HTPB复合固体推进剂粘弹特性研究——主松弛模量的时间、温度依赖性

本文通过对HTPB复合固体推进剂在宽广温度范围内、定应变条件下单轴应力松弛的实验测定,根据线性粘弹及热流变简单性的基本假设,将-50℃到80℃间 一个温度下的应力松弛曲线,采用时间～温度折合变量的数据处理方法,迭加成-40℃、20℃及70℃三个参考温度下主松弛模量随推进剂时间特性的变化曲线,并用Prony级数式及修正的幂函数式描述;还通过玻璃化转变温度的测定和图解法求出的时间～温度偏移因子建立了该推进剂材料修正的WLF方程;同时就端部粘木试样和传统的哑铃形试样对试验结果的影响进行了比较。     

固体推进剂动态储能模量主曲线计算应力松弛模量

基于一维线性粘弹性理论中动态储能模量与应力松弛模量的关系,导出了一种利用动态储能模量主曲线计算固体推进剂修正应力松弛模量的方法。通过两类固体推进剂修正应力松弛模量与实测应力松弛模量主曲线对比发现:虽然计算值大大高于实测值,但二者的比例系数随时间单调递减。根据这种关系,利用固体推进剂动态储能模量主曲线可以计算一定时间内的应力松弛模量。最后,对该方法在发动机药柱应力松弛模量监测中的应用进行了初步探讨。     

HTPB复合固体推进剂粘弹特性研究——动态抗张模量的时间、温度依赖性

利用RHEOVIBRN DDV-Ⅲ-EA型动态粘弹谱仪,在频率为110,35、11,3.5Hz,温度为-150～200℃及频率为0.3,0.03,0.01Hz,温度为-80～30℃的恒定频率,测定了HTPB复合固体推进剂动态抗张特性温度谱.以线性粘弹及热流变简单性作为基本假设,采用折合变量的数据处理方法,将恒定频率的动态抗张模量温谱曲线迭加成参考温度为20℃时的动态抗张模量主曲线,并用一般化的Maxwell模型级数式给予定量的数学描述;还将图解得到的偏移因子温度曲线处理成修正的WLF方程,从而为药柱强度分析提供该推进剂材料的动态粘弹参数.     

固体推进剂装药裂纹内燃烧流动的实验研究

通过设计实验装置形成了一条预制裂纹,用高速运动分析仪及数据采集系统测试了火焰的裂纹内的传播及裂纹内的压强变化,研究了不同几何特性和增压下,固体推进剂裂纹的燃烧流动情况。实验表明：裂纹内的火焰传播速度受裂纹几何条件和增压的共同影响,增压越大,裂纹越窄,火焰传播速度越大。裂纹尖端压强与裂纹入口压强比的最大值也受增压和几体条件的影响,增压越大,裂纹越窄,该压强比越大。     

固体推进剂空穴损伤的理论与实验分析

在空穴累积损伤和微孔洞形核、长大和汇合损伤二种损伤模式分析的基础上，提出一个空实损伤细观力学模型，根据粘弹性对应原理和数学分析，求得空穴损伤演变的二个理论数学表达式。要用空穴损伤非接触诊断专利技术，进行老化药柱的空穴损伤实验研究，求得一种固体复合推进剂的空穴损伤演变的实验曲线和使用寿命。因为贮存失效临界点是实测的，对比实验分析表明：若药柱贮存时间超过贮存失效临界点，则药柱要出出裂纹，超过的时间越长则药柱中的裂纹就越大。     

基于细观颗粒夹杂模型的复合固体推进剂松弛模量预测

为更准确地预测不同固体颗粒体积分数的复合固体推进剂的松弛模量,采用了分子动力学方法对不同体积分数的复合固体推进剂细观模型进行建模.根据有限元理论及细观力学均匀化方法,计算在定应变工况下复合固体推进剂细观模型的平均应力随时间的变化,从而有效地预测复合固体推进剂的松弛模量.该方法有效地体现了随填充颗粒体积分数的增大,复合固体推进剂瞬时模量逐渐增大的变化规律及颗粒随机分布对复合固体推进剂瞬时模量的影响.将其应用到复合固体推进剂的设计过程中,可有效降低设计成本,缩短设计周期.      

固体火箭发动机和固体推进剂的燃烧研究

本文系作者参加一九八三年六月廿七日至廿九日于美国西雅图召开的AIAA/SAE/ASME第十九届联合推进会议期间所了解到的有关固体火箭发动机和固体推进剂燃烧研究方面的情况。文章重点介绍了:一、不稳定燃烧研究;二、硝胺推进剂的燃烧;三、含铝推进剂的燃烧;四、固体推进剂燃速特性的研究。 近年来,美国为了适应固体火箭发动机研制的需要,通过它的研究机构和大学的研究实验室,继续不断地开展了不少燃烧和点火方面的研究。在这次联合推进会议上,固体火箭发动机和固体推进剂方面的文章有四十多篇,涉及到固体动力装置的各个方面。其中燃烧方面已经发表的文章有十多篇,反映了美国在这方面的研究动向。通过这次会议和会后参观乔冶亚理工学院空间工程系的实验室、斯坦福大学张以棣教授的实验研究工作,以及与宾西法尼亚州立大学Kuo K、K、教授座谈等活动,对美国在这方面的一部分情况有了一个粗浅的了解。现简要叙述如下。     

小型双基固体推进剂火箭发动机点火特性研究

固体推进剂的点火理论已有很多综述和评论。实际固体推进剂火箭发动机中的点火是一个包含多种因素影响的复杂过程,如对推进剂表面的加热经常是对流、辐射、热扩散、热粒子效应以及推进剂表面反应放热的返归等的综合;影响推进剂表面着火的原因也不单单是由于加热速率的大小,而环绕推进剂的介质成分、压力以及点火介质中的烟雾、推进剂的爆发温度、初温、表面状态等因素,也起着一定程度的作用。     

HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效研究

为研究HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效效应,推导了基于Schapery单积分非线性本构方程的HTPB推进剂时温等效理论表达式,给出了蠕变柔量主曲线的拟合方法。通过不同应力(0.1MPa,0.2MPa,0.3MPa)和不同温度(20℃,40℃,60℃,80℃)条件下HTPB推进剂蠕变试验,得到了参考温度(20℃)下的蠕变柔量主曲线。通过反复加载蠕变试验,分析了载荷变化对蠕变过程的影响。结果表明:不同温度下的蠕变柔量-时间对数曲线在稳定蠕变阶段具有良好的一致性,验证了HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效效应;0.1MPa,0.2MPa和0.3MPa应力下的蠕变柔量主曲线时间尺度从试验测试的103s分别延伸到了10~(4.27)s,10~(4.17)s和10~(3.91)s;快速的应力释放和恢复加载过程不会影响整个蠕变过程,载荷变化蠕变过程的时温等效效应具有连续性。     

时变泊松比HTPB固体推进剂体积和剪切松弛模量反演

为表征HTPB复合固体推进剂泊松比的时间相关性,以经典积分型粘弹性本构模型为基础,开展了从单轴受力响应到体积和剪切松弛模量反演问题研究。运用径向基配置法和带近似奇异核的高斯求积公式求解反演问题的第二类Volterra积分方程。将获得的体积和剪切松弛模量导入Abaqus有限元软件并开展材料力学行为仿真。将有限元结果与单轴松弛、蠕变和等速率加载实验数据进行对比,验证反演方法的正确性。分析了粘弹性泊松比Prony级数参数对相对松弛模量的影响规律。结果表明,当泊松比与时间相关时,相对体积和剪切松弛模量曲线出现分离,其分离程度受长期与瞬时泊松比之差的影响,而分离快慢受泊松比迟滞时间影响。采用正确的体积和剪切松弛模量,经典粘弹性本构模型不仅能合理预测HTPB固体推进剂松弛和蠕变等粘弹性行为,还能正确反映泊松比的时间相关性。     

复合固体推进剂喷气羽烟对微波衰减的实验研究

本文根据推进剂喷气持续时间短这一特性,选择功率比法作为测量微波衰减的方法.结果表明:推进剂的喷气羽烟对微波的衰减与配方有关;在固体含量不变的情况下,适当地降低Al粉含量或用硝胺(HR)部分替代高氯酸铵(AP)都能降低羽烟对微波的衰减,但HR/AP的比值不宜过大;在推进剂中添加少量的电子捕获剂和二次燃烧抑制剂,不仅能有效地改善喷气羽烟的电磁特性而且对推进剂的其它性能影响不大,因此是制备微波衰减小的推进剂的有效方法.     

固体火箭发动机瞬态燃烧过程——熄火特性与实验

作者利用自制实验设备对固体推进剂进行快速降压熄火实验研究.其方法简单易行,对双基推进剂取得较满意结果.复合固体推进剂的燃烧温度较高,实验设备需加以改装,加大dp/dt变化范围.这样可以找出不同推进剂的瞬态熄火特性,供发动机设计参数.     

超期贮存发动机固体推进剂能量特性试验研究

固体推进剂的老化,会使其燃速、爆热值下降,势必会影响固体火箭发动机的内弹道性能,从而影响导弹的正常飞行。文中介绍了通过3台超期贮存的某型固体发动机的解剖,并对其推进剂的燃速和爆热进行了试验测定;根据试验数据,对该型超期固体发动机进行了内弹道仿真及相关计算,得到了不同贮存期发动机的比冲和推力,为正确评估该型发动机服役寿命提供了参考数据。     

固体推进剂裂纹扩展的试验研究

固体推进剂裂纹扩展的预测是固体火箭发动机中的一个十分重要的问题,这个问题的解决在很大程度上要依赖于试验研究.本文主要介绍国外在某些典型推进剂的裂纹扩展的试验研究中所采用的推进剂试件、试验方法、试验条件和试验结果.     

压电阻抗技术监测固体推进剂老化研究

为了进一步研究表面粘贴式的主动传感技术——压电阻抗技术(EMI, Electro-Mechanical Impedance)监测固体推进剂的老化,构建了基于线粘弹杆结构的一维机电耦合模型,根据粘弹性波的理论与边界条件进行分析,建立一种线粘弹结构动态模量与其机械阻抗的表征关系,并对构建的机电耦合阻抗模型进行了数值计算及试验验证。针对HTPB固体推进剂开展高温热加速老化试验及压电主动激励试验,根据监测所得导纳频谱并通过提取结构机械阻抗进行分析,结果表明:压电陶瓷片与推进剂结构在高频机电耦合运动时(300kHz,280kHz)有明显的共振现象,结构固有频率高于机电耦合共振频率,并且在200kHz～400kHz频段与700kHz～900kHz频段内,结构机械阻抗频谱峰值会因固体推进剂的热老化时间增长而降低,且与热老化时间之间满足线性关系。由此可见,压电阻抗法能够与固体推进剂在力学性能上建立表征关系,通过得到固体推进剂结构机械阻抗能够监测其老化损伤。     

NEPE推进剂动态力学特性分析

为了研究NEPE推进剂在不同温度和频率激励作用下的动态力学性能,利用DMAELF3200动态热机械分析仪测定了材料动态力学参数。通过试验,获得了推进剂的储能模量、损耗模量及损耗因子温度谱。由分子运动理论得到了玻璃化转活化能。基于时间-温度等效原理对NEPE推进剂动态粘弹性参数进行等效叠加,得到了移位因子随试验温度变化的规律。结果表明:损耗模量的温度谱曲线在低温段只存在一个峰值(玻璃化转变峰),玻璃化转变温度对频率有依赖性,在1Hz加载频率下转变温度为-62℃;玻璃化转变所需要的活化能为163.8k J·mol-1;移位因子和温度之间的关系遵循Williams-Landel-Ferry(WLF)方程,随试验温度升高,移位因子下降。     

HAN基电控固体推进剂电热耦合特性及燃烧特性实验研究

为了探究HAN基电控固体推进剂(ECSP)的电热耦合特性和燃烧性能,通过改变施加电压和环境压力对ECSP进行燃烧性能测试。在ECSP燃烧性能测试装置中采用电压、电流探头记录燃烧过程中通过推进剂的电压和电流,利用高速摄影仪记录推进剂的燃烧过程,借助法拉第电化学分解定律计算推进剂理论电化学分解质量在总燃烧消耗质量中的占比,分析电压和压力对推进剂燃速和质量损失的影响,同时拟合出ECSP燃速(r)与功率(P₁)和压力(P₂)的经验公式。结果表明：随着电压和压力的增加,ECSP理论电化学分解质量和实际燃烧质量增加,理论/总燃烧质量比值降低,燃速和质量损失增加。在ECSP的可控燃烧范围内,其燃速与功率和压力满足r = 0.0105P_1^0.705P_2^0.251。本文得到了热分解反应在ECSP的燃烧过程中占主导地位,是高压力下造成推进剂不可控燃烧的主要原因,为揭示ECSP的燃烧可控机理提供理论基础。     

双钴-1推进剂粘弹力学性能的实验研究

本文利用DDV-Ⅲ-EA动态粘弹谱仪,对双钴-1固体推进剂的动态粘弹力学性能进行了实验测定.通过频-温(时-温)等效原理,动-静态粘弹力学特性间的关系,经过计算机分析处理给出了复模量E(ωα_T)和应力松弛模量E(t/α_T)主曲线及其数学表达式.其如果对固体火箭发动机装药结构完整性分析计算有实用意义.     

松弛谱表征NEPE推进剂的老化

为研究NEPE推进剂的老化情况,探讨了运用连续松弛谱表征NEPE推进剂老化进程的方法.分别对在80℃,75℃,70℃,65℃下加速老化的NEPE推进剂进行动态力学分析试验,数据表明,NEPE推进剂的连续松弛谱可以直观全面表征推进剂高分子多层结构的粘弹性特性,且同一加速老化温度下随老化时间增加动态粘弹性连续松弛谱频率分布范围逐步收窄,结合推进剂老化机理分析,该变化趋势可以表征推进剂老化进程.     

含Ⅰ型裂纹复合固体推进剂双轴拉伸实验研究

开展了复合固体推进剂含Ⅰ型裂纹拉伸实验研究。采用不同拉伸速率,获得双向拉伸极限特性主曲线和应力—应变破坏曲线,为推进剂材料破坏分析的经验准则提供判据。结果表明,如果复合固体推进剂的断裂阻力被看作是材料常数,则裂纹驱动力必受到平行于裂纹之应力的影响,在一定范围内裂纹驱动力与平行应力成反比关系。当平行应力超过屈服应力以后,因平行应力太大超过了损伤阀值,在推进剂中造成了损伤,从而断裂韧性下降。