HMX含量对丁羟四组元推进剂团聚及凝聚相燃烧产物的影响

奥克托今(HMX)作为含能材料在能够提高推进剂能量性能的同时可改变推进剂的燃烧过程,广泛用于固体推进剂中。为了研究HMX含量对推进剂点火、燃烧、团聚和凝聚相燃烧产物特性的影响,采用推进剂燃面拍摄、激光点火以及凝聚相燃烧产物收集方法对HMX含量在0%~10%范围内的典型四组元推进剂进行试验研究。结果表明:随着HMX含量由0%增加到10%,推进剂的点火延迟时间由191 ms增加到286 ms,推进剂的燃速和压强指数均减小,凝聚相燃烧产物的体积平均粒径D_(43)由48.1μm增加到138.3μm。含10%HMX的推进剂燃面上铝的团聚程度最大,而含8%HMX的推进剂凝聚相燃烧产物中活性铝的含量最高。

基于分子链演化的NEPE推进剂基体超弹本构模型

为了揭示硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂基体内高分子链结构演化与超弹性力学行为间的构效关系,采用多尺度方法,对复杂变形状态下NEPE推进剂基体内的高分子链演化过程及其表征模型进行了研究。首先,在基体黏合剂、固化剂和增塑剂等组分微观模型的基础上,通过对基体体系的分子动力学模拟,发展了描述复杂变形状态下交联链和自由链构形演化的动力学模型。随后,基于统计力学理论对系统自由能中交联链和自由链演化的贡献进行了定量表征,并建立了考虑高分子链交联、缠结效应的超弹本构模型。最后,结合NEPE推进剂基体胶片准静态拉伸实验数据对本构模型进行了验证。结果表明,相较于经典Arruda-Boyce超弹本构模型,基于物理机制的本构模型中本构参数具有真实的物理意义,可以通过物化实验进行参数标定,能较好地预测复杂变形状态下的基体超弹性行为,从而为推进剂基体力学性能的调控和组分优化提供模型支持。

固体推进剂装药低温应力等效加速试验方法研究

为评估持久应变载荷下固体推进剂装药在贮存过程中的结构完整性,采用定应变断裂和热力耦合加速老化相结合的试验方法,获得了宽应变区域内固体推进剂松弛破坏时间模型,联合装药在长期贮存/低温应力加速状态下危险部位的最大持久应变,计算出装药的低温应力加速系数和等效加速试验时间,确定了其在长期贮存和低温应力加速状态的等效关系,在此基础上建立了固体推进剂装药低温应力等效加速试验方法。采用此方法,开展了NEPE推进剂■200 mm圆管发动机装药的低温应力等效加速试验,试验温度为-48℃,试验时间分别为365 d和517 d,试验后装药均保持结构完整。结果表明,仅考虑机械应力情况下装药贮存12 a和17 a后结构完整,已应用于某型号固体推进剂发动机装药寿命评估、定寿和延寿。

基于细观结构的HTPB固体推进剂含损伤粘弹性本构模型研究

基于对HTPB推进剂的拉伸试验,结合推进剂的细观结构对拉伸曲线进行分段和拟合;建立了推进剂四阶段损伤模型,并将推进剂的力学性能构成分为基体-颗粒界面和基体两部分,提出了推进剂杨氏模量的叠加模型;在试验和拟合结果的基础上,分别建立基体-颗粒界面和基体的损伤方程,较为准确地描述了推进剂拉伸损伤过程,并将其引入杨氏模量的叠加模型;结合现有积分性本构模型,给出了基于细观结构的HTPB推进剂含损伤粘弹性本构模型,并通过不同应变率条件下的拉伸试验进行了验证,结果显示模型预测结果较好。

凸拐角附近激波与湍流边界层干扰的数值模拟研究

采用大涡模拟方法数值研究了来流马赫数Ma∞=3、雷诺数Reθ=2070的凸拐角附近激波与湍流边界层干扰问题。对于尖拐角和钝拐角两种情况,计算考察了激波入射到拐角下游时的流场结构、非定常分离流以及湍流统计特性。研究发现:尖拐角能够使流动产生局部集中的顺压梯度,导致壁面摩擦系数在拐角处出现峰值,因此分离点难以越过拐角向上游运动,而再附点发生前后运动。与尖拐角情况不同的是,钝拐角产生的局部顺压梯度不足以阻止分离点越过拐角,因此分离点和再附点都会发生运动。此外,尽管凸拐角产生的顺压梯度能抑制分离点附近的近壁小尺度涡结构,但在经过入射激波作用之后,近壁小尺度涡结构在再附点附近显著增强。

人工脱粘结构界面脱粘原位高频振动监检测方法

针对固体发动机人工脱粘结构的界面脱粘原位监检测问题,以人工脱粘结构的绝热层/药柱界面模型试件为研究对象,基于结构表面黏贴布置的压电晶片高频局部振动方法,进行了绝热层/药柱界面脱粘实验研究,得出了不同损伤工况下的高频局部振动响应曲线,并利用均方根偏差值对不同工况下的界面脱粘损伤进行了定量分析,发现量化指标随着脱粘区域面积的增大而增大。此外,研究了温度对高频局部振动方法的影响,并结合温度补偿算法进行了温变工况下的界面脱粘损伤监检测实验。结果表明,该高频局部振动方法可有效识别人工脱粘结构的界面脱粘损伤状态,为固体发动机人工脱粘结构界面状态的原位监检测工程实际应用提供了一种新的思路和技术支撑。

声振荡作用下推进剂铝颗粒团聚特性实验研究

为获得压强振荡对推进剂燃烧表面铝颗粒团聚特性的影响,建立了声振荡作用下铝颗粒团聚特性实验测量装置和方法,采用高速显微成像技术和激光全息技术同步测量的方法,对HTPB四组元推进剂在有、无声振荡作用下的铝颗粒团聚特性进行了实验研究。研究结果表明,在340 Hz声振荡作用下,铝颗粒火焰呈现与声振荡频率相一致的周期性摆动,颗粒微观形貌发生明显的形变;受声场力的作用,小尺度颗粒(40~80μm)团聚作用减弱,中等尺度颗粒(100~260μm)团聚作用加强,且更容易发生融合等现象,从而改变了推进剂燃烧表面及近表面铝团聚颗粒粒度分布(0~3 mm),团聚粒度及团聚分数均增加。所建立的实验方法可为研究压强振荡作用下推进剂铝团聚特性提供有效的实验技术和数据参考。

某型导弹的地面振动条件修正与评估

为解决某型导弹及其关键产品在地面振动试验中出现过考核和欠考核的问题,提出了一种基于遥测数据的地面振动试验条件修正与评估方法。首先,通过功率谱分析地面振动试验数据和遥测数据,结合振动响应裕度指标,实现关键产品的振动响应量化评估。其次,通过振动响应裕度指标合理地评估关键产品在地面试验、仿真分析和飞行试验中振动响应的变化规律。最后,根据遥测数据的功率谱曲线选取拐点频率,并修正地面振动试验条件,使得关键产品的振动响应均方根值由国军标的5.7 g降低至3.4 g,避免低频欠考核和高频过考核现象。通过振动响应裕度指标,验证了该文所定振动条件的有效性。采用随机振动分析和振动响应裕度指标,能评估关键产品地面振动试验的合理性。

固体火箭超燃冲压发动机硼基贫氧推进剂配方优选试验研究

针对固体火箭超燃冲压发动机中高焓多相超音速燃烧组织难题,通过改进含硼固体贫氧推进剂配方,为硼颗粒的点火燃烧提供良好的微环境,以进一步缩短硼颗粒的点火延迟时间,开展了三种推进剂配方的直连试验研究。试验结果表明,在5~10μm粒径的基础上,进一步降低硼颗粒粒径至1~2μm,使颗粒的随流性增强,并使得掺混均匀度降低,抵消了硼颗粒粒径减小带来的燃烧性能优化作用;提高一次燃烧效率,使得一次燃气温度提升,硼颗粒的点火燃烧微环境得到改善,显著提高了一次燃气的超音速补燃效率。在试验工况下,硼颗粒的燃烧效率由基础配方的61.2%提高至83%,计算得到的发动机名义比冲由6016 N·s/kg提高至7996 N·s/kg,使其超音速燃烧性能得到了显著提高。

弹/箭舱段壳体动力学等效建模及模态分析

针对有限元方法在系列化火箭产品模态仿真中计算效率较低的问题,提出一种基于等效梁模型计算方法,对火箭舱段壳体结构进行模态仿真分析,并通过有限元方法进行验证,以此为基础进一步开展研究舱段连接数目、连接螺栓规格、数目相关参数对低阶模态弯曲频率的影响规律,对弹/箭结构设计过程具有指导意义。仿真结果表明:在同系列型号方案论证阶段,对于大长径比舱段壳体结构在典型边界条件下,模态仿真精度较高,工程适用性强;弹/箭结构模态频率对舱段连接位置比较敏感,结构设计中应避免舱段连接面出现在弹体敏感位置;舱段连接螺栓规格、数目的减小会造成舱段连接处抗弯刚度降低,从而导致弹/箭结构模态弯曲频率降低,反映在梁模型中需要对舱段连接面抗弯刚度进行修正。

固冲发动机补燃室温度场及热应力分析

针对选用炭化复合材料在双下侧进气口构型条件下补燃室绝热结构开展了单向流固耦合数值计算,分析了补燃室内不均匀温度场以及不同隔热材料的热应力。补燃室内温度场不均匀分布对绝热层烧蚀的影响较为显著,温度相对较高的位置绝热层烧蚀也较为严重;随着隔热材料的热膨胀系数的增加,绝热结构内表面的热应力明显增大,绝热结构更易出现局部裂纹和脱落;将数值计算结果与试验结果进行了对比分析,具有较好的一致性。结果表明,补燃室进气口下游的壁温最高,进气口下游后段的绝热层烧蚀最为严重;采用GXJ隔热层的绝热结构相比三元乙丙隔热层,绝热结构的热应力增加约59%,绝热结构的整体结构稳定性显著降低。

大型薄壁缠绕型复材壳体的振动特性研究

为研究大型薄壁缠绕型复材壳体的结构振动特性,基于复合材料层合板理论,采用有限元方法建立了某型号整流罩壳体结构细观分析模型,开展了整流罩壳体的模态仿真,以工程中常用的随机振动输入条件进行了振动特性分析研究,并进一步仿真分析了铺层方式、壳体厚度等关键参数对于整流罩壳体结构振动特性的影响规律。结果表明:壳体厚度对整流罩壳体呼吸模态的影响较大,随着模态阶数的升高,在同一振型情况下,厚度对材料结构的性能影响愈来愈大,在工程中常用的随机振动输入条件作用下,厚度变化对结构低频振动响应的影响较小;铺层方式对整流罩壳体的振动特性影响显著,当0°、45°和90°铺层同时存在的情况下,其低频振动特性相对较好,故通过优化铺层方式来提高整流罩壳体刚性是更为有效的措施。

燃烧室声腔结构对固体火箭发动机热声振荡影响的实验研究

固体火箭发动机燃烧室中的热声不稳定燃烧会对发动机的正常工作造成严重危害,为了能够对热声不稳定的影响机制有更加深刻的认识,基于缩比固体火箭发动机设计了一种平面燃烧器热声实验装置,通过开展多工况实验研究了化学当量比和燃烧室声腔结构对燃烧室中热声振荡的影响。研究发现,在长度为920 mm、内径为150 mm不含模拟药柱的燃烧室中,随着化学当量比的增加,热声振荡的幅值先增加后减小,振幅在化学当量比∅=1.31处达到最大值35.4 Pa;在含有模拟药柱的燃烧室中,随着化学当量比的变化,燃烧室中出现了热声不稳定模态转换的现象,即热声不稳定从一阶声不稳定变为二阶声不稳定。对比分析了药柱内径对两种不稳定模态频率和振幅的影响,通过测量压力衰减系数进一步分析了药柱结构特性对热声振荡的阻尼作用,发现药柱结构对热声振荡的阻尼作用随药柱内径的增大而减小。结果表明,在发动机工作过程中,随着燃面的退移,药柱的内径变大,阻尼作用会越来越小,导致发动机工作末期稳定性降低,出现燃烧不稳定现象的风险增加。

固体火箭发动机喷管阻尼数值计算方法及规律研究

从声学角度出发,参考稳态波衰减法,综合考虑喷管辐射损失及对流损失,建立固体火箭发动机喷管阻尼声能共振数值计算方法,通过与阻抗管法测量的试验结果对比验证仿真方法,并探究喷管喉径、监测点位置、声源强度及平均压力对喷管阻尼的影响,结果表明:数值计算结果与试验结果吻合较好,表明该研究建立的仿真方法有效;喷管阻尼随喉径的增大而增大,进而使声腔内形成稳定驻波时的压力振幅降低。传声特性分析结果表明:喷管喉径增大,声功率透射系数提高,使喷管阻尼增加;监测点位置及声源强度不会影响喷管阻尼大小,但会影响压力振幅大小;喷管阻尼及压力振幅均与平均压力大小无关。

基于Scilab/Linux RTAI的探空火箭半实物仿真平台研究

半实物仿真是火箭研制过程中不可或缺的重要手段,针对国内外常见的半实物仿真平台大多基于闭源商业软件开发,存在价格昂贵、源码封闭、定制性不强等问题。文章研究了基于Scilab/Linux RTAI半实物仿真平台的设计和实现方案,在Linux环境下利用开源软件Scilab建立数学仿真模型,采用双内核实时化方案构建Linux RTAI实时运行环境,采用VMIC光纤反射内存实时网络传输数据,编写了VMIC-PCI5565的驱动程序和实时接口模块,保证了仿真平台的实时性及硬件设备与模型通信的实时性。随后,测试了整个半实物仿真平台的实时性能,并进行了某型探空火箭的半实物仿真试验。与Simulink/RT-LAB平台下的仿真结果相比,一致性很好,可以满足半实物仿真试验的实时性和可靠性要求,而且成本低,可扩展性强,具有广泛的应用前景。

固体火箭发动机药柱低温损伤研究进展

从细观损伤、宏观损伤、损伤模型三方面,对固体火箭发动机药柱低温损伤的研究进展进行了综述,并对下一步的研究方向和重点提出建议。目前,用于宏细观损伤分析的固体推进剂本构模型考虑了温度和应变率的影响,但在引入围压条件后,推进剂的力学性能发生显著变化,其抗拉强度、断裂强度和初始模量有显著提升,而最大伸长率则显著降低,考虑围压因素的本构模型研究未来将成为重点;固体火箭发动机低温点火升压的多载荷条件下损伤产生和演化过程已有很多的研究,但对“脱湿”损伤、基体损伤和颗粒断裂损伤发生的时机和机理尚为形成统一理论;损伤模型大多是基于试验结果的唯象模型,未来可借助新的试验设备设计新的试验方法,对细观尺度的损伤进行研究,从而建立基于细观结构的损伤模型。

基于Sobol法的固体火箭发动机喷管参数的灵敏度分析

为了准确量化材料参数与结构参数的不确定性对固体火箭发动机喷管热破坏的影响,基于Sobol法发展了一种喷管参数的灵敏度分析方法。该方法首先通过完全耦合热力分析得到喷管的应力分布及喉衬与扩张段上的应力极值;然后分别在喉衬与扩张段的不确定性参数中选取对应力极值影响较大的材料参数和结构参数进行随机取样,并将得到的样本作为输入变量代入喷管热力分析中,获取应力极值处的等效应力和环向应力两组输出响应;最后基于Sobol法对输入样本和输出响应进行分析,得到各参数的灵敏度值。分析结果验证了该方法的有效性,并表明对于喉衬,等效应力极值和环向应力极值的敏感参数均为材料线膨胀系数;对于扩张段,除了材料线膨胀系数外,等效应力极值和环向应力极值对结构夹角的变化同样较为敏感,材料线膨胀系数的变化对环向应力极值的影响最为显著,而结构夹角的变化对等效应力极值的影响更显著。

粉末发动机技术研究现状及展望

对目前在研究的Al/AP、金属粉末/空气、金属粉末/CO_(2)、金属粉末/H_(2)O等推进剂体系的多种粉末发动机发展现状进行了综述,表明粉末发动机可分为粉末火箭发动机、粉末冲压发动机、粉末爆震发动机三大类,不同推进剂体系的粉末发动机应用方向差异较大:Al/AP推进剂火箭发动机是最典型的粉末发动机,应用领域和常规火箭发动机的相同,其技术成熟度相对较高;金属粉末/空气冲压发动机主要用于超音速导弹或高超音速导弹推进领域;金属粉末/CO_(2)推进剂体系主要应用于火星开发;金属粉末/H_(2)O推进剂体系可用于水下推进、空间推进、金属制氢等领域,应用前景广阔,是目前的研究热点。各种粉末发动机都涉及三项关键技术,即粉末推进剂配方技术、粉末推进剂输送及流量调节技术、粉末燃料燃烧组织技术,文中提出了这些技术的基本要求,同时认为粉末推进剂输送及流量调节技术是粉末发动机的技术瓶颈。

固体火箭超燃冲压发动机燃烧试验研究

针对采用含硼固体贫氧推进剂的固体火箭超燃冲压发动机中凝相颗粒超音速燃烧组织难题,建立了模块化燃烧性能试验平台,超音速燃烧室入口马赫数为2.65,入口有一后向台阶,高温富燃燃气从后向台阶后喷注进入燃烧室,通过开展不同一次燃气喷注位置、喷注结构等参数下的地面直连试验研究,获得了不同燃气喷注位置和燃气喷注参数对掺混燃烧的影响规律。试验结果表明,采用含硼固体贫氧推进剂的固体火箭超燃冲压发动机实现了可靠稳定燃烧,通过增大后向台阶形成的掺混燃烧回流区和提高燃气掺混均匀度,可提高发动机掺混燃烧性能,最优试验工况下,燃烧室总压损失为72.7%,燃烧效率为0.793,燃烧室推力增益为459 N,计算得到的发动机比冲为7301 N·s/kg。

超音速分离线喷管内流场数值模拟

采用数值方法求解超音速分离线(SSSL)喷管内流场,研究了不同摆角对喷管流场分布的影响,对比分析超音速分离线与亚音速分离线喷管的轴向推力、径向推力及偏转放大因子随喷管摆角的变化规律,为超音速分离线喷管的设计研究提供理论参考。计算结果表明,摆动对超音速分离线喷管内流场影响显著,随着摆角的增大,内流场的非对称性和激波强度均增加;在相同摆管的轴向力分力略有减小,而径向分力则呈现增大的趋势;超音速分离线喷管与亚音速分离线喷管的径向分力比值,即偏转放大因子则随喷管摆角呈先增大、后减小的变化规律,本算例中的最佳放大因子1.36,对应的喷管摆角为2.5°;另外,随着摆角增大,超音速分离线喷管内流场Al2O3粒子分布的非对称特性也逐渐加强,活动体小端局部范围粒子浓度显著增大。