用VOF模型对新型喷注器结构的喷注过程和雾化效果进行数值仿真研究,为喷注器结构优化提供理论支持。同时通过三维PDA（Phase Doppler Anemometry）测量系统,获得了两种喷注器结构雾化液滴空间上的密度分布、直径大小以及轴向速度等对比情况。最后,通过地面热试车试验,对两种喷注器结构的发动机在脉冲温启动、稳态工作性能及燃烧反应特性等方面进行了对比,带喷注芯体的喷注器结构在开机响应特性和燃烧性能方面都更好。     

增塑剂及燃烧催化剂对BAMO-THF复合推进剂性能的影响

采用混合硝酸酯(NG+DEGDN)和2,2-二硝基丙醇缩甲醛与2,2-二硝基丙醇缩乙醛混合物(A3)研究了增塑剂对3,3-二叠氮甲基氧丁环-四氮呋喃共聚醚(BAMO-THF)复合推进剂燃速、力学性能的影响。结果表明NG+DEGDN增塑的推进剂燃速和力学性能均优于A3。另外,研究了一种有机过渡金属燃速催化剂(代号OME)对BAMO-THF复合推进剂性能的影响。在显著提高BAMO-THF复合推进剂燃速同时,OME还可提高该体系力学性能。X射线光电子能谱(XPS)分析表明OME与粘结剂中叠氮基团存在作用力。     

新型高燃速推进剂的催化燃烧性能

研究了有机酸铅盐、有机酸铜盐、铜铬氧化物、铁化合物不同组合作为催化剂对新型复合改性双基高燃速推进剂燃烧性能的影响。发现新型的铅铁络合物与铜铬氧化物组合是一种高效的催化剂组合。在配方中添加3%的组合催化剂,可使该新型高燃速推进剂燃速(9.81 MPa)从48.78 mm/s(空白配方燃速)提高到56.66 mm/s,9.81~19.62 MPa区间内的压力指数从0.676下降到0.576。用差热分析研究了铅铁络合物和铜铬氧化物及其复合对双基粘结体系(NC NG TEGDN)和AP热分解的影响,结果表明,复合催化剂可使双基粘结体系分解峰温提前4.94℃,使AP高温分解峰温提前119.08℃,放热量从144.97 J/g增大到1 180 J/g。     

硝酸酯增塑的热塑性聚氨酯弹性体推进剂

研究了在热塑性聚氨酯弹性体 (TPU )软段中引入聚乙二醇 (PEG) ,以改善与硝酸酯的混溶能力。通过控制 PEG的相对分子质量和含量 ,可使硝酸酯与 TPU的混溶比大于 4。采用溶剂法挤压成型工艺成功地制成了硝酸酯增塑的 TPU推进剂。此类推进剂的理论比冲为 2 598N· s/kg～ 2 648N· s/kg,燃烧性能优良 ,空白配方的压力指数为 0 .36,常、低温力学性能优异 ,可为硝酸酯增塑 ,加工温度较低。该推进剂是一个可以实现以挤压工艺生产的复合推进剂新品种 ,具有良好的应用前景。此外 ,对推进剂的热分解性能也进行了研究     

含高氮化合物BTATz的CMDB推进剂特性

以新型高氮化合物3,6-双(1-氢-1,2,3,4-四唑-5-氨基)-1,2,4,5-四嗪(BTATz)取代RDX制得了BTATz-CMDB推进剂试样,获得了燃速结果,并利用TG-DTG,PDSC,单幅照相、燃烧波温度分布和熄火表面形貌及元素含量测试技术对推进剂的热分解特性及燃烧特性进行了系统研究。结果发现,BTATz的氧平衡值较低,用其取代双基推进剂中的NC和NG后,推进剂的各能量特性参量出现不同程度的降低,因此,BTATz在推进剂中的含量不宜太高。BTATz-CMDB推进剂适用于常规无溶剂成型工艺进行制造;BTATz在燃速提升方面具有突出潜力,尤其在对推进剂主放热反应催化加速的催化体系(邻苯二甲酸铅、己二酸铜和炭黑的混合物)作用下,燃速提升效果更加明显;BTATz-CMDB推进剂燃烧时的火焰符合双基系推进剂火焰的一般特征,但由于BTATz不存在类似RDX那样的熔融过程,该类推进剂燃烧产生了发散火焰束,燃烧表面由熔融状变为疏松珊瑚状,火焰强度增强;随着压强升高,燃烧表面产生发散火焰束的活性点增多,暗区迅速变薄,增加了火焰区向燃烧表面的热反馈,加速了燃烧反应;催化体系对推进剂燃烧反应的气相区影响不大,它加强了凝聚相及表面附近的放热反应,改变了推进剂燃烧表面的结构,在推进剂燃烧过程中,催化剂(新生态)在推进剂的燃烧表面富集,催化了推进剂的分解和燃烧,促进了推进剂燃速的提高。     

凝聚相界面反应在复合推进剂燃烧过程中的作用

一、引言 复合固体推进剂燃烧表面及亚表面的凝聚相反应通常由氧化剂的热分解反应,有机粘合剂的热分解反应以及氧比剂与粘合剂间的界面反应等三部分所组成。关于凝聚相界面反应及其对推进剂燃烧性能的影响,至今尚未引起有关学者的应有重视。少数学者在应用夹层燃烧器研究复合固体推进剂燃速催比剂的作用部位时,曾发现亚铬酸铜和氧化铁等催化剂能加速氧化剂分解气体与固体粘合剂间的非均相界面放热化学反应,但他们都未能作出定量的评价,文献[1]曾提出了有关复合固体推进剂凝聚相界面反应热的计算公式:     

含DNTF的改性双基推进剂燃烧性能

研究了3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）的含量、不同催化剂体系、炭黑的含量、DNTF的粒度对DNTF改性双基推进剂燃速和压强指数的影响。实验表明：DNTF含量为30％时，以含能铅盐、芳香铜盐和炭黑（cB）所组成的复合催化剂可使推进剂压强指数降为0．37（8～14MPa）；而当DNTF的含量为50％时，所选用的三种催化剂体系（铅盐包括含能铅盐和芳香铅盐，铜盐为芳香铜盐）对推进剂的燃烧性能失去调节作用；炭黑含量的增加使推进剂的燃速增加，压强指数变大；DNTF的粒度对该推进剂的燃速影响明显，DNTF粒度较大时，燃速较高（53．19mm／s，16MPa），压强指数较大。     

Al基含能微单元的一体化制备和燃烧性能

针对固体推进剂所面临的Al粉燃烧不充分和微纳尺度下组分偏聚两大关键问题，采用组分复合技术设计制备一种将氧化剂AP包覆在氟化物改性Al粉表面的含能微单元Al@PFPE@AP核壳型粉体，通过扫描电子显微镜、激光粒度仪、氧弹量热仪、电感耦合等离子发射光谱仪以及X射线衍射仪等对微单元粉体的形貌、粒径、燃烧性能以及燃烧产物进行分析。结果表明：含能微单元Al@PFPE@AP呈现明显的核壳结构，粒径较均一；当PFPE的添加量为5%（质量分数）时，相比于机械混合样品（AP+Al）,Al@5%PFPE@AP的燃烧热值提高了63.8%，燃烧产物粒径减小了61.8%，燃烧产物中活性铝含量减少57%以上；PFPE可以与Al粉发生预点火反应，增加Al粉的反应活性，并且Al粉表面对AP分解有催化作用，使AP的高温分解温度和低温分解温度分别降低了12℃和10℃；核壳型微单元结构对体系燃烧性能的提升有明显的促进作用，能够大幅度提高推进剂主要组分燃烧时的能量水平。     

双推进剂端面燃烧发动机的燃烧特性和弹道性能

端面燃烧发动机的药型简单、装填密度也高.但是这种装药燃烧室有很多不利因素,所以端面燃烧仍较少采用.如今保护金属壳体而加厚隔热层,致使总的性能下降;为了使低空发射的飞行器具有足够的加速度,需要高比冲和高燃速推进剂,而高燃速复合推进剂的压力指数一般都大,使推进系统在燃烧室压力变化时反应很敏感.双推进剂药柱方案(图1),可以克服端面燃烧发动机的弱点.     

键合剂对聚三唑聚醚固体推进剂力学性能影响研究

为了找到满足聚三唑聚醚复合推进剂使用要求的键合剂,合成了一系列不同羟基含量的键合剂,TNG—OH。利用13C—NMR,FTIR和热失重对其结构和热稳定性进行了表征,并将其应用到聚三唑聚醚复合固体推进剂中。13C—NMR和FTIR结果确定了三唑环的形成以及羟基和叠氮基的存在,而热失重结果则表明键合剂中三唑环的形成有利于其热稳定性的提高。键合剂TNG—OH在含高氯酸铵、铝粉和硝胺的聚三唑复合固体推进剂中能显著提高其力学性能:与不含键合剂体系相比,60℃和20℃时,复合推进剂的拉伸强度和断裂应变显著提高;-40℃时,所有推进剂体系均发生了明显的屈服现象,且屈服强度和屈服应变以及断裂应变均随着TNG—OH键合剂中羟基含量的增加而增加。与传统聚氨酯用键合剂LBA–604相比,含键合剂TNG—OH的聚三唑复合固体推进剂具有更好的力学性能。     

超微细氧化剂对改善固体推进剂燃烧性能的作用

通过对40篇文献的分析,综述了超细、微细高氯酸铵(AP)、硝胺(RDX,HMX)对提高AP-复合推进剂、硝胺-复合推进剂及AP/硝胺复合改性双基推进剂燃烧性能所起的作用。论述了超细AP,多孔AP明显提高燃速及微细硝胺消除燃速-压力曲线拐点的作用,并以数据图表说明了超细,微细AP、硝胺推进剂在高效燃速催化剂、聚叠氮含能粘合剂等有利条件的协同作用下获得很高燃速和比冲的事例。     

铝/镁基水反应金属燃料的燃烧特性研究

为了探索在水冲压发动机中高金属含量铝/镁合金水反应金属燃料的稳态燃烧,开展了其一次燃烧和二次燃烧实验研究,其中铝/镁合金含量达到80%。采用氧弹量热仪收集一次燃烧固相产物,并将一次燃烧固相产物置于水蒸气高温管式炉中模拟二次燃烧。采用TGA对铝、镁和铝/镁合金进行了热性能分析,并采用XRD,SEM及化学分析方法对铝/镁合金和推进剂的一、二次燃烧固相产物进行了表征。结果表明,铝/镁合金的启动氧化温度530℃优于镁的600℃,铝/镁合金在第二阶段的氧化性能优于铝的。铝/镁合金为Mg17Al12,一次燃烧固相产物中主要存在Mg Al,Mg2Al3,Mg Al2等合金相和Mg O,在二次燃烧的固相产物中有Mg O,Al和Al2Mg O4,其中剩余Al的含量随着管式炉温度增大先增大后减小。分析认为铝/镁合金在燃烧过程中镁先行发生了反应,而后其中的铝才发生反应。