超高燃速固体推进剂燃烧问题的讨论

本文根据R.A.Fifer的报告(AD/A121668,1982)编写而成.文中讨论了超高燃速固体推进剂的对流燃烧特征,对流燃速与材料的化学组成、孔隙率力学强度等的关系;阐述了表征对流燃速的密闭爆发器和靶线法试验结果之间存在的较大差异;分析了影响超高燃速材料感度的因素;最后展望了进一步研究的问题和可用的新技术。     

价电子分形燃烧模型在高能固体推进剂中的应用

在价电子燃烧模型的基础上引进分形理论,提出复合固体推进剂的价电子分形燃烧模型,在此基础上进行了高能固体推进剂燃速和压强指数的模拟计算,研究了固体填料粒径和压力对燃速的影响规律。结果表明,价电子分形燃烧模型适用于高能固体推进剂的燃烧性能计算,燃速及压强指数模拟计算结果与测试结果吻合较好,大部分误差在±10%范围以内。     

固体推进剂动态燃烧的实验研究

对固体推进剂的动态燃烧进行了理论分析和实验研究,建立了推进剂动态燃烧的理论模型,并推导出了推进剂动态燃速公式.实验研究中发现推进剂燃烧过程中压强变化率对其燃速有显著影响,且压强变化率越大,影响也越明显;动态燃速要比静态燃速最多可高出40.2%(MDB)和17.7%(复合推进剂).     

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。     

固体推进剂燃速密闭爆发器测试方法

介绍了固体推进剂燃速特性的密闭爆发器测试法,给出了该法的物理模型和数学模型,以及用改性双基推进剂试样进行的测试。试验结果表明该方法的测试误差小于2%,有很好的重现性。     

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。     

无喷管火箭发动机侵蚀燃速辨识

本文提出用无喷管火箭发动机终止燃烧后测得的燃层厚度,辅之以测得的p(x,t)曲线,来辨识无喷管火箭发动机工作条件下推进剂侵蚀燃速规律的一种方法。该方法克服了以往用P-t曲线间接辨识燃速方法中存在的问题,避免了复杂的内弹道计算,大大缩短了计算机时,实践表明,这种方法辨识结果稳定,用其结果计算的燃层厚度与实验值符合较好。     

GAP推进剂的燃烧

为了解高能叠氮聚合物的燃烧速率机理,对GAP(聚叠氮缩水甘油醚)推进剂的燃烧和分解过程作了研究.GAP推进剂的特点是在分子结构中附有-N_3官能团,燃烧试验结果表明:即使单位质量GAP推进剂所含的能量相对较低,GAP推进剂的燃速也较高;而且其燃速很大程度上依赖于初始温度和GAP推进剂中的混合浓度.AGP推进剂的燃速随着单位质量的GAP推进剂中-N_3官能团浓度的增加而增加.从GAP燃烧火焰结构的热分布试验和热化学试验中可发现,燃烧表面放出的热量比由热气流反馈到燃烧表面的热量大得多,GAP的初始分解是由-GH_2-N=N_2分子结构中键断裂生成-C≡N N_2引起的.该分解反应具有高达685kJ/mol的放出热,由此可得,所观察到的高燃速是由燃烧表面的热分解反应引起的.     

含铝推进剂的燃烧效率

为获得火箭顶级发动机所用推进剂的最优性能,本文就40种低燃速含铝推进剂配方的组分含量变化对其燃烧效率的影响进行了评价.所试验的推进剂由高氯酸铵、铝粉、环四甲撑四硝铵(HMX)和端羟基聚丁二烯组成.依据实验所得的铝凝聚尺寸、燃速和比冲数据可知,当燃速增加时,燃烧效率有增加的倾向;在低 L条件下,当铝凝聚尺寸减小时,比冲效率增加;铝凝聚的程度取决于口袋结构的特性,当口袋中的铝含量及铝与细 AP 质量比下降时,铝凝聚尺寸减小;口袋容积变小时,使用粗 HMX 具有减小铝凝聚尺寸的作用;HMX 的尺寸对燃速没有影响。     

球形铝粉对低燃速丁羟推进剂燃烧特性的影响

采用静态燃烧性能测试和实验发动机动态实验等方法。研究了球形铝粉替代非球形铝 后推进剂燃速特性的变化。研究发现，含球形铝粉推进剂的低压燃烧速显著降低，而燃速压强指数明显高于含非球形铝粉推进剂，讨论了球形和非球形铝粉对推进剂燃烧过程的影响，并初步解释了含球形铝粉推进剂低压燃速的下降原因。     

含SrCO3低燃速HTPB推进剂燃烧压强温度敏感特性研究

针对含SrCO3低燃速HTPB推进剂的燃烧特性，进行了不同压强或初温条件下的燃速测量、近距单幅摄影及CCD图像采集、SEM-能谱分析、TG—DTG分析等实验研究。结果表明：SrCO3的使用可显著降低推进剂的燃速压强指数和温度敏感系数；压强因素比初温条件对燃烧火焰形貌的影响大；高、常温熄火表面元素皆发生聚集，但在不同温度下熄火，元素的含量及各元素重叠的相对位置发生改变；添加SrCO3会让AP的分解峰向高温方向移动，抑制AP的分解并降低燃速，导致AP的两分解峰之间失重速率与热释放量增加，使凝相燃烧表面温度升高，燃速温度系数降低。     

复合固体推进剂初温影响燃速和压力指数的模拟计算分析

以“价电子反应”稳态燃烧模型和模拟计算方法,模拟计算了AP粒径、粒径分布宽度、A1含量、A1粒径及压力对“AP/A1/HTPB/催化剂”系列推进剂的燃速温度敏感系数λ_P和压力指数的影响规律,并导出了λ_P与燃面温度T_s、凝聚相反应热Q_s和dQ_s/dT_0间的关系式.     

偏二甲肼液滴燃烧特性及影响因素实验研究

设计了一套密闭环境液滴燃烧实验系统,开展了不同实验工况下偏二甲肼(UDMH)液滴在四氧化二氮(NTO)环境中的着火燃烧实验,详细分析了UDMH单液滴着火燃烧特性,考察了燃烧室温度、压力、液滴初始直径及速度对燃烧过程的影响。结果表明,液滴燃烧经历了初始燃烧阶段,剧烈燃烧阶段和熄燃阶段3个过程。其中,初始燃烧阶段和熄燃阶段的持续时间均较长。燃烧过程中,燃烧火焰呈现出明显的双火焰峰结构,内层为规则的椭圆形分解火焰峰,外层为带有尾迹火焰的扩散火焰峰。增加燃烧室温度促使液滴表面与内部的燃料快速蒸发,形成了充足的燃料蒸气环境,有助于液滴的着火燃烧;燃烧室压力的增加加快了反应速度,减少了液滴生存时间;增大液滴下落速度导致液滴表面蒸发流率得到增强,更易产生足够的燃料蒸气,促进燃烧的进行,从而有助于液滴生存时间的减小。     

球形铝粉对低燃速丁羟推进剂燃烧特性的影响研究

采用推进剂静态燃烧性能测试和实验发动机动态实验等方法，研究了球形铝粉替代大量吕粉后推进剂燃速特性的变化情况。研究发现，含球形铝粉推进剂的燃速压强指数明显高于含非球形铝粉推进剂，而且含球形铝粉推进剂的低压燃速显著降低。经过对铝粉燃烧过程的研究，讨论了球形铝粉和非球形铝粉对推进剂燃烧过程的影响，并初步解释了含球形铝粉推进剂低压燃烧的下降原因。     

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.     

中心孔药柱中燃速的径向变化

大西洋研究公司提出了一种分析固体发动机药柱燃烧状况的计算机程序化方法,本法可直接计算局部燃速对已燃药厚的平均燃速的比。包括使用标准批检验发动机的某些特殊试验在内,对几种不同构形的中心孔药柱燃速比的药厚变化效应(“虹效应”)及数值进行了评估。分析表明这种燃速比的药厚效应是由制造方法引起的.实际上与尺寸、长径比、控制温度、燃速和药厚等发动机参数无关。提出了一种假说,认为此种药厚效应的起因与推进剂富粘合剂层的条痕结构有关,而条痕的形状又与制造方法及药柱构形有关。迄今积累的数据表明,对圆孔药柱而言,事先固定芯子的装药比先浇注后插入芯子的装药燃速约高3—4%。药柱上的各种槽沟往往限制了各点虹效应的精度确定,尽管在全部的构形中均可看到总的虹效应,且最大与最小值的差一般均在3—6%范围内变动。本文给出了各种发动机的燃速比数据,其推进剂重量从10磅左右至2000磅,长径比1:1至8:1,药厚从小于1英寸到大于7英寸,药形有槽管状、锥柱状、一端和两端的圆柱状。     

HMX/RDX粒度对硝胺推进剂高低压燃烧特性的影响

采用水下声发射法测试推进剂药条不同压强下的燃速,按维也里公式r=bpn计算某压强段的压强指数n,研究了含不同粒度HMX、RDX的硝胺推进剂高低压燃烧性能。结果表明,在低压段(3~9 MPa),无论粒度大小,相对无硝胺推进剂配方,n值均降低;在高压段(15~20 MPa),推进剂n值与硝胺粒度呈指数关系,粒度越小,n值越低;含硝胺的推进剂存在一个压强点,其与硝胺粒度有关,低于该压强点时推进剂燃速是细粒度硝胺高于粗粒度硝胺的,高于该压强点则反之;对20 MPa下,推进剂燃速与硝胺粒度呈非线性二项式关系,粒度越大,燃速越大。     

基于BDP模型的AP/HTPB推进剂燃速参数敏感性分析

稳态和非稳态燃烧模型对于研究AP/HTPB复合推进剂中低频下的压强耦合特性问题是十分重要的,可信的稳态计算结果是非稳态计算的前提。在应用稳态燃烧模型对推进剂的燃速进行计算时,参数值的选取对计算结果具有很大的影响。针对AP/HTPB复合推进剂燃烧特性,在BDP多火焰结构理论的基础上,采用了AP/HTPB复合推进剂稳态燃烧模型,并对模型进行了数值计算,研究了AP和HTPB的指前因子和活化能及δ参数对推进剂燃速的影响。计算结果表明,AP活化能Es,ap的取值对推进剂燃速结果影响较大,在高压下更为敏感;HTPB的指前因子As,b对燃速几乎没有影响,其活化能Es,b对燃速影响较小,高压条件下,影响作用略微增强;参数δ值的选取对计算燃速值影响很大。     

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。     

含微米级铝粉丁羟推进剂燃烧效率影响因素研究

理论计算丁羟推进剂组分对凝聚相产物的影响,利用充氮气密闭装置收集含微米级铝粉丁羟推进剂燃烧残渣,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分别对残渣形貌及物相分析,并采用激光粒度仪测试燃烧产物平均粒径,研究铝粉粒度及含量、燃速催化剂含量、氧化剂级配等因素对微米级铝粉在推进剂燃烧过程团聚及燃烧效率影响。结果表明,丁羟推进剂理论生成凝聚相产物随铝粉含量增加而增加,随燃速催化剂含量增加而降低;当推进剂中铝粉含量由18%降至6%,推进剂燃烧残渣团聚颗粒尺寸由112.58μm降至79.03μm,残渣中单质铝相对含量由10.6%降至1.4%,铝粉燃烧效率由82.1%提高至97.1%;铝粉粒度由14μm增加至34μm,推进剂燃烧残渣团聚尺寸从65.24μm增加至92.14μm,推进剂燃烧残渣中单质铝相对含量由2.4%增加至5.1%,铝粉燃烧效率由95.0%降至89.5%;燃速催化剂含量由0.5%增加至2.0%,推进剂燃烧残渣团聚颗粒平均尺寸由112.56μm下降至70.12μm,残渣中单质铝含量由5.1%降至3.5%,铝粉燃烧效率由90.3%增加至93.3%;当粗粒径AP与细粒径AP比例由9∶1降至9∶4时,推进剂燃烧残渣团聚颗粒尺寸由234.21μm降至87.16μm,残渣中单质铝相对含量由8.9%降至2.9%,铝粉燃烧效率由84.4%提高至94.7%。