固体推进剂氧化剂的共晶改性研究进展

高能量密度的六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、氧平衡优异的高氯酸铵(AP)和二硝酰胺铵(ADN)等,用作氧化剂可提高固体推进剂能量、氧平衡等性能,具有良好的应用潜力。由于CL-20存在机械感度高和低氧平衡等问题,AP和ADN存在易吸湿和低能量等缺点,针对CL-20、AP、ADN等氧化剂进行共晶改性成为提升固体推进剂能量、安全等性能的重要途径。根据固体推进剂对氧化剂的性能要求,分析了各种氧化剂应用在推进剂配方中存在的性能优势和不足。综述了近年来CL-20、ADN等氧化剂在机械感度、吸湿性、氧平衡等方面的共晶改性情况,总结了当前已报道的共晶氧化剂相比原材料出现的性能优缺点和在制备与应用过程中存在的问题,展望了未来固体推进剂用氧化剂共晶改性的发展方向与应用前景。     

AP粒度对其感度、推进剂燃烧速度及临界电子激发能的影响

研究了固体推进剂中氧化剂AP的平均粒度对其撞击感度和摩擦感度的影响,以及当AP加入改性双基推进剂中后,其平均粒度对改性双基推进剂燃烧速度的影响。揭示了影响AP撞击感度、摩擦感度以及推进剂燃烧速度的主要原因,即AP颗粒大小与引起其分解所需的临界电子激发能之间的关系。这对超细AP在推进剂中的安全合理应用具有重要指导意义。     

含BuNENA钝感交联改性双基推进剂能量分析

利用推进剂配方理论计算程序,计算了Bu NENA钝感交联改性双基推进剂的能量性能。结果表明,标准理论比冲随粘合剂GAP/NC比例和增塑比的变化很小;随固体含量、固体填料RDX/AP/Al配比的变化很大。CL-20取代AP后,Bu NENA推进剂在固体含量为70%,其中CL-20为39%~52%范围内(相应的Al粉含量在7%~10%范围),都可得到2700N·s/kg以上的理论比冲值,是一个有潜力的集高能、钝感、低特征信号于一身的推进剂体系。     

钝感GAP微烟推进剂的能量性能计算

根据推进剂配方理论计算程序计算了含N-脒基脲二硝酰胺(FOX-12)、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)、三氨基三硝基苯(TATB)、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、黑索今(RDX)、二硝酰胺铵(ADN)等高能钝感氧化剂及1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)、二缩三乙二醇二硝酸酯(TEGDN)、三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)、N-丁基-2-硝酸酯乙基硝胺(Bu-NENA)等钝感增塑剂的几种单元推进剂和钝感微烟推进剂的能量性能。计算结果表明,所列的7种含能氧化剂中,由RDX和DNTF形成的单元推进剂的标准理论比冲分别为2 696.4 N.s/kg和2 610.2 N.s/kg,明显优于其他几种氧化剂。当采用DNTF部分取代GAP推进剂中的RDX或ADN后,推进剂的理论比冲、密度和特征速度相应提高。由于DNTF的感度低于RDX,因此DNTF引入推进剂中,对提高钝感GAP微烟推进剂的能量性能是有益的。     

含碳氢燃料(ACH)的低特征信号富燃料推进剂特性

随着低特征信号固体推进剂技术的发展,低特征信号富燃料推进剂的研究已受到国内外广泛关注。高能碳氢燃料部分替代富燃料推进剂中的金属燃料是降低推进剂特征信号的主要途径之一。采用激光粒度仪测试了烯烃类碳氢燃料(ACH)的粒径及粒径分布,利用TG-DTG热分析仪分析了ACH及含ACH的富燃料推进剂热分解特性,评价了ACH和含ACH的富燃料固体推进剂的机械安全性能(撞击感度和摩擦感度),采用靶线法和燃烧实验装置研究了推进剂的燃烧特性及火焰结构,分析了含ACH的富燃料推进剂的燃烧残渣率,并与不含ACH的富燃料推进剂进行了比较。结果表明,ACH的颗粒较均匀,明显呈现近"球形";富燃料推进剂的质量燃烧热值和体积燃烧热值随着ACH质量分数的增加均增大,而密度却减小; ACH的撞击感度和摩擦感度均较低,表明其自身本质是安全的,推进剂的特性落高H50随着ACH质量分数的增加而提高,而摩擦感度几乎不发生变化;在不同测试压力下,推进剂的燃速随ACH质量分数的增加而降低,而燃速压力指数却增大,压力指数提高了65.87%。     

TN在固体推进剂中能量特性的计算研究

本文简述了一种新型的有机氧化剂2,3,5,6-四硝酸酯-1,4-二硝基(口派)嗪(TN)的理化性能,并根据White的最小自由能法原理,借助于电子计算机,对其在固体推进剂中的能量特性进行了计算研究。计算结果表明,TN、铝粉(A1)和HTPB系列的复合固体推进剂的理论比冲高达276秒,比Ap、A1和HTPB系列的推进剂的比冲高10秒左右。由此可见,TN确是一种高能氧化剂。本文还对TN、HTPB系列的无烟推进剂做了初步探讨。     

含1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)推进剂能量特性计算研究

利用国军标方法及CAD系统软件,在标准条件(pc/po=70:1)下,计算了含1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)的各类推进剂的能量特性.发现TNAZ单元推进刺的理论比冲为2 700.2 N·s/kg,与DNTF单元推进剂接近;用TNAZ取代丁羟复合固体推进剂中的AP,比冲可提高37.9 N·s/kg;用TNAz取代NEPE推进剂中的AP,推进剂最大理论比冲可达2 671.1 N·s/kg;NC/NG/TNAZ组成的无烟改性双基推进剂比冲可达2 573.6 N·s/kg;由GAP/TNAZ/BDX组成的无烟推进剂,在很宽的范围内都可得到2 600 N·s/kg以上较高的理论比冲值.研究结果表明,TNAZ在高能推进剂尤其在高能无烟推进剂中有着广阔的应用前景.     

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%。     

复合固体推进剂中氧化剂和粘合剂的分解/爆燃综述

复合固体推进剂燃烧时,粘合剂和氧化剂的分解起着非常重要的作用。复合推进剂配方中,过氯酸铵(AP)是目前实际使用的氧化剂。根据应用于推进剂的情况,收集综述了粘合剂和 AP 分解的有关资料。本综述可以用来了解推进剂的燃烧机理。     

基于遗传神经网络的高能固体推进剂高压燃烧性能计算

建立并利用遗传(GA-BP)神经网络对NEPE类高能固体推进剂高压燃烧性能进行了模拟计算。针对计算需求,对NEPE类高能固体推进剂配方进行了全新表征,提出了13个表征参数。燃速预示结果表明,该方法计算误差小于10%,精度较高,能指导高能固体推进剂高压燃烧性能研究及配方设计;同时,也说明该表征方法能反映出此类配方的本质特征。该研究为高能固体推进剂燃速预估提供了新方法。     

含能增塑剂一缩二甘油四硝酸酯的基本性能

以硝酸铵为硝化剂,浓硫酸为脱水剂,一缩二甘油为前驱体,制备了含能增塑剂一缩二甘油四硝酸酯(DGTN);采用核磁共振确认了产物的分子结构;对DGTN进行了DSC分析,计算了DGTN热分解的表观活化能(E_K)、指前因子(A_K)、速率常数(k)、活化焓(ΔH~≠)、活化自由能(ΔG~≠)和活化熵(ΔS~≠)。同时,利用TG-IR分析研究了DGTN的热分解产物。测试了DGTN的撞击感度,计算了DGTN单元推进剂的标准比冲(I_(sp))、特征速度(C~*)、燃烧室温度(T_c)和燃烧产物平均相对分子质量(M_c),并与NG进行了对比。另外,利用DSC分析研究了DGTN与AP和HMX的相容性。结果表明,DGTN的分解峰温在199～208℃之间,表观热分解活化能为164.4 k J/mol,分解产物为CO_2、NO_2、CH_4和H_2O,还有少量CO、NO和CH_2O生成。DGTN的撞击感度明显低于NG,能量性能与NG相近。DGTN的加入未影响AP和HMX的热分解过程,AP和HMX也未影响DGTN的热分解过程,说明DGTN与AP和HMX有较好的化学相容性。     

丁羟推进剂组分间界面酸碱作用研究

借助Drago R S方程,采用反相气相色谱法(IGC)表征了丁羟四组元(AP/RDX/Al/HTPB)推进剂主要组分的表面酸碱性参数,计算出了主要组分间的界面酸碱作用焓ΔH_(AB).结果表明,BA键合剂与AP、RDX的界面作用焓显著大于HTPB聚氨酯基体与AP、RDX的界面作用焓,也显著大于BA键合剂与HTPB聚氨酯基体的作用焓,据此可预估BA键合剂可优先吸附在固体填料表面.因此,BA键合剂能大大提高推进剂基体/填料的界面粘接强度.     

AlH3对固体推进剂安全性能及成药性能的影响

为了研究AlH_3对固体推进剂安全性能及成药性能的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)观察了不同批次AlH_3的表面形貌,使用激光粒度分析仪测试了不同批次AlH_3的颗粒粒度,利用落锤撞击感度仪测试了含不同批次AlH_3固体推进剂的撞击感度。结果表明,不同批次AlH_3的表面形貌差异很大,即不同批次AlH_3的品质不同; AlH_3的品质影响AlH_3固体推进剂的安全性能,而AlH_3的粒度则在一定程度上影响着AlH_3固体推进剂的成药性能。     

含能材料技术的进展与展望

对高能氧化剂、合能粘合剂、高能燃料等合能材料技术的进展分别作了扼要地阐述，介绍了含能材料技术领域的新概念和新技术，如多氮化合物(N5^ )、纳米材料(Alex)和低温固体推进剂(CSP)；对新型合能材料的应用及性能进行了综合比较与讨论。展望了含能材料技术的发展趋势。     

超细CL‑20的可控批量制备及降感技术

为了批量制备低感度超细六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20),用作固体推进剂的高能添加剂,以氧化锆球(0.8 mm或0.3 mm)为研磨介质,采用HLG-05型粉碎设备制备了两种超细类球形CL-20。用激光粒度仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)对CL-20样品进行了相应的表征;用差示扫描量热(DSC)研究了样品的热分解性能;测试了样品的撞击、摩擦和静电火花感度。结果表明:制备的微米级和亚微米级CL-20平均粒径分别为3.43μm和320 nm,表面光滑,类球形;其晶型不变,无质杂峰;超细CL-20的分解峰温稍有下降,活化能降低,其静电火花感度略有提高,但撞击感度分别降低了24.6%和108.4%,摩擦感度下降了8%和20%;机械感度降低效果明显,在高能固体推进剂中有较大的应用前景。     

含TKX-50的HTPB推进剂能量性能研究

对比HTPB/RDX/AP/Al推进剂研究了TKX-50对HTPB推进剂的能量性能的影响,BSFФ165 mm发动机试车结果表明,含TKX-50配方的比冲及比冲效率均低于含RDX的配方,与早期文献报道结果不一致。对该结果进行了试验分析,TKX-50标准生成焓实测结果为210 k J/mol,与最初文献报道结果(446.6 k J/mol)不一致;依据实测的生成焓结果,对配方的能量性能进行了复算,复算结果与试验结果比较吻合,表明TKX-50标准生成焓偏低是其能量性能不佳的主要原因。     

复合固体推进剂的综合点火模型

本文提出了固体推进剂点火的一种综合理论模型。这种模型可真实地描述非均质推进剂的点火,其中包括环境气体中压力增量(dp/dt)的影响,它还详细地考虑了AP/PBAA推进剂的反应动力学,而且并没有预先做出关于点火部位的假设。其物理模型假设为嵌入燃料粘结剂模型中的是圆球形氧化剂粒子。数学模型的组成是:(a)氧化剂和燃料粘结剂在固相时的能量方程;(b)质量、能量和物质处在气相时的守恒方程。由试验测得的靠近推进剂试样表面的压力——时间曲线作为模型的输入参数。反应机理需要考虑处在气相中的五种物质。本文研究了表面下的反应和气相反应。它提出的模型能够作为阐述在大范围工作条件下不同推进剂的点火模型的基准。     

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。     

ADN与AP/RDX/Al相互作用及机理

采用高能氧化剂ADN部分代替AP,分别设计了AP/RDX、AP/RDX/Al、ADN/AP/RDX、ADN/AP/RDX/Al四种组分体系,利用差示扫描量热技术,研究ADN与高能组分的相互作用,尤其是对组分体系放热量的影响。结果表明,ADN的加入使ADN/AP/RDX组分体系的放热量增加了1.6倍,使ADN/AP/RDX/Al组分体系的放热量增加了1.68倍。同时,采用热-红-质联用技术,通过对分解产物的结构鉴定及整个过程中红外光谱强度和质谱质子流强度变化规律的研究,发现ADN的加入导致组分体系热分解反应生成更多的标准摩尔生成焓小的生成物,使得热分解反应的焓值更小,放热量增加。     

含Cs盐的HTPB/AP/Al复合推进剂特性研究

采用高倍率的扫描电镜观察了Cs盐的微观形貌,利用最小自由能法计算了不同含量Cs盐的复合推进剂能量性能并进行了测试,对Cs盐、含Cs盐复合推进剂的安全性能(撞击感度和摩擦感度)进行了评价,并对不同含量Cs盐推进剂的燃烧性能和燃烧火焰结构等性能进行了研究。结果表明,Cs盐的颗粒粒径较大,表面凹凸不平很不规则;含Cs盐复合推进剂的能量随Cs盐质量分数的增加稍有减小,推进剂密度从1.766 g/cm3提高到1.851 g/cm3;相对于AP,Cs盐和含Cs盐复合推进剂的感度均较低,当Cs盐含量为6%时,复合推进剂的机械感度最低,说明Cs盐在复合推进剂中应用是安全可行的;复合推进剂的燃速随Cs盐质量分数的增加而增大,当Cs盐含量为6%时,复合推进剂的压力指数降低幅度最大。