含负压力指数固体推进剂的压力响应函数

根据呈正、负压力指数燃速特性的固体推进剂的稳态燃烧模型,导出了一个新的压力响应函数公式,它可用来说明燃速压力指数为零、正、负各类推进剂的压力耦合现象。燃烧中的推进剂被划分为两部份:一部份是由熔化了的粘合剂所覆盖的氧化剂表面与其相对应的粘合剂表面所组成,而另一部份则由未被覆盖的氧化剂表面同剩下的粘合剂表面组成。与以往的各类模型不同,在上述的前一部份燃烧表面的燃烧中,考虑了氧化剂在熔化粘合剂覆盖的条件下存在着反向气化和凝相反应,故使所得的压力响应函数的实部在推进剂稳态燃速的压力指数为零或负值时也可为正值。利用所获得的压力响应函数的表达式对试验用推进剂(S04-5A)作了定量计算,计算结果满意地说明了,负压力指数推进剂在氧化剂被熔化粘合剂大面积复盖时也存在不稳定燃烧的现象。这不仅克服了以往所有压力响应函数表达式均难以用于负压力指数推进剂的缺陷,而且也从一个侧面反映了呈正、负压力指数燃速特性的固体推进剂稳态燃烧模型的正确性。     

考虑两相表面反应的二硝酰胺铵点火研究

为了研究固体推进剂二硝酰胺铵(ammonium dinitramide,ADN)点火过程中物理化学变化,建立了1个考虑两相(固相和气相)表面化学反应的点火模型。该模型基于固相与气相的质量守恒方程、组元连续方程、能量守恒方程及有限速率化学动力学方程而建立,并引入多组元系统状态方程封闭方程组。模型中包含35种组元,2个固相ADN总分解反应和166个气相细节(基元)化学反应,并使用温度函数表示物性参数进行计算。应用该点火模型对0.1 MPa下ADN在不同初始温度下点火延迟时间进行预测,计算结果与试验数据较吻合,说明该点火模型较准确地描述了ADN点火过程;计算表明,ADN点火延迟时间随初始温度升高而急剧缩短,且初始温度高于600 K时,温度存在一个短时间的降低过程;计算得到ADN完全燃烧产物为H2O(0.393)、N2(0.394)、O2(0.193)及极少量的NO(0.009),表明ADN是一种绿色无污染低特征信号推进剂。     

一个包括气相和亚表面反应的过氯酸铵复合推进剂的点火模型

本文提出了 Ap 基复合推进剂点火的一个综合模型及其数值解。这一分析模拟位于滞止区的推进剂试样在快速加压条件下的点火过程。本模型的特点包括:a)考虑了 Ap 基复合推进剂点火的详细的化学动力学资料;b)推进剂几何形状是二维(轴对称)的;c)考虑了气相中压力迅速增加对点燃过程的影响。使用隐式有限差分格式求解瞬态二阶联立、非齐次、非线性偏微分控制方程组。数值解揭示在点火阶段顺序发生的一系列重要事件,包括:点火器气体流入接近样品表面的区域;压缩波到达处未燃成份的燃烧;向推进剂传热;氧化剂和燃烧剂的高温分解;气相反应导致点燃。这个模型正确地预测了实验观察到的现象:随着增压速率提高,点火延迟时间缩短。采用文中考虑的不同点火准则都得到和试验一样的趋势。     

复合固体推进剂中铝粉凝聚海绵模型

复合固体推进剂可看作充填氧化剂的海绵体,海绵层由粘合剂和铝粉组成,它按氧化剂表面积分数分配给各级份氧化剂。每颗氧化剂与其周围海绵层中粘合剂组成了特殊双元推进剂。由铝粉点火所需能量和双元推进剂提供的能量计算出离开燃面时铝凝滴粒径分布。计算结果与实验规律符合很好。此模型为固体火箭发动机性能预测提供了基本数据。     

复合固体推进剂燃烧的多焰模型

本文提出了高氯酸铵(AP)复合推进剂的一种燃烧模型。此模型是根据各个氧化剂晶粒周围的火焰结构建立的;对氧化剂晶粒和粘合剂骨架之间的关系进行了统计估计。考虑了三个不同火焰区:1.粘合剂和氧化剂分解产物之间的初焰;2.预混氧化剂焰;3. 以上两种产物的末扩散焰。对于气相反应,可假定为简单的球形运动,而且假设推进剂组分的表面分解可用简单的阿仑尼乌斯(Arrhenius)方程表示。燃烧过程中氧化剂的分解则被取作总的控制因素。所得结果表明,计算出的表面温度和从模型预测的氧化剂含量影响与实验的趋向一致。预测的颗粒大小影响比实验值稍高,而温度敏感度与实验数据完全符合。计算结果表明,在推进剂表面发生比较强烈的放热反应。显然,高氯酸铵在表面薄层熔化时部分地放热分解,这在以往的AP爆燃研究中曾报道过。     

固体推进剂铝基燃料高效燃烧的研究进展

铝基燃料作为含能添加剂在固体推进剂中能大幅提升火焰温度,增大发动机比冲,提升推进剂的总体能量。然而,铝基燃料在燃烧过程中经常出现燃烧不完全、燃烧速率低、点火温度高及团聚等现象,严重影响了燃料的燃烧效率。从各个维度总结了铝基燃料燃烧的最新研究进展,指出了各因素的作用原理。介绍了铝基燃料在固体推进剂中的燃烧机理,评述了铝基燃料尺寸、高氯酸铵(AP)颗粒尺寸与级配、表面氟化物包,以及金属氧化物添加剂对铝基燃料燃烧效率的影响。结果表明:采用铝粉表面改性、调节颗粒尺寸与级配、添加多元氧化剂等能有效提高铝基燃料燃烧效率。     

添加剂HMX对AP/HTPB复合推进剂燃速行为的影响

本文研究了添加剂HMX对AP丁羟推进剂燃速的影响。试验研究发现:在AP/HTPB复合推进剂中加入HMX时,其燃速降低;随着推进剂中HMX含量的增加,其燃速压力指数呈现出先下降后上升的“情形”;当HMX的粒度变细时,推进剂的压力指数显著降低。我们基于BDP模型的气相火焰结构设想,并强调燃烧表面上HMX熔层在燃烧过程中的作用,提出了一个多重竞争火焰—凝聚相结构和反应模型。它能解释AP—HMX双元系统丁羟推进剂的燃速行为和现象,并能对这种推进剂的燃速和压力指数调节的各种途径进行预示。此外,还提出了BDP和GDF模型一致性的设想和一些等价概念。     

高氯酸铵/硝胺复合推进剂中主氧化剂地位的确定

本文提出了高氯酸铵/硝胺复合推进剂在燃烧性能方面存在主氧化剂的概念,并利用建立的燃烧模型,从氧化剂燃烧单元对燃面能量的贡献,扩散距离的不同求解方法对燃速和压力指数计算结果的影响,以及硝胺含量与推进剂压力指数的关系三个方面探讨了确定主氧化剂的方法。经过分析,得知主氧化剂对推进剂燃烧性能起着重要影响,因此,调节高氯酸铵/硝胺推进剂燃烧性能的方法与调节只含主氧化剂推进剂燃烧性能的各种方法相同。     

含铝推进剂的温度和压力敏感性

本文报导含铝 AP/HTPB 复合推进剂的温度和压力敏感性理论研究结果。研究使用的是一种多重火焰模型(改进型小总体模型),这个模型考虑了铝粉对推进剂燃速的影响。报导的重点是温度和压力敏感性计算值与推进剂中氧化剂粒度和铝粉粒度、含量的关系。研究结果表明,粗粒度氧化剂低燃速推进剂,提高铝粉含量或使用较细的铝粉,可显著降低温度敏感性。在理论上压力敏感性(压力指数)也有同样倾向。为说明这类推进剂显示这种倾向的原因,对于所使用的模型进行了相当详细的讨论。     

常温推进剂发生器低压点火动态特性分析

针对常温推进剂富氧燃气发生器低压点火室压存在低工况建压缓慢的问题,提出一种基于推进剂转化率修正系数的修正方法。该方法将抛物线函数和双曲正切函数结合,形成新的修正系数函数,以燃气发生器混合比下降至临界混合比时刻作为修正系数函数切换点。经不同点火时序低压点火试验验证,仿真模型计算获得的燃气发生器室压与试验值最大动态误差为4.6%。采用混合比36为临界混合比,可以在较宽的范围内准确捕捉到推进剂开始正常燃烧的时间点。富氧燃气发生器中若提前进入过多氧化剂会导致大量积存,将与其后进入而不断累积的燃料瞬间发生剧烈化学反应导致室压出现超调峰值,在时序设计中应在保证富氧点火的前提下尽可能缩短燃料与氧化剂进入的时差。     

复合固体推进剂燃面上复盖分数的确定

本文基于PU/AP和HTPB/AP复合固体推进剂在不同压力下中止燃烧的燃面采用X射线光电子能谱的测试结果,对燃面上氧化剂AP颗粒表面受熔化粘合剂复盖的面积分数进行了半定量计算。结果表明,在燃烧压力大于1.96MPa时,两种推进剂燃面上的粘合剂复盖分数,随压力上升而增加。这一结果将有助于复合固体推进剂稳态燃烧模型的深化和改进。     

固体火箭发动机点火瞬间火焰传播的简化模型

来自推进剂燃烧表面的质量增加,极大地影响压力瞬变的性质。实际上,燃烧表面或火焰扩散的时间函数可用经验式来确定,或以现有的关系式来推出。这种近似方法的正确性受到关系式本身的精确度和适用范围的限制。本文利用热力学和化学反应原理提出了一种简化模型。控制方程用隐式有限差分法求解,已用这种模型对具有不同点火条件和不同推进剂特     

膨胀循环氢氧发动机低压火炬的点火能量研究

针对膨胀循环氢氧发动机多次点火需求,采用氢、氧推进剂吸热着火和火炬燃气降温放热的假设,用热力计算方法从理论上分析了推力室采用火炬点火的能量问题。在考虑火炬燃气与推力室内的氧补燃后,富燃低压火炬点火器的点火能量能够满足推力室点火需求。研制了2种低压火炬点火试验系统,对膨胀循环发动机进行了17次点火试验,试验结果与理论分析结果相符,验证了补燃点火假设。     

复合推进剂热降解机理的研究

为了系统地研究氧化剂在复合推进剂热降解过程中的作用曾作过试验计划。主要分析工具是扫描式电子显微镜(SEM),用以检测推进剂试样热降解破裂部位。试验配方变量为氧化剂纯度、粒度和氧化剂一粘合剂的粘结剂。整个试验期间粘合剂保持不变,均为饱和碳氢化合物。氧化剂为纯高氯酸铵、含氯酸盐的高氯酸铵、含砷酸盐的高氯酸铵和含磷酸盐的高氯酸铵。氧化剂粒度分布为:粗粒度60%,细粒度40%,采用两种二级配混合物;125—175 μ/<44 μ和175—250 μ/44—88 μ。用粘结剂时,其用量为0.15%左右。试验变量为温度和应力,温度用100℃、135℃和170℃,应力用0.29公斤/厘米~2和0.61公斤/厘米~2。试验数据表明,氧化剂纯度和粒度对热降解过程有显著影响。在高温和应力作用下,氧化剂粒度影响较大。用扫描式电子显微镜检查推进剂破裂部位表明,大颗粒氧化剂的破碎导致推进剂龟裂。     

用包复氧化剂的方法提高固体火箭推进剂的燃烧稳定性

用直径为6.25cm的端面燃烧发动机,装填高氯酸铵—端羟基聚丁二烯无金属推进剂进行了试验,探索应用包复氧化剂的方法,来改善燃烧稳定性。包复物质的热降解特性是通过对推进剂的热扩散系数进行理论分析推导得来的。选用了几种包复剂,推进剂用浇注法装填,这些推进剂(含包复过的氧化剂)在端面燃烧试验发动机内点火燃烧,实时记录压力一时间曲线。为了对比起见,用参比推进剂(氧化剂未包复)进行了同样试验。由扫描电子显微镜和BET吸附法测定来确定包复层的均匀性。体积型不稳定性频率、压力波动幅度以及稳定性边界均与火箭发动机特征长度(L*)有关的一些参数相关连。一般来说,用包复过的氧化剂制备的推进剂,燃烧稳定性比参比推进剂燃烧稳定性好。各种参数之间的相关性与新领域内许多未知因素有关。     

水反应金属燃料能量特性分析

提出了水反应金属燃料与水/金属燃料发动机概念;通过比较多种化学推进剂能量特性,可知水反应金属燃料能量密度明显高于传统火箭燃料,可以预见它在水下高速推进系统中具有广阔应用前景;通过热力计算,分析了水反应金属燃料能量特性的影响因素.     

HMX复合推进剂燃烧模型计算

本文建立了一个描述 HMX 复合推进剂燃烧特性的模型。该模型基于以下几个重要概念:1.氧化剂和粘合剂具有不同的表面温度;2.能处理由三种不同粒度级配的氧化剂,3.取时间平均方法来计算推进剂燃速,而不取大多数 BDP 类模型所用的空间平均计算燃速的方法,时间平均方法之要点是考虑了氧化剂的点火延迟时间;4.根据修正的 Burke—Sehumann 扩散火     

过氧化氢和自燃燃料的双组元发动机研制

使用剧毒推进剂,如N_2O_4/肼类,将会变得越来越困难。一方面,一些环保法规和出于安全方面的考虑使得这些推进剂的价格大大提高;另一方面,这些推进剂在未来的推进系统中的使用也被严格限制。因此,必须使用低毒推进剂来替代以前的剧毒推进剂。比如,采用火箭用过氧化氢(RGHP)和燃料组成的双组元推进剂(以及相应的催化剂)。本文介绍了过氧化氢和甲醇组成的双组元推进剂(采用金属锰作为催化剂)的一些初步的研究工作,包括理论性能估算,点火试验,发动机发展过程,喷注器设计,以及样机试验。     

固体推进剂点火的表面沉积模型

本文根据固体推进剂采用含有凝结物质的流动热气体进行点火的特点,提出了一个点火过程的机理,即认为在点燃之前凝结物质的热粒子首先沉积在推进剂的表面上形成一层沉积层,并根据传热理论建立了固体推进剂采用含有凝结物质的流动热气体点火的模型,求得了固体推进剂内部的温度分布和表面温度随时间的变化,以及计算点火延迟时间的解析解,再根据对流换热系数与压力的关系计算出点火延迟时间与压力的关系,将理论计算的点火延迟时间和压力的关系与实验结果比较表明理论模型是合理的。为了验证本文所提出的点火过程的沉积机理,设计了一个实验,实验结果表明在点燃之前推进剂表面确实存在一个沉积层,因而合理的理论模型应该包括这个沉积过程。     

AMMO系推进剂的燃烧

探讨了 AMMO(叠氮甲基-3′甲基氧杂环丁烷)的热分解和燃烧特性。实验证明AMMO 的热分解过程分为两步,第一步为叠氮基放出氮的放热反应;第二步为第一步的反应残渣不放热的分解反应。AMMO 是一种具有自燃性的物质,其燃速较低,仅为GAP 推进剂的50％,并与双基推进剂相同,而且对压力的敏感度也与双基推进剂相同。燃烧波温度分布的测量结果证明,由气相向燃烧表面的热反馈量随着压力上升而增加,燃烧表面温度和燃烧表面附近的放热量随压力的增加而减少。