用详细化学动力学机理模拟固体推进剂组分燃烧的研究进展

针对未来固体推进剂燃烧模型的发展趋势,综述了近年来国外以详细化学动力学机理为基础建立的固体推进剂燃烧模型,并介绍了相关的理论公式和数值求解方法。模型可计算的燃烧特性参数包括燃速、压强指数、燃速温度系数、物种曲线、温度曲线、表面温度和火焰温度等。目前,模型已涉及到的物质包括硝胺类(RDX,HMX,CL-20,HNF)、叠氮类(GAP,BAMO,AMMO)、硝酸酯类(NG,NC,BTTN,TMETN,DEGDN)和硝酸盐类(ADN,AN)等。模型计算结果表明,预测的燃烧特性值与实验值比较一致,证明该机理可预测先进固体推进剂的燃烧特性和指导配方设计。但目前该类模型的主要局限是凝聚相内化学反应路径和反应速率以及凝聚相初生物种的确定问题。     

燃烧催化剂苯甲酸铜盐及其衍生物的热分解研究(Ⅱ)──双取代基苯甲酸铜盐的热分解机理

羟基氨基苯甲酸铜、二羟基苯甲酸铜、二硝基苯甲酸铜和对硝基苯甲酸铜的DSC和TG热分解研究表明，与苯甲酸铜一样，它们分解都生成一种稳定的二聚作中间产物──双核铜五元环络合物，前二者还能生成一种八元环二聚体络合物。芳香基上由于引入硝基，使主要分解反应阶段由吸热效应变成放热反应，具有二个硝基取代基者，这种放热效应较只有一个硝基者更强烈。本文还初步探讨了苯甲酸铜及其衍生物分解历程与双基推进剂燃烧过程催化效果的关系。     

高纯硼粉的特性及其在富燃料推进剂中的应用研究

通过SEM、XRD、pH计、X射线荧光光谱仪和HAAKE流变仪等研究了高纯硼粉的物化特性,并重点研究了其用于富燃料推进剂的燃烧性能.结果表明,高纯硼粉中大部分颗粒不规则,但在微观上呈晶体结构.由于高纯硼粉表面B2O3、H3BO3杂质非常少,硼粉与水悬浊液的pH值接近中性,硼粉在HTPB粘合剂中的屈服值和表观粘度较小,且随混合时间增加,屈服值和表观粘度保持不变.通过290～407 ℃范围内高纯硼粉富燃料推进剂热分解过程的质量损失可定性认为,高纯硼粉参与凝聚相反应的活性高于无定形硼粉.燃烧性能研究表明,含高纯硼粉的富燃料推进剂低压下正常燃烧,燃烧特性与无定形硼粉相同,实测燃烧热和燃烧效率较高.     

平底翼柱型药柱燃烧规律的研究

对平底翼柱型药柱进行了研究,推导了平底翼柱型药柱燃烧面积公式,运用MATLAB编程计算,得到了药柱燃烧面积变化率与设计参数的关系图,分析总结了平底翼柱型药柱的燃烧规律。计算结果表明,翼槽数为8,长径比为1.7时,更接近恒面燃烧;当翼槽倾角α∈(0,5π/48),β∈(0,π/3)时,药柱燃烧过程呈现先增面后减面的特性;以药柱外径为基准,当设计参数翼顶缘相对半径r∈(0.36,0.71),翼槽相对深度H∈(0.17,0.375),开槽相对厚度T∈(0,0.036),药柱呈现先增面后减面燃烧;当设计参数r、H、T在给定范围外时,药柱燃烧呈单增面性或者单减面性。算例证明,燃烧面积计算公式正确,燃烧规律符合实际。     

大水深火箭发动机尾流场数值模拟

针对火箭发动机在深水环境下工作的燃气射流特性,采用VOF(Volume of Fluids)方法建立了二维轴对称两相数值计算模型,对深水长尾喷管火箭发动机点火初期的过程进行了数值模拟。模拟了长尾喷管喷管燃气射流的气泡的形成、发展及断裂过程,获得了气液两相流场中压强、马赫数、温度等参数的变化规律。计算结果表明,长尾喷管出口出现周期性的压力脉动,气液相互作用过程中形成含涡结构的边界层。水深越大时,环境压力越大,长尾喷管出口的压力、速度波动越大,射流稳定后长尾喷管轴线上的压力、速度保持不变。研究结果可为深水火箭发动机的设计提供参考。     

变燃速发射药燃烧性能计算及实验研究

为研究管状变燃速发射药的能量释放规律,根据其结构特点建立燃烧模型,采用理论计算方法分析管状变燃速发射药外内层燃速比及长径比对其燃烧性能的影响规律;采用挤压成型工艺制备了不同硝基胍含量的管状变燃速发射药,并进行密闭爆发器实验。结果表明,模拟计算中管状发射药的外内层燃速比K=0.2,长径比n=8. 0时,发射药相对燃烧表面较为理想,燃烧渐增性相对较强,添加NQ变燃速发射药密闭爆发器实验结果与模拟计算结果有较高契合度。     

燃烧条件下自燃推进剂的雾场及火焰实验研究

为研究双组元自燃推进剂喷雾燃烧的特点,在单互击式喷嘴矩形燃烧室内开展了一甲基肼/四氧化二氮(MMH/NTO)推进剂喷雾燃烧过程可视化实验,采用高速相机直接拍摄并获得了MMH/NTO的火焰自然发光图像,采用高速相机及光源后置消光法拍摄并获得了燃烧条件下MMH/NTO撞击后的雾场图像。通过实验得到了以下结论:燃烧条件下,MMH/NTO液相主要集中在喷注面附近的喷射雾化区,其面积随燃料射流速度增大而增大;MMH/NTO着火点距离喷注面距离及着火过程的火焰传播速度随推进剂喷射速度增加而增大;按自然发光亮度划分,MMH/NTO火焰分为外层火焰、内层火焰及焰心,焰心亮度最高,其面积随燃料喷射速度增加先减小后增大;MMH/NTO反应长度及火焰张角随燃料喷射速度增加而增大,与喷射雾化区随燃料喷射速度的变化趋势一致。     

固体推进剂燃烧中凝相粒子的激光全息测试

概述了测试凝相粒子尺寸的基本方法，较详细地阐述了研究燃烧场凝相粒子尺寸分布的激光全息测量方法和测试结果。     

双组元姿控发动机喷管化学反应流场数值模拟

本文对混合比为０．９、１．０、１．１三种状态下工作的双组元自然推进剂（肼／四氧化二氮）姿控发动机喷管内化学反应流动进行了数值模拟。数值模拟时采用了弱耦合点隐式方法的数值方法及肼／四氧化二氮的十二组分、十三个基元反应的有限速率化学反应模型。得到了三种混合比下反应流及混合比为１．０时冻结流发动机的推力和比推力、喷管中的流动参数及各组分的质量分数。分析表明，数值模拟的结果与理论分析一致，结果可靠。本文工作为姿控发动机的喷管设计提供了理论依据。     

贫氧推进剂一次燃烧产物的热力计算

贫氧推进剂一次燃烧的物理和化学动力学因素决定了其一次燃烧为非平衡燃烧。说明了非平衡燃烧的特点，提出了计算贫氧推进剂一次燃烧的理论模型。以参与化学反应的推进剂组分为基础，把燃烧剩余物和燃烧产物分开，建立了燃烧产物的质量和化学平衡方程以及体系的能量平衡方程，采用布林克莱法解决了贫氧推进剂非平衡燃烧产物的热力计算。