复合固体推进剂直写式3D打印工艺及其性能

开展了高固含量含能材料——复合固体推进剂的增材制造技术研究,开发出气动直写式增材制造打印系统,研制了相应的光固化三组元推进剂配方。同时,通过感度测试表明该光固化推进剂配方与普通热固化三组元配方危险等级相当,可以实现较安全打印。通过打印工艺参数的调节等大量试验研究,确定了打印头直径为1.5～2 mm,打印头直径越大精度越低,并获得了不同形状固含量75%和80%的推进剂药柱,进一步热固化后测试其抗拉强度分别为0.68、0.61 MPa,最大伸长率为31%、30%,密度为1.60、1.63 g/cm~3,6.68 MPa下的静态燃速为5.10、8.81 mm/s。随后,采用固含量80%的推进剂配方打印了?127 mm试验发动机药柱,成功实现地面点火,测得发动机的平均动态燃速为r=9.034 mm/s,平均压强为p_(tb)=6.112 MPa。     

高室压脉冲液体火箭发动机特性试验

为了研究高室压脉冲液体火箭发动机工作原理,增压规律以及脉冲特性,通过一系列冷热流试验对试验发动机进行了研究。冷流试验中使用水和氮气作为工质,试验发动机实现自主脉冲工作,验证了差动式可移动活塞应用在推力室中具有增压效果。热流试验中使用气氧/酒精为推进剂,使用传统挤压式推进剂供给系统。在可移动喷注器行程0.8mm条件下,获得9次连续脉冲,燃烧室峰值压强5.511MPa,高于推进剂供给压强（氧气路3.761MPa,酒精路4.424MPa）,表明在相同的推进剂供给压强下,高室压脉冲液体火箭发动机能提高燃烧室压强。     

固体推进剂宽温-气体围压试验系统设计与试验

针对固体推进剂常压条件下力学性能满足要求,而发动机药柱结构完整性破坏频发的难题,研制了固体推进剂宽温-气体围压试验系统,对某HTPB推进剂进行了不同环境压力、温度和拉伸速率下的定速拉伸试验,获得了环境压力、温度和拉伸速率对推进剂应力-应变曲线的影响规律。研究表明,围压环境下推进剂应力-应变曲线没有明显的"脱湿"点,推进剂的抗拉强度明显提高;快速拉伸条件下,围压环境极大地降低了推进剂的延伸率,23℃常温8 MPa围压环境1000mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率相对常压条件降低45%;低温围压快速拉伸条件下推进剂的力学性能最为恶劣,-50℃低温8 MPa围压环境500 mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率降至11%。相关方法和结论可为固体发动机精细结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

铅盐、铜盐及其碳黑复合物对叠氮/硝胺推进剂燃烧性能的影响

研究了LA铅盐、GT铜盐及其碳黑复合物对硝胺/叠氮推进剂燃烧性能的影响。结果表明：GT铜盐可提高叠氮/硝胺推进剂的燃速,质量分数1%的GT铜盐能提高推进剂燃速1.5～2.4 mm/s;LA铅盐、GT铜盐及其碳黑复合物可降低叠氮/硝胺推进剂压强9～19 MPa下的压强指数,推进剂中加入质量分数3%的该复合催化剂,压强9～...     

用多孔塞片实现推进剂微小流率的控制

在10 cm霍尔推力器工作流率需求分析的基础上,利用小孔节流原理和氙气黏性随温度变化明显的特性,采用粉末冶金多孔金属塞片作为节流元件,在给定入口压力的情况下,通过调节温度实现推进剂微小流率的控制。对基于该控制原理而设计的流量控制器开展了各项环境试验,即在试验前后利用推进剂流率测试系统对其性能进行了测试,测试结果一致性较好,符合设计要求。该流量控制器可在较宽的温度范围内实现不同流率的实时调节,从而满足推力器不同工作状态的流率需求,具有较强的适应性和调节性。     

新型降速剂对聚醚推进剂燃烧性能的影响

为了进一步降低聚醚推进剂燃烧速度,采用TG/DTA法分析了新型降速剂对推进剂主要组分(粘合剂、增塑剂、氧化剂)热分解行为的影响,并考察了降速剂在聚醚推进剂中的应用效果,研究了降速剂粒径、含量对推进剂燃烧性能的影响。研究表明:新型降速剂可以抑制PET、AP的热分解,使PET分解温度提高约40℃,使AP低温分解提高约30℃,使高温分解提高约15℃;新型降速剂在聚醚推进剂中降速效果明显,当用量为2%,压强为7 MPa下静态燃速由8.73 mm/s降低至6.26 mm/s,降幅为28.3%,动态燃速由10.85 mm/s降低至8.59mm/s,降幅为20.8%,效果优于碳酸钙、草酰胺等常用降速剂;提高降速剂含量、减小粒径,均有利于提高降速效果,但对降低压强指数没有作用。该降速方法可以推广到其他推进剂体系中。     

固体推进剂装药枪击试验数值模拟与试验

固体推进剂的枪击试验是评价固体推进剂及装药在受到枪击的情况下,是否发生燃烧、爆炸及爆轰等剧烈反应的重要试验方法。采用LS-Dyna有限元仿真软件研究了枪击试验推进剂的反应过程,并采用12.7 mm枪击试验验证了LS-Dyna的计算结果。结果表明,以点火增长模型、Johnson-Cook本构模型和Gruneisen状态方程分别赋予推进剂、子弹及推进剂壳体,计算结果表明,推进剂发生明显的燃烧反应,且推进剂燃烧在壳体内部产生的压力显著增大。采用12.7 mm枪击试验验证的试验结果表明,推进剂装药在12.7 mm子弹以约850 m/s速度撞击下,推进剂发生燃烧,此结果与模拟结果相一致。     

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。     

高性能微型轻质控制阀

当前,由于强调战区导弹防御的结果使 Kaiser Marquardt(KM)公司研制生产出高性能微型轻质控制阀,研制的阀门一般是既用于开/关动作又用于脉冲调节控制气体(13.7～68.6MPa 表压)和各种火箭推进剂(17.8MPa 表压)流量,气体流量可达340.5g/s,水流量可达567.5g/s,而且每种阀门的重量低于90.8g,均为微型,响应特性范围只有1～3ms,本文介绍了最近研制的三种阀门的设计思想和性能参数。     

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。     

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。     

Metal/N_2O粉末火箭发动机实验研究

采用气压驱动供粉方式,开展了Metal/N2O火箭发动机点火实验。通过分析活塞位移及燃烧室压强振荡,研究了两相流动特性。根据液滴燃烧模型,分析了燃烧室压强、颗粒滞留时间、氧燃比等因素对发动机燃烧效率的影响。通过以上研究,验证了此种发动机的优良性能。结果表明,输送管路中固相浓度脉动幅度在颗粒粒径40μm、两相流空隙率97%、氮气流动速度27 m/s情况下小于±0.36%;Mg/N2O实验平均特征速度效率在燃烧室压强0.5 MPa情况下高达96.4%,Al/N2O实验在燃烧室0.91 MPa情况下燃烧效率达到88.5%;提高燃烧室压强、颗粒滞留时间,可提高燃烧效率,但氧燃比对燃烧效率影响较为复杂。     

氧化亚氮/乙烯推进剂预混燃烧特性试验研究

氧化亚氮基单元复合推进剂是一种新型、高能、无毒的单组元推进剂,具有广阔的应用前景。开展了氧化亚氮/乙烯推进剂在室压0. 7 MPa和1. 0 MPa条件下、混合比6. 2～10. 6范围内的预混燃烧特性试验,获得了混合比、燃烧室特征长度等对特征速度和燃烧效率的影响规律。试验结果表明:当量孔径为65μm、厚度为5 mm的不锈钢多孔材料具有良好的防回火效果,所有试验工况均未发生燃烧室回火现象; N_2O/C_2H_4推进剂的理论特征速度和试验特征速度均随着混合比的增大而减小,最高燃烧效率达到了95. 0%;随着燃烧室特征长度的不断增大,燃烧效率先增大后减小,对所试验的特定喷注器结构的铜热沉模型燃烧室来说,最佳的燃烧室特征长度在1. 675 m左右。     

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。     

振荡环境下多层三明治模型火焰波动特性研究

基于OpenFOAM计算平台,针对发动机振荡环境下AP/HTPB复合推进剂微观火焰的燃烧波动特性开展了数值计算研究。由于传统的三明治模型并未考虑相邻火焰之间的影响,因此本文采用多层三明治构型,在平均压强5.7 MPa、振荡频率323 Hz、压强振荡幅值为0.2 MPa、质量比α_(AP/HTPB)=7/3的情况下,开展数值模拟和分析工作。结果表明,基于OpenFOAM的建立的数值模拟方法,可获得发动机振荡环境下AP/HTPB三明治模型火焰的波动特性,包括火焰高度、火焰摆动角度、对近燃面气相区域的热反馈等参数的变化。对比分析表明,相邻火焰会对彼此的火焰波动特性产生影响,多层三明治模型对推进剂细观火焰的描述更加合理。     

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。     

电磁阀动态响应特性仿真研究

建立了电磁阀动态过程数学模型,包括电动气阀数学模型和气动液阀数学模型,运用Matlab/Simulink将两个模型联系起来求解,实现了诸如电流、电磁力、衔铁和活塞位移、速度以及控制腔压力、体积等参数变化的动态过程仿真,并运用此模型研究了线圈励磁电压、线圈匝数、电阻、气隙、气源压力、反力因素以及结构尺寸参数等对电磁阀响应特性的影响。     

双组元150 N自燃推进剂发动机单阀打开脉冲特性

为了研究单路电磁阀打开对采用自燃推进剂的双组元空间液体火箭发动机脉冲工作特性的影响,对150 N发动机开展高空模拟热试车。采用推进剂组合为四氧化二氮和甲基肼,考察了氧化剂路、燃料路电磁阀同时打开和分别单独打开时20、30、50、80 ms脉宽下的发动机脉冲工作特性,脉冲控制周期均为160 ms。试验结果表明:(1)仅氧阀打开时,20、30 ms脉宽下的发动机平均推力冲量分别为0.35、0.41 N·s,分别为对应正常工况的11.08%、9.51%;50、80 ms脉宽下平均推力冲量分别为0.47、0.63 N·s,分别为对应正常工况的6.20%、5.33%,四氧化二氮均发生了充分的闪蒸雾化。(2)仅燃阀打开时,20、30 ms脉宽下的发动机平均推力冲量值相当,分别为0.17、0.18 N·s,分别为对应正常工况的5.38%、4.18%,甲基肼主要呈液态从喷管出口边缘流出;当脉宽增大至50、80 ms时,甲基肼发生不完全的闪蒸,发动机平均推力冲量随脉宽增大而逐渐增大,分别为0.22、0.31 N·s,分别为对应正常工况的2.90%、2.62%。单阀打开时,发动机脉冲工作产生的推力冲量主要与推进剂的闪蒸雾化程度有关。     

主动式活塞凝胶流量标准装置的建立

凝胶推进剂是一种非牛顿粘弹性流体,具有粘度高、压力触变性等特点,在发动机实际试车中采用了科氏力质量流量计对凝胶推进剂在实际管路中的流量进行测量。西安航天计量测试研究所结合凝胶推进剂本身的压力触变特性,对凝胶流量计的校准进行了深入地研究。基于主动式活塞液体流量标准装置的结构,通过增设加压/泄压装置,加装在线密度计,设计了一套针对火箭发动机凝胶流量计的标准装置。该装置可以充分模拟凝胶流量计的实际使用工况,实现凝胶流量计的实流模拟校准,进而提高了瞬态流量的测量准确度。本套凝胶流量标准装置具有流量稳定、重复性好及测量范围大等特点,其质量流量测量范围为19.44~3 611 g/s,完全满足我国航天发动机在实际热试车和高空模拟试车中对凝胶推进剂质量流量测量的要求。