复合固体推进剂危险性分析

一、引言 复合固体推进剂不单是一种能按一定规律燃烧的物质,而且潜在着爆炸或爆轰危险性,特别是高能复合推进剂,硝胺推进剂和改性双基推进剂的危险性就更大了。因为,就其化学本质来说,固体推进剂与炸药本质上很难区别,它的能量密度和反应热可与常规高效炸药相匹敌,甚至更高。因此,关于复合固体推进剂及其发动机的偶然性爆炸或爆轰问题,引起了人们的关注。     

幂律型凝胶推进剂射流撞击雾化SPH模拟

为研究幂律型本构关系对于凝胶推进剂雾化的影响,应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行了凝胶推进剂的射流撞击雾化仿真,并与实验结果进行了对比。推导了幂律型本构关系的SPH求解方法,发展了三维隐式SPH算法,克服了凝胶推进剂的高粘度对于时间步长的限制。制备了胶凝剂含量分别为1%,2%的两种水基凝胶推进剂模拟液并进行了6种工况的雾化实验和数值模拟,证明了本文SPH方法可以有效模拟凝胶推进剂的雾化问题。对于本文研究的工况,雾化区内模拟液的表观粘度普遍高于10-2N?s/m2,从撞击点至雾化区下游,模拟液的表观粘度呈震荡上升分布。分析表明,雾化区下游的高表观粘度是造成凝胶推进剂雾化生成液丝及大尺寸液滴的重要原因。     

射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验

为研究射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化的影响,建立了撞击雾化实验台,制备了煤油凝胶和水基模拟液,测试了雾化装置的喷射系数及模拟液的黏性和稳定性。分析了3种射流速度不同射流自由长度条件下的凝胶撞击雾化特性,观测了射流和撞击喷雾图像。测量了液膜破碎长度、雾化液滴粒径分布和相应的SMD(索太尔平均直径)值。研究结果表明:低速时,随着射流自由长度增大,撞击液膜的喷雾形态会发生较大变化,而高速条件下,雾化形态则基本一致。3种射流速度下,破碎长度在45~9mm之间,并随射流自由长度逐渐减小。液滴分布服从Rosin Rammler规律,并具有较高的拟合精度。均匀度指数均在3~4之间,并随射流自由长度逐渐降低,粒径均匀度降低;较高射流速度下,SMD随自由长度逐渐增大。低射流速度时,SMD随射流长度先减小后增大,射流自由长度存在一个最优值,在设定研究条件下其值为25/3。因此,在设计撞击喷嘴时,根据射流速度选取适当的自由长度值可以获得更好的雾化效果。      

关于硝胺复合推进剂燃速特性和燃烧模型的述评

本文在分析硝胺复合推进剂燃烧特点的基础上,对有关硝胺复合推进剂的燃速特性和燃烧模型进行了全面的述评,并指出了进一步模化的方向.     

固体推进剂裂纹对流燃烧和扩展的研究分析

评述了固体推进剂裂纹对流燃烧及扩展的研究，讨论了推进剂裂纹对流燃烧的流场与裂纹的变形、扩展及其之间存在着强耦合作用。初步揭示了在不同的燃烧室压力率下单一裂纹扩展的不同模式，指出裂纹腔内火焰的离散传播、裂纹尖端的压力突升以及对流燃烧条件下的裂纹失稳扩展极可能诱导产生DDT过程，提出了需进一步深入研究的问题。     

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。     

POM对无烟XLDB推进剂热行为和燃烧性能的影响

为了分析POM(共聚甲醛)降低无烟XLDB推进剂在1～5MPa内燃速的原因,分别测量和分析了含和不含POM的推进剂样品的PDSC(高压热分解)特征量,燃烧波及火焰结构的变化。通过实验发现POM在1～5MPa下使ΔH(推进剂的分解焓)减小265～214J/g;POM在1MPa,5MPa下使推进剂的燃面温度分别由481℃和628℃降至433℃和569℃;理论计算表明:POM在10MPa下使推进剂的爆热、燃温分别由4418.4J/g,3031K降至4397.4J/g,3015K。结果表明,POM对无烟XLDB推进剂的热分解及燃烧过程有明显的抑制作用,这一作用可能降低无烟XLDB推进剂在1～5MPa范围内的燃速。     

复合固体推进剂和胶粘剂的固化剂交联范围

固化剂的当量比为反应初始时总固化剂基团数对总粘合剂基团数之比,它是决定复合固体推进剂和胶粘剂性能的重要参数.本文根据聚合物结构的网络理论导得了固化剂交联范围预测关系式.大量实践结果表明:当固化聚合物形成网络结构时,所有的当量值均在交联范围内,该范围比预聚物粘合剂的凝胶化范围要窄.     

国外重视在战略和战术导弹中应用改性双基推进剂

五十年代中期,由于战略导弹和大型助推器对高能推进剂的需要,在双基推进剂和复合推进剂的基础上,发展了改性双基推进剂。这种推进剂是在以硝化棉和硝化甘油为基的双基推进剂中加入复合推进剂的氧化剂高氯酸铵、燃料铝粉而组成,故也称为复合改性双基推进剂。由于性能优越,工业生产基础良好,二十多年来,受到各国普遍重视,并逐步应用于各种战略和战术导弹中。     

防老剂H对丁羟推进剂粘合剂体系形态结构和力学性能的影响

运用透射电镜（TEM）和动态力学分析（DMA）研究了丁羟推进剂粘合剂体系的形态结构,发现在该体系中存在硬段、软段两相分离结构；防老剂H（N,N’-二苯基对苯二胺）的加入,引入了更多的硬段微区,使两相结构更为清晰；解释了防老剂H能大幅度提高粘合剂体系力学性能的原因。     

HTPB复合固体推进剂含损伤和老化本构研究

通过热氧老化实验、声发射损伤检测实验和蠕变柔量测试实验确定HTPB复合固体推进剂非线性本构关系，并与Schapery非线性本构方程进行比较，结果表明，含损伤老化模型较好地解释了HTPB复合固体推进剂的非线性特征，可以应用分析HTPB复合固体推进剂的力学特性。     

复合固体推进剂中CaCO3作用的实验研究和机理分析

本文通过试件燃烧表面激光阴影高速摄影、燃面扫描电镜分析和X光电子能谱测试结果,提出了CaCO_3与过氯酸铵(AP)的作用机理,解释了CaCO_3对AP的低压(<1.96MPa)增速高压(>1.96MPa)降速的现象.     

Excel在液体推进剂数据处理和管理中的应用

介绍了用ExceL对红烟硝酸和混胺各项指标进行数据处理和数据管理的方法,并建立了一套数据处理与管理的系统.这种系统可用于化学和化工的各个领域.     

固体推进剂应力和应变与使用寿命关系

以Eying动力学公式为基础，结合推进剂应力-应变关系公式，将应力应变因素引入动力学公式，推导出了应力和应变与动力学公式的关系，并利用定载荷试验和定应变试验验证了上述关系。研究表明在推进剂的老化过程中，应力和应变的作用等效于降低了推进剂老化的表观活化能，从而加速推进剂的老化。应力对活化能作用系数γ的计算结果表明，应力和应变对加速推进剂老化、缩短推进剂寿命的作用是显著的。利用推导出的应力和应变与动力学公式的关系，可以使推进剂寿命预测的结果更接近于发动机中推进剂的实际使用寿命。     

双基系推进剂平台燃速的控制因素和可使用范围

根据正催化理论,提出了压力-燃速临界使用曲线(Pr线)的概念及定义,并以之作为燃速可调与不可调的分界线。通过分析1962N.s/kg双基推进剂,30%,50%RDX-CMDB,5%Al-CMDB和低燃速SYQu推进剂的特征Pr线变化趋势,研究了Pr线调节规律。结果表明:Pr线主要由NC和NG组成的粘合剂体系控制,且随双基组分的增加,Pr线向高燃速移动;加入Al粉Pr线升高;随着RDX增加,Pr线先降低再升高;加入降速剂聚甲醛等,Pr线降低。     

高能推进剂燃烧效率研究和实测比冲预估

采用燃烧残渣中活性铝含量分析、真空爆热和发动机试验等方法，研究了高能推进剂中主要组分对推进剂燃烧效率的影响。研究结果表明：增塑剂的种类和含量是影响效率的主要因素，AP的含量及固体组分的粒度级配也有明显影响；BSF－φ315发动机试车结果证明高能推进剂的的实测比冲效率大于0．94。采用软件计算发动机的实测比中，可预估高能推进剂配方在不同压强及燃速条件下标准试验发动机（BSF－φ165和BSF－φ315）试车的实测比冲值。     

复合固体推进剂的降解历程和使用寿命预测

复合固体推进剂在貯存过程中,性能降解影响使用寿命,这是研制和使用固体推进剂时无法回避的问题。为此,国内外学者对固体推进剂老化历程和降解趋势进行了试验研究,并在这一基础上利用理论分析和过载试验,提出不同使用寿命预测方法。     

纳米铝粉和镍粉对复合推进剂燃烧性能的影响

对铝含量较低的AP复合推进剂燃速进行测试，外加2％的n-Ni或4/1的n-Al/g-Al级配均可提高低压下燃速和降低燃速压强指数，改善推进剂的燃烧性能，而采用1/1的n-Al/g-Al级配则降低推进剂的燃烧性能。通过对推进剂样品的能量特性、火焰结构、燃烧残渣的观测以及热分析(TG和DTA实验)，n-Al与n-Ni在燃烧中有不同于g-Al的行为。具有较低的点火阈值和较短的燃烧时间，同时n—Al倾向于单颗粒燃烧，有别于g-Al的凝聚燃烧行为；n-Ni则催化了复合推进剂中主要组分AP的热分解，多种因素共同作用促进了推进剂的燃烧。     

关于复合改性双基推进剂燃速特性和燃烧机理的述评

本文对AP-CMDB和HMX-CMDB推进剂的燃速特性和燃烧机理进行全面的述评.虽然同属复合改性双基推进剂、且表面结构皆高度非均相,但气相燃烧波结构和燃烧机理及燃速特性都有很大差别.AP-CMDB推进剂燃烧的久保田模型已趋定型,而HMX-CMDB推进剂燃烧的久保田模型则在近年内已有了很大的改进.     

氧化剂含量和粒度对NEPE推进剂燃速影响的模型化

以高能固体推进剂热分解特性和燃烧模型的研究成果为基础,建立了由化学结构参数计算NEPE推进剂的燃速和压强指数的公式,计算了氧化剂组分含量和粒度对燃烧性能的影响。经验证,计算结果与实测燃速值的偏差全部在±20%以内,其中80%的偏差在±10%以内。这说明所建立的模型基本合理,编制的NEPE类推进剂燃速计算程序基本可行。