肼混合物胶体推进剂的热分解特性研究

为了评估肼混合物胶体推进剂的热安全性,采用差示扫描量热仪(DSC)和绝热加速量热仪(ARC),对肼混合物胶体推进剂的热分解特性进行了研究。DSC的实验结果表明,在2,5,10和20K·min-1四种升温速率下推进剂的初始热分解温度分别为185.73,227.20,230.37和245.19℃;根据DSC的试验结果,利用Kissinger法计算得到热分解活化能为181.80k J·mol-1。在ARC实验中,肼混合物胶体推进剂在理想绝热条件下的初始分解温度为180.58℃,最大温升速率达到0.6237°C·min-1,绝热温升为227.92℃,最高温度为408.50℃,计算得到其热分解活化能为121.77k J·mol-1。比较DSC与ARC的试验结果,两者基本一致;热分析试验中推进剂先经历相变吸热过程,再进行分解放热。     

动态子结构方法在全箭动特性分析中的应用研究

液体推进剂质量对运载火箭全箭动力学特性有重要影响,其动力学建模是全箭动力学建模的难点和重点。结合航天工程实际,提出了采用虚质量法和动态子结构方法相结合的液体推进剂建模方法,减缩了计算模型自由度,提高了计算效率,实现了全箭动力学特性分析。最后,以某液体运载火箭为例,分析了不同液体推进剂建模方法对全箭动特性计算结果的影响。     

率相关HTPB推进剂/衬层界面Ⅱ型内聚力模型

采用实验与反演相结合的方法构建了端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂/衬层界面的率相关的内聚力模型.采用改进的单搭接试件完成了HTPB推进剂/衬层界面的断裂实验研究,采用内聚力单元方法对单搭接试件进行了数值研究,结合基于Hook-Jeeves优化算法的反演识别程序,获取了不同加载率下的界面断裂参数.由于界面断裂参数具有明显的率相关性,通过构建率相关的损伤函数,构建了基于双线性内聚力模型的率相关HTPB推进剂/衬层界面Ⅱ型内聚力模型.模型预测结果和实验结果的对比相关系数大于99%,说明本文所建立的 率相关内聚力模型具有较高的准确性,能够准确描述加载率为5~200mm/min时推进剂/衬层界面的断裂性质.      

AP/Al/CMDB推进剂的断裂特性实验研究

开展了关于AP/Al/CMDB推进剂在2mm/min拉伸速率下的断裂实验研究,利用CCD光学显微镜实时监测了裂纹的起裂与扩展过程,并阐述了裂尖材料的损伤演化机理;结合电镜扫描(SEM)技术对推进剂的断面形貌进行了表征,分析了大粒径高氯酸铵(AP)的微观结构演化机理;采用积分法获得推进剂的断裂能。结果表明:推进剂在起裂与扩展过程中裂尖区域材料存在明显的损伤现象,AP颗粒的脱湿行为主导着微孔洞和微裂纹的萌生、成核、长大、合并过程,表征着推进剂的断裂机理,并控制着推进剂的非线性断裂特性;采用积分法获得推进剂在2mm/min拉伸速率下的断裂能为1.765±0.025N/mm。     

基于累积损伤模型的NEPE推进剂温度及率相关破坏准则研究

建立考虑温度及应变率因素的适用于粘弹性固体推进剂的破坏准则,通过对NEPE复合推进剂试件在6组不同环境温度(-50~50℃)下进行了5组不同拉伸速率(1~500mm/min)的等速率拉伸破坏试验,结合试验数据获取损伤模型参数,建立了考虑温度及应变率因素的基于累积损伤的结构强度准则。并利用建立的损伤模型来预测推进剂试件在选定温度(20℃,-50℃)及应变率条件下(20mm/min,200mm/min)的破坏情况,预测结果与试验数值吻合较好,说明该损伤模型能够较好地描述NEPE推进剂材料的破坏过程,可在一定温度(-50~50℃)及应变率(1~500mm/min)范围内作为一种普遍适用的推进剂破坏准则。     

HTPB推进剂拉伸力学行为的应变速率相关超弹本构模型

为研究HTPB推进剂拉伸力学行为的应变速率相关性,采用万能试验机和液压试验机,在室温下开展了不同应变速率(1.2×10~(-4)~80s~(-1))的拉伸实验。结果表明:给定应变对应的应力随应变率对数双线性增加,1s~(-1)为双线性关系的转折点;随应变的减小,HTPB推进剂的应变率敏感性线性增强。在Mohotti建立的模型基础上,结合拉伸力学行为的双线性率相关特性及应变率敏感性的应变依赖性,提出改进的应变速率相关超弹本构模型。该模型以超弹性元件作为基础描述参考应变率下的力学行为,率相关元件乘入超弹性元件描述率相关特性。模型预测与实验曲线对比表明:所提出的率相关超弹本构模型能够描述HTPB推进剂在1.2×10~(-4)~80s~(-1)应变率、30%应变范围内的拉伸力学行为。     

N2O混合火箭发动机的催化点火研究

利用N2O催化分解原理,设计了一个用于启动N2O混合火箭发动机的催化点火器。试验表明,在催化剂被加热到400~600℃左右后,该点火器可以成功启动N2O/有机玻璃(PMMA)混合火箭发动机。在切断氧化剂供给,节流关闭发动机后,可以通过再次加热催化室重新实现发动机的启动,在节流时间较短的情况下也可以直接打开氧化剂阀门,利用催化室余热多次启动发动机。     

液氧/甲烷火焰和燃烧不稳定性试验

为了解液氧/甲烷火焰在外界扰动作用下的表现,增进对燃烧不稳定性的理解,分别对两种喷剪切同轴式喷嘴结构进行了试验,试验采用单喷嘴矩形模型燃烧室,液氧以液态从中心喷嘴喷注,甲烷以气态从同轴的环形腔喷注。试验中,压力调节装置上的齿轮间断性地堵住和打开安装在燃烧室底部和主喷管旁边的辅助喷管出口,分别向燃烧室输入高频扰动。采用高速照相机记录火焰的OH辐射量,并采用阴影和纹影技术记录液氧的喷雾过程。试验成功激发起了燃烧室一阶横向和一阶纵向振型,在高频扰动作用下,还产生了两次强低频振荡。讨论了分离火焰的特征及其液氧射流在外界扰动作用下的表现和影响参数。     

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。     

温度载荷下带筋套管形装药结构完整性分析

为了分析带筋套管形装药在低温多次出现点火爆炸的原因，基于Updated Lagrangian方法，推导了热粘弹性大变形增量本构关系。在分析瞬态温度场的基础上，进一步给出了热应力应变分布，指出了危险点位置。通过选取十二种热膨胀系数以及十四种肉厚系数，对推进剂药柱进行了结构完整性计算，得出热膨胀系数与最大等效应力应变成线性关系，而肉厚系数与最大等效应力应变之间成指数函数关系的结论。结果说明：肉厚系数的选择对固体火箭发动机装药保持结构完整性有重要影响。