2021年度固体火箭技术进展

从本刊刊载情况看,2021年对于固体火箭发动机技术及其相关领域的发展有几个值得一提的事情.首先,我国自主研发的?3.2 m分段式固体火箭发动机和?3.5 m整体式复合材料缠绕固体火箭发动机相继试车成功,标志着我国打通了?3 m以上大型固体火箭发动机研制的关键技术链路;其次,2021年在以超燃、推力可调可控特种发动机等为...     

低温动态加载下老化HTPB推进剂细观损伤研究

采用扫描电镜(SEM)对低温动态单轴拉伸后的HTPB推进剂断面形貌进行了观察,分析了不同加载条件下推进剂的细观损伤形式。结合盒维数数值方法,进一步讨论了推进剂的细观损伤程度变化情况。结果表明,热老化后HTPB推进剂在低温动态加载时,其细观损伤更复杂、更严重;温度、应变率和热老化均能改变推进剂的细观损伤形式,存在细观损伤发生改变的临界加载条件;随温度持续降低、应变率持续升高及热老化时间增长,盒维数值最终保持在1.866附近,即推进剂的细观损伤程度不再发生改变。研究结果对分析低温点火时战术导弹固体火箭发动机药柱的结构完整性具有一定参考价值。     

碳硼烷衍生物的合成与应用进展

碳硼烷衍生物具有燃烧热值高,与配方组分相容性好等特点。在推进剂领域,现阶段主要将其用作高燃速配方的燃速调节剂,可明显提升燃速并兼具其他功能;将其作为高性能燃料可改善富燃料推进剂的燃烧性能、能量性能等,具有良好发展前景。简介了碳硼烷的结构、性质。阐述了碳硼烷衍生物的主要合成方法,并从关键原材料的制备角度分析了制约碳硼烷衍生物应用发展的因素。概括了碳硼烷的四种改性途径。综述了碳硼烷衍生物在国内外军民领域的应用进展,主要总结了其作为功能化燃速调节剂、高性能燃料在推进剂中的研究现状。简介了其在耐高温材料、生物医学材料、光电材料等领域的应用情况。最后,指出未来应针对富燃料推进剂的需求强化功能化碳硼烷衍生物的合成及使用性能研究。     

HTPB推进剂高应变率粘弹性本构模型研究

为分析HTPB推进剂在高应变率条件下的力学响应,开展了推进剂分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验,得到了不同温度(-40~25℃)和应变率(700~2050s-1)下的应力-应变曲线。结果表明,HTPB推进剂在高应变率条件下具有显著的温度和应变率敏感性,且随着应变率的增加和温度的降低,推进剂的应力逐渐增加。在Burke模型基础上,结合超弹性和粘弹性理论,建立了一种考虑温度和高应变率效应的本构模型。通过不同温度和应变率条件下实验结果与本构理论预测对比,验证了本构模型的有效性,可为固体推进剂药柱点火瞬态结构完整性分析提供理论依据。     

聚三唑交联固体复合推进剂力学及燃烧性能研究

为了解决传统固体复合推进剂端羟基-异氰酸酯固化体系对水敏感以及与ADN,B粉等新组分不相容的问题,使用端炔基化的环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚(PTPET)-多叠氮化合物组成新的固化体系,制备了常规配方S1、含键合剂配方S2、含ADN配方S3和含B粉配方S4的复合推进剂,对其力学性能和燃烧性能进行了测试。结果表明,室温下S1~S4的拉伸强度和断裂伸长率分别为0.60MPa,15%;0.63MPa,31%;0.40MPa,24%;0.72MPa,124%。在低温(-40℃)下,S1~S4的拉伸强度和断裂伸长率分别为1.69MPa,150%;2.10MPa,149%;1.18MPa,145%;2.10MPa,149%。在高温(60℃)下,S1~S4的拉伸强度和断裂伸长率分别为0.47MPa,23%;0.49MPa,21%;0.32MPa,17%;0.57MPa,84%。S2~S4在4~8 MPa下的燃速压力指数分别为0.49,0.52,0.38。4MPa压力,Ar气气氛下,S1~S4的爆热分别为6669,6695,6350,7014kJ/kg。总结了燃速和爆热的关系方程式。     

推进剂管路充填过程的数值模拟

基于一维管路瞬变流理论,利用特征线有限差分法,建立了推进剂供应系统管路充填过程的数学模型.利用坐标变换方法,将管路内液体与时间相关的求解区域变换为求解较方便的固定求解区域,很好地处理了模型的移动边界问题.对由贮箱、隔离阀、管道组成的系统充填过程进行了仿真计算,并将计算结果与传统的采用特征线方法获得的结果进行对比分析,验证了方法的有效性.进一步研究了最大压力峰值的影响因素,结果表明:增多初始气体压力、减小贮箱压力、增多多变指数可有效减小最大压力峰值.      

液体推进剂的热裂解生焦过程研究

研究了液体推进剂模型燃料正十一烷在575～700℃、0.1～5.0MPa条件下的热裂解生焦情况,通过气相色谱法(GC)和气相色谱-质谱法(GC-MS)对裂解气液相产物进行了分析,并根据分析结果推测了可能的裂解结焦机理。气体产物主要有甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和丁烯,裂解液中则含有烯烃类、环烃类、苯类和多环芳烃等化合物。随温度和压力的升高,反应程度明显加深,产物中芳烃及多环芳烃类化合物含量显著增加,更容易发生结焦沉积、堵管等现象。     

Mg/Al合金对CMDB推进剂燃烧性能的影响

通过激光粒度仪分析了Mg/Al合金粉的粒径及粒度分布。利用TG-DSC热分析仪分析推进剂的热分解特性。用燃烧实验装置研究了推进剂的火焰结构,并对CMDB,Al-CMDB,Mg-CMDB和Mg/Al-CMDB推进剂四种火焰结构进行比较。用SEM和EDS研究了CMDB推进剂的熄火表面形貌和表面特征组成。结果表明:Mg/Al-CM-DB推进剂在DSC曲线上存在一放热峰660.3℃。Mg/Al合金粉改变了推进剂的燃烧状态,提高金属燃料Al粉的燃烧效率。     

基于壁面滑移修正的凝胶推进剂流变本构方程

为了调研壁面滑移现象对凝胶推进剂管道流动的影响,对凝胶推进剂及3种模拟液在直圆管中的流动进行了研究。对直圆管流动实验采集的流动数据进行壁面滑移修正,得到了壁面滑移速度公式。构建了考虑壁面滑移修正的幂律本构方程,计算出考虑滑移速度的沿程阻力系数和广义雷诺数及二者的关系。采用PIV实验并结合数值仿真,得到管道输送过程中的真实内流场速度分布以及壁面有滑移和无滑移的速度剖面图。研究表明:经过壁面滑移修正可见推进剂及模拟液幂律本构方程是唯一的;通过沿程阻力系数的计算和管道内流场PIV实验两方面验证了所用修正方法和所建流变本构方程的正确性和适用性。      

AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧模型及数值分析

为了研究AP/HTPB复合推进剂微尺度燃烧与流动特性,建立了二维三明治结构的稳态燃烧模型。该模型考虑了气相火焰热反馈与固相组分热传导之间的耦合,通过对气相求解完整的N-S方程组,获得了AP/HTPB的燃速与微尺度燃烧场各物理量的分布特性。结果表明,随着环境压力升高,燃烧火焰由预混结构逐渐发展为扩散结构;压力越高,火焰热释放及其对燃面的热反馈越强,燃面的温度与燃速越高,燃速的计算结果与实验结果吻合较好;AP/HTPB交界点附近气体组分发生强烈的扩散反应,侧向速度对燃烧与流动有显著影响。 