特种结构固体火箭发动机燃烧室随机振动疲劳分析

随机振动下固体火箭发动机的疲劳破坏分析与疲劳寿命准确预测一直是困扰固体发动机设计的难题。通过模态分析、随机振动分析和基于高斯分布的三区间法、Miner疲劳累积损伤理论进行的疲劳计算,仿真分析了一种特种结构固体发动机燃烧室经过随机振动试验后的疲劳破坏规律及影响因素。结果表明,发动机燃烧室在经历径向随机振动激励时,结构响应最大,最大等效应力位于与燃烧室壳体交界附近的装药杯支撑杆上,是发动机燃烧室的最薄弱处;发动机燃烧室存在90、294、411 Hz三个共振频率,设计时要注意避开。极限随机振动试验表明,振动60 s时,燃烧室未发生疲劳破坏,而振动15 min发生了疲劳破坏,这与仿真的结果是吻合的,验证了数值振动模型和疲劳破坏计算方法的有效性,可为预测固体火箭发动机的疲劳破坏和疲劳寿命提供参考和指导。

小推力长工作时间固体火箭发动机喷管温度仿真分析

利用FLUENT发展了一种瞬态流-固-热一体化一步耦合三维有限元分析方法,并用该方法分析了一种采用无铝PET推进剂的小推力长工作时间(130 s)固体火箭发动机喷管温度场分布情况。分析结果表明,从喷管中心到喷管表面温度逐渐降低,喷管喉部中心温度达到2200℃以上,喉衬温度为1481~2000℃,隔热层温度为134~1864℃,壳体温度为134~234℃;喷管中心轴线上各点的温度开始时急剧增加,20 s后基本保持不变,从喷管出口到喷管入口,沿喷管中心轴线温度逐渐增加;喷管壳体表面温度随工作时间增加而增加,随离喷管出口的距离增加先增加而后逐渐降低;喷管喉部壳体表面温度最高,达220℃左右;推进剂燃温增加,喷管金属壳体表面温度呈线性增加;换热系数增加,金属壳体表面温度近似线性降低;燃烧室压强变化对金属壳体表面温度影响不大;隔热材料EPDM、5-Ⅲ和GFM降低金属壳体表面温度的效果突出。选用合适的隔热材料,做好喷管喉部位置的热防护是降低喷管壳体表面温度的有效方法。发动机试车结果与仿真结果吻合,验证了仿真分析方法的正确性。该瞬态流-固-热耦合一体化一步分析法,克服了过去流-固-热耦合方法步骤多、绝热假设不符合实际情况的局限性,可为合理设计固体发动机喷管、控制喷管温度提供依据。

自由装填式固体火箭发动机药柱低温点火结构完整性分析

利用三维有限元方法,通过热-机耦合,分析一种自由装填式固体火箭发动机药柱从药柱固化降温到低温点火整个过程中发动机的温度场、总位移、等效应力和等效应变的变化情况,得到了固化降温和点火升压过程中药柱/壳体有无粘接两种情况下发动机的受力情况的不同,并根据最大应变能理论,分析了两种情况发动机药柱的结构完整性;得出了在温度和压强双重载荷下,模量、泊松比、药柱/壳体粘接高度等参数对发动机药柱结构完整性的影响规律,表明该型发动机药柱/壳体粘接高度不宜超过40 mm。

国外气体发生剂研制动向

评述了气体发生剂的特点、应用、发展过程，着重介绍了八十年代以来气体发生剂领域的新动向。认为未来气体发生剂的发展仍主要沿着高能、无烟少烟和廉价的方向发展，以满足军民两方面用途。

消氢装置安全护航我国新一代液氢液氧运载火箭发射

低温推进剂液氢/液氧因能量高、比冲大、燃气清洁而在火箭领域具有广阔的应用前景[1]。但在4%~8%体积分数的较低的氢气浓度下,液氢具有爆燃的危害,此时燃烧产生的压力波以亚音速传播[2];在氢气体积分数18.3%~59%情况下,可产生严重的以超音速传播的爆轰的危害[3-4],液氢的这种易燃、易爆和易渗漏等特性,给贮存、保管、加注和发射带来诸多不便[1]。

CTPB型燃气发生剂燃速性能及控制技术研究

从配方组成、工艺条件和配方燃速相关性三个方面研究了CTPB型燃气发生剂的燃速性能，并探讨了配方燃速控制技术。结果表明，在原材料和工艺条件受控的情况下，配方燃速可控制在±0．15mm／s。

iPP/EBR合金的结晶和相形态

通过偏光显微镜(POM)、动态力学分析(DMA)、差示扫描量热(DSC)和扫描电镜(SEM)对等规聚丙烯/聚乙丁烯(iPP/EBR)合金的结晶和相形态进行了研究。结果表明,iPP和EBR在合金中是分别结晶的,组分EBR嵌入了iPP球晶;当EBR含量小于50%(质量分数,下同)时,合金中本体相iPP和分散相EBR处于相分离状态;而当EBR含量达到50%后,合金中还有EBR/iPP共存相。文中还提出了合金的相结构模型。

一种新型的复合麦撒推进剂

研制了一种新型的含EM503的PU复合麦撒推进剂,它在4.90～9.66MPa压强范围内产生麦撒燃烧。其麦撒区压强指数为-0.29。从目前报道看来,这是我国第二种复合麦撒推进剂,也是首次在中燃速(约7.2～7.9mm/s)下获得的复合麦撒推进剂。

隔舱式脉冲发动机金属膜片破裂仿真研究

为实现隔舱式脉冲发动机的多脉冲开启功能,设计了十字型、V字星型、米字型、圆弧星型、矩形星型和星圆复合型金属膜片式隔舱结构。根据平板脆性断裂模型的表面裂纹参数的计算公式,分析得到了金属膜片裂纹深度b与临界应力σc的关系及临界应力σc、临界尺寸ac与临界应力强度因子KIC的关系;通过三维有限元数值仿真的瞬态动力学分析,发现了六种金属膜片应力均集中在膜片中心及沟槽部位,膜片将首先从这些部位裂开;探索了一种预估金属膜片打开压强的方法,即通过模拟不同峰值压强下膜片的最大主应力,得到最大主应力-峰值压强曲线,则该曲线与临界断裂应力直线的交点对应的压强值,就是金属膜片的打开压强。由此得到了六种结构类型金属膜片的Ⅱ脉冲打开压强预估值,用该方法预估的膜片打开压强1.25 MPa与实际发动机打开压强1.4 MPa相近,表明该预测方法是可行的。

烟火型气溶胶发生器温度场仿真分析

利用FLUENT流体计算软件和瞬态热分析软件,通过流场-热耦合三维有限元方法,分析了一种烟火型气溶胶发生器燃气流场情况,得出外表面温度在工作结束的19s最高。分析燃烧19s再放置181s后气溶胶发生器内、外表面温度场分布及其随发生器位置、燃气流量、气溶胶燃温、工作时间的变化规律,结果表明:降低发生器燃气流量、提高气溶胶的燃速和降低气溶胶配方燃温均可有效降低气溶胶发生器温度。进行气溶胶发生器点火试验,验证了仿真分析结果的准确性。

高含铝推进剂低压固体火箭发动机尾流场复燃数值模拟与实验研究

为研究高含铝推进剂低压固体火箭发动机的尾流场特性,利用流体计算软件Fluent,采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,对高含铝固体推进剂低压发动机尾流场复燃进行了数值模拟和实验研究。结果表明:低压下高含铝固体推进剂羽流复燃时,温度分布呈现"双峰"的现象,第一温峰是纯气相燃烧形成的,第二温峰是铝粒子燃烧形成的;且铝粒径越小,第二温峰出现的位置离喷管越近,铝粒子温度越高,最高可达1124K;燃烧室压强越高,第二温峰出现的位置离喷管越远。发动机试车试验中也出现"双峰"的羽流温度场,且测得粒子最高温度为1141K,与模拟结果吻合较好。

温度冲击试验对固体发动机喷管堵盖结构影响的仿真分析

温度冲击试验可模拟极端温度环境对固体发动机结构的影响。本文利用三维有限元方法,通过热-机耦合,分析了一种固体发动机喷管堵盖在温度冲击中的温度、应力和应变的变化情况。结果表明:温度冲击中,喷管堵盖内存在温差,最大可达46℃;存在内应力,在铝合金支撑件/EP密封件环形界面处最大,低温-50℃时达18.1 MPa,是堵盖最先破坏的位置;EP密封件是堵盖的最薄弱环节,粘接结构最大内应力11.6 MPa,分离结构9.1 MPa;得出了温度冲击下,影响喷管堵盖结构完整性的因素,表明选用低模量和合适线胀系数的密封材料,采用常温成型方法,脱开密封件/支撑件间环形交界面,可有效降低密封件/支撑件的内应力;含GFM/EP/铝合金喷管的真实发动机温度冲击试验结果与预估结果吻合。

电控固体推进剂点火技术研究

采用一种层状电极式点火装置,分别研究了电极材料、电极形状和电极极性对电控固体推进剂点火过程的影响。试验结果表明,电极材料、推进剂端面电流密度和电极极性是影响电控固体推进剂点火过程的重要因素,当推进剂两端面电流密度相同时,采用不同材料的电极优先点火顺序依次为钛、铝、石墨、铜。当两端电极材料相同时,ESP始终在电流密度较大的一端点火,且电流密度越大,点火效果越好,临界点火电压越低;当两电极与药柱端面的接触面积比为1∶1和0.64∶1时,ESP优先在正极端点火;但当两电极与药柱端面的接触面积比为0.16∶1时,ESP在电流密度较大的一端点火。电控固体推进剂能通过电压控制实现多次点火、熄火循环。

热/UV双重固化制备耐划伤光学扩散膜

采用热/UV双重固化方式制备高透光率、高雾度光学扩散膜扩散涂层。分别研究了不同树脂/粒子比例(以热固化树脂为参考)、双重固化树脂比例(UV固化树脂/热固化树脂),以及相同树脂/粒子比例条件下不同粒子粒径等参数对光学扩散膜扩散涂层力学性能、光学性能的影响。对制备的光学扩散膜扩散涂层力学、光学性能及表观形貌进行表征。测试结果表明:使用合适比例的热/UV混合固化树脂,能够制备出具有耐划伤性能且翘曲度较低的光学扩散膜扩散涂层。

超细铝粉燃烧特性初探

实验和理论分析说明超细铝粉的燃烧特性不同于一般铝粉(D=10～30μm)。其原因是在推进剂燃面铝粉的表面氧化反应产生的热量足以使超细铝粉点火燃烧,所以超细铝粉在推进剂燃面并不发生明显凝聚行为,而是倾向于单颗铝粒点火。因此,合理使用超细铝粉可使某些推进剂性能得到较明显的改善。

HAN基绿色推进剂点火技术研究进展

针对HAN基绿色推进剂普遍存在点火困难的问题,总结了国内外HAN基绿色推进剂点火技术的研究和应用情况。HAN基液体推进剂的点火方式主要包括催化分解点火、电火花点火、无弧点火、电解点火和激光点火。HAN基凝胶推进剂仍采用传统烟火药方式,难以实现点火。HAN基固体推进剂采用电极电解点火方式,在电压的控制下实现了点火、燃烧和熄火可控。分析认为,采用电解方式能够显著提高HAN推进剂的点火效率,是HAN基推进剂点火技术的发展方向。

保护膜用有机硅改性丙烯酸酯乳液压敏胶的研究

以八甲基环四硅氧烷(D4)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(KH-570)、六甲基二硅氧烷(MM)为主要原料,Me4NOH为催化剂和二甲基亚砜(DMSO)为促进剂,通过本体聚合合成了有机硅大分子。用该有机硅大分子和丙烯酸酯进行乳液共聚制得了有机硅改性丙烯酸酯乳液压敏胶,该压敏胶涂在PE膜上制成的保护膜贴在被保护表面能有效地抑制剥离强度的增长。

塑/塑复合用水性复膜胶的研制

在丙烯酸酯单体中加入一种特殊功能单体(HT),通过种子乳液聚合法制备了一种塑/塑复合用水性丙烯酸酯复膜胶(FM-45)。研究了丙烯酸酯复合功能单体配比对FM-45的剥离强度、乳化体系以及应用性能等影响。结果表明:当复合功能单体中m(丙烯酸)∶m(丙烯酸羟丙酯)∶m(HT)=2∶3∶1、w(复合乳化剂)=0.6%(相对于单体总量而言)时,FM-45的综合性能最佳。

低残渣型燃气发生剂热分解添加剂的筛选及应用

通过DSC及DSC-TG联用技术分析了氧化剂AP和添加剂体系及降温剂JW和添加剂体系的热分解。实验结果表明所筛选的添加剂能够促进氧化剂AP和降温剂JW的分解。通过燃速测试，筛选的添加剂加入到低残渣燃气发生剂体系中能够拓宽燃速范围，同时也能降低压强指数。

聚合物微粒对UV固化防眩硬化膜性能影响研究

对光学级聚酯薄膜(PET)进行防眩处理,选用有机类聚甲基丙烯酸甲酯微粒作为防眩微粒,分别研究了微粒粒径大小、粒径分布、微粒含量和涂层厚度等参数对光学薄膜防眩性能的影响。分别使用透光率雾度仪、光泽度仪及光学显微镜等手段对制备的防眩硬化膜的光学性能及表观形貌进行表征。研究结果表明:添加单分散微粒,微粒粒径增大,含量增高,均会导致防眩膜雾度逐渐增加,光泽度逐渐降低,透光率则变化不明显;涂层厚度较小时,防眩膜的雾度较大,光泽度较低,随着涂层厚度的增加,防眩膜光线透过率呈下降趋势,雾度则先降后增,光泽度呈上升趋势。相比较单分散微粒,添加多分散微粒形成的防眩硬涂膜透光率低,雾度偏高,光泽度较低。