固体火箭发动机药柱结构完整性研究进展

从推进剂及粘接界面力学性能、推进剂及粘接界面失效、发动机药柱及推进剂数值仿真方法、发动机药柱结构试验技术四方面，对药柱结构完整性发展现状进行了全方位多角度的评述，分析了目前固体发动机药柱结构完整性研究所面临的挑战，指出未来应重点发展推进剂和粘接界面力学特性及失效的多尺度表征和测试方法、先进数值仿真方法和发动机药柱结构试验技术，以及开发药柱结构完整性评估一体化平台。     

嵌金属丝双燃速药柱沸腾高度及典型脱粘对发动机性能的影响

为了获得嵌金属丝双燃速药柱沸腾高度及典型脱粘对发动机性能的影响,开展了药柱不同沸腾高度及典型脱粘对发动机推力变化计算。分析结果表明,在嵌金属丝情况下,沸腾高度影响着二级推进剂参与燃烧的时刻及过渡段内弹道性能变化。包覆层与药柱出现脱粘时发动机推力会出现异常,通过对试验数据进行反算验证,认为脱粘是导致推力突变的主要原因。该分析能为同类型发动机设计提供一定参考。     

发动机药柱和推进剂方坯老化性能相关性研究

通过长期贮存的CTPB推进剂方坯性能变化和发动机中推进剂药柱性能变化比较,研究了发动机药柱和推进剂方坯老化性能的相关性,发现发动机中不同位置的推进剂性能的变化有明显差异,内层推进剂“变软”的速率比外层慢得多。当外层推进剂强度降低较大时,内层推进剂仍有较高的保持率,几乎和推进剂初始性能相同,并且强度由内向外逐渐变化。因此。单用推进剂方坯的老化性能难于推断发动机药柱的寿命,并对这一现象对发动机寿命的影响进行了讨论。     

固体推进剂药柱的可靠性—力学模拟发动机的设计和试验

评价固体推进剂药柱的可靠性,主要是依据对其力学性能的评估。用全尺寸药柱进行试验,通常是很困难的,并且费用昂贵。本文介绍了一种能反映全尺寸发动机的特型小尺寸、低成本模拟发动机的研究和试验。这种发动机可模拟全尺寸发动机药柱(88%固体含量的CTPB推进剂)的条件进行力学性能试验。进行了大量的、承受多种载荷条件(温度循环和/或加压)的模拟发动机试验。给出了试验结果,并首次给出了与尚在发展中的理论计算有关的分析。     

某低燃速推进剂侵蚀燃烧模型研究

推进剂的侵蚀燃烧对发动机的内弹道性能会产生不利影响,侵蚀燃烧的程度取决于药 型设计的通气参数。设计了一种侵蚀燃烧试验发动机,并在不同通气参数情况下,进行 了多发某低燃速推进剂侵蚀燃烧试验,通过对试验数据的数值分析,得到了该低燃速推进剂 侵蚀燃烧的临界流速、侵蚀常数与燃通比之间的关系,并对此进行了试验验证,为类似推进 剂药柱通气参数的选择提供参考。     

固体发动机点火适应性试验及其低温下药柱内孔应变分析

为了深入研究壳体材料、推进剂配方、药柱m数、初始温度等因素对丁羟类推进剂固体火箭发动机的整机可靠性结果的影响,进行了多台钢壳体和碳纤维壳体发动机在-40、20、60℃下的地面点火验证试验。试验发现,该类发动机在-40℃低温下点火易发生失效,且失效多发生在点火信号发出后的压强上升阶段。为此,对各发动机低温点火下的药柱内孔点火应变速率进行了计算。结果表明,失效的主要原因是推进剂低温延伸率偏低,难以适应点火增压过程引起的高应变条件。     

一种少烟固体火箭发动机的结构使用寿命估计

少烟幼畜(Maverich)固体火箭发动机的结构使用寿命估计是以解剖发动机的推进剂性能数据为基础进行的。为了在两年的时间里模拟五年的使用寿命,这些发动机经历了实验室加速化学和力学老化。用经验老化模型来推测发动机推进剂的性能和药柱横截面上的性能梯度,建立了有限元计算机模型来计算这些性能梯度,并确定发动机安全裕度与时间的函数关系。根据分析,预计这种发动机的使用寿命在10年之上。     

采用高低燃温组合装药降低喷管内表面温度和烧蚀研究

根据不同推进剂及目前热防护材料的性能特点,采用了一种组合药柱的新方法,用来降低喷管内表面的温度和烧蚀率。该方法的主要设计思路是将药柱形式分为前后两段,靠近发动机头部段使用高能推进剂,靠近喷管段使用低燃温推进剂。低燃温推进剂占总推进剂质量百分比的很少一部分。使用这样的组合药柱形式,低燃温推进剂燃烧产生的气体会在喷管内表面形成一层低温帘幕,从而降低喷管内表面的温度和烧蚀率,使高能推进剂在固体火箭发动机设计上得到应用,并有助于提高发动机的质量比。     

单室双推力固体发动机静止试验分析方法

提出了一种根据静止试验压强，推力一时间曲线分析串装药柱单室双推力固体发动机性能的方法，用以计算其在助推段与续航段的特征速度Ｃ，比冲Ｉ，燃去药柱质量ｍ，和推进剂燃速ｒ等参数。此方法比实例验证可行，从而为完善这类发动机的性能分析提供了依据。     

NEPE推进剂发动机振动安全性试验研究

为了评估NEPE推进剂全尺寸发动机在经受弹射和飞行振动载荷下的安全性,在不同试验条件下进行了NEPE推进剂165 mm发动机的振动试验。理论分析认为,NEPE推进剂全尺寸发动机在振动条件下因药柱温度升高及静电积聚而发生危险的可能性很小,通过相关试验验证了该结论,说明采用NEPE推进剂165 mm发动机进行全尺寸发动机振动安全性评估可行。     

胶接法修补固体发动机药柱裂纹技术

使用胶粘剂对固体发动机药柱裂纹实施修补,通过单向拉伸试验测定修补区域药柱的力学性能来验证修补的有效性,并使用高温加速老化预测药柱修补区域的贮存寿命;进行了发动机药柱结构完整性分析,比照试验数据和理论计算结果,证明胶接法可对发动机药柱裂纹实施有效修补。     

固体火箭发动机加压固化的研究

本文研究了一种制造固体火箭发动机的新型加压固化方法。其研究总旨,是以此来消除推进剂药柱在制造时所产生的热应力。通过加压固化对推进剂物理特性影响的初步研究结果表明,虽然力学性能由于受到加压固化的一定影响,而具有脆化的倾向,但是,实用尚无问题。同时加压固化有利于药柱和绝热层之间牢固粘接,燃速几乎不受其影响。为了考察加压固化的固化点而进行了发动机实际装药固化试验。根据对推进剂药柱的内应力和发动机壳体形变的实际测量,定量地证实了加压固化的效果。用加压固化法制造的发动机进行燃烧试验的结果表明,燃烧是稳定的,对燃烧性能没有影响。根据上述研究结果,可以认为,加压固化法具有实用的可能性。     

用于大型固体推进剂火箭发动机的独特点火系统试验

本文介绍了用于大型固体推进剂火箭发动机的组合式无喷管、无壳体点火器方案的设计、分析及试验结果。该点火方案的主要优点是可以把60%左右的点火器消极重量变成药柱有效载荷。点火系统的主装药由点火器周围的发动机前段装药所构成。这段装药又是发动机推进剂药柱的一部分,设计成象一个小的低压无喷管火箭发动机,给主发动机推进剂段提供足够的压力和热流输出以实现发动机点火。前段推进剂的点火由一个比较小的径向排气的BKNO_3烟火剂药片点火器来实现。试验计划需验证三个方面的设计问题:     

固体推进剂粘弹性泊松比应变率-温度等效关系

固体推进剂粘弹性泊松比严重影响着药柱结构完整性的分析精度。针对点火增压过程药柱的受力特点,基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法,设计了可测试推进剂粘弹性泊松比的单向定速拉伸试验,研究了温度和拉伸速率对推进剂粘弹性泊松比的影响规律,利用粘弹性材料参数的应变率-温度等效原理,建立了参考温度下推进剂粘弹性泊松比的应变率主曲线。研究表明,推进剂的粘弹性泊松比随温度和拉伸速率的增大而增大,当拉伸速率达到500mm/min时,推进剂泊松比逐渐趋近于某一常值。考虑到发动机点火增压过程,药柱的加载速率一般在0.5 s-1以上,应变率较大,因此可以将推进剂的泊松比取为一常数,但必须考虑发动机的工作温度,选取合适的泊松比。相关方法和结论可为固体发动机结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

嵌入金属丝复合推进剂中止燃烧试验成功

我厂在研制产品过程中,地面试验出现压力爬升、壳体烧穿与爆炸等现象。我厂试验工作者自行设计试验装置,采用实心药柱嵌入金属丝复合推进剂进行中止燃烧,实现了单室双推力的设计方案。通过试验,验证设计燃面变化和解决上述故障原因,摸清了装药包复层在发动机工作状态下的工作性能,发动机熄火正常,残药完整,包复层不脱落破碎。     

某固体火箭发动机药柱的动力学分析

对某固体火箭发动机药柱进行了动力学分析。针对发动机药柱结构,利用MSC.NASTRAN有限元软件,建立了药柱结构的三维有限元计算模型,其中推进剂和包覆层采用粘弹性材料的频变复模量模型。进行了复特征值分析、频率响应分析和公路运输的随机振动分析,得到了固体火箭发动机药柱的固有频率、相应的振型、各阶模态损耗因子和频率响应曲线,以及随机振动响应均方根值和功率谱密度曲线,为进一步分析发动机在动力学载荷作用下的结构完整性奠定了基础。     

H_2O_2/HTPB缩比固液火箭发动机药柱燃速试验研究

对采用90%H2O2/HTPB基推进剂组合的缩比固液火箭发动机开展了药柱燃速试验研究,得到了不同点火方式和不同氧化剂流率下的药柱燃速。试验结果表明,在相同的氧化剂流率下,催化点火方式比点火药点火方式药柱燃速要高,燃烧室压力更为平稳,同时建压时间要长。根据点火药点火方式下不同氧化剂流率的药柱燃速拟合得到了燃速公式,并运用燃速公式对300 mm全尺寸发动机进行了装药设计及内弹道性能计算,得到的理论性能曲线与试验结果吻合很好,验证了本文采用的燃速研究方法及结果。     

含缺陷药柱人工脱粘层前缘应力分析

基于一种发动机燃烧室模型，考虑到推进剂、绝热层和衬层多种材料性能，用有限元法对含缺陷药柱的人工脱粘前缘进行了固化降温和轴向过载两种苛况下的应力分析，考察了四种结构模型，其中三种为含缺陷结构，例如在人工脱粘前缘附近有内聚空洞，对界面应力应变的影响，为发动机药柱完整性分析提供参考。     

低温状态点火瞬间固体发动机药柱结构响应分析

采用线粘弹性模型,针对固体发动机低温状态点火瞬间的推进剂相关力学特性对固体发动机药柱进行了低温状态点火瞬间的结构响应分析。点火瞬间的推进剂模量变化不大,对药柱的结构响应影响较小;而推进剂在不同状态下其泊松比并非一定值:低温状态下推进剂泊松比的值较小,点火升压下推进剂泊松比迅速增大至接近0.5,推进剂泊松比的微小变化对药柱的结构响应有很大影响。分别计算分析了低温状态点火瞬间推进剂泊松比为定值时与推进剂泊松比为非定值时的药柱结构响应仿真结果。分析结果表明,低温状态点火瞬间的药柱应变呈不断增高而应变率则逐渐降低;计算得圆管型模拟发动机的安全系数为1.48,这比推进剂泊松比为定值时计算得到的安全系数的值减小了13.5%。     

通过一台发动机点火试验获得推进剂的燃速特性—一种分析方法

本文提出了表征固体推进剂燃速的一种分析方法。它不同于传统的燃速处理方法,用一台发动机点火即可表征推进剂在一定压力范围下的燃速。该方法将修改的弹道试验发动机和一个计算机分析程序包结合起来完成这一任务。本文详细地叙述了所采用的发动机,其药柱通道为锥形,以产生非等面燃烧压力——时间曲线。此外,讨论了计算机分析程序包。这一分析程序包采用一个内弹道模型,用优化方法确定燃速规律。这一分析方法已由一整套理论研究所证实,并提出了这些研究的某些结果。此外,本方法对复合和双基两种推进剂都进行了试验验证。这些试验结果表明,由单个试验发动机点火试验处理的燃速数据和常规方法处理的数据符合较好。本文也给出了这些研究的某些结果。