宽温域宽应变率下丁羟四组元HTPB推进剂单轴压缩力学行为

为研究丁羟四组元端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在宽温域宽应变率下的单轴压缩力学行为,基于万能材料试验机、高速液压伺服试验机、分离式霍普金森压杆,结合可程式恒温恒湿试验机等温控手段,开展了宽温域宽应变率下的推进剂单轴压缩力学性能实验,获取了-40,-25,-10,20,50℃5个温度下10-4~103 s-1应变率的丁羟四组元HTPB推进剂的应力应变曲线,并建立了HTPB推进剂的分段式单轴压缩率温本构关系。结果表明,HTPB推进剂的力学响应存在显著的率温相关性,在任意应变率下其力学响应都呈阶段性变化,即线弹性阶段⁃非线性屈服阶段⁃应变软化阶段或应变硬化阶段;且在高应变率下,非线性屈服行为后的应变软化现象明显弱于低、中应变率。此外,高应变率时,随着温度的降低,应力应变曲线的变化速率逐渐减缓;而低、中应变率却恰恰相反,随着温度的降低,应力应变曲线的变化速率逐渐加快。HTPB推进剂的力学强度随着温度的降低显著增大,温度从50℃降低至-40℃时,HTPB推进剂试件在宽应变率作用下的最大应力从2.2~8.8 MPa增长至约11~22 MPa。同时基于实验数据构建了分段式率温本构关系,发现其在温度较高时拟合效果更好,能够较好地预测HTPB推进剂的力学行为。

丁羟三组元推进剂的增材制造及性能研究

针对传统浇注成型与直写式3D打印对固体推进剂药浆工艺性能要求相冲突的问题,为实现小型药柱的3D打印,采用添加少量定型助剂(YJ)的方法对丁羟三组元推进剂配方进行改性,对改性前后推进剂的工艺性能、力学性能、燃烧性能和能量性能进行对比分析,并探究了YJ对推进剂性能的影响。结果表明,改性后的推进剂药浆具备可控挤出和室温堆积的流变特性;YJ的加入使得推进剂在20、70℃下的最大抗拉强度分别降低0.1和0.15 MPa,断裂伸长率分别增加了12.7%和9.9%,表明YJ对其力学性能影响显著;此外,实验及理论计算表明,YJ对推进剂的燃烧性能和能量性能影响甚微,燃速最大降低0.24 mm/s,能量变化幅度均在1%以内;表明定型助剂(YJ)的加入不仅使药浆满足3D打印要求,而且对原始推进剂的整体性能没有显著负面影响。

降速剂及其作用位点对丁羟四组元推进剂燃烧性能的影响规律

为研究降速剂对丁羟四组元推进剂燃烧性能的影响规律,将典型季铵盐和金刚烷衍生物两种高效降速剂引入核壳结构铝基复合颗粒Al@HMX和AP@Al,使其分别作用于HMX颗粒内部和AP颗粒表面,制备了4种含降速剂的铝基复合颗粒(Al/A@HMX,Al/B@HMX,AP@Al/A和AP@Al/B);采用扫描电子显微镜对样品形貌进行了表征;采用高速红外相机拍摄推进剂燃烧过程的火焰红外照片,并对推进剂的爆热、密度、点火延迟时间和燃速进行了测试。结果表明,加入惰性降速剂会导致推进剂爆热降低,而Al@HMX复合颗粒能部分抵消这一现象,使推进剂爆热值增加了338 J/g;降速剂能够抑制AP和HMX的热分解过程,使达到AlO辐射峰值前维持低强度的“平台段”;而引入Al@HMX后,推进剂的点火延迟时间比基础配方减小49.4%;在10~20 MPa范围内两种降速剂均能有效降低推进剂燃速,在此基础上采用Al@HMX可使含季铵盐丁羟四组元推进剂20 MPa下的燃速降低7.1 mm/s(38.4%),压强指数降至0.25;当降速剂作用于AP表面时,含质量分数1%季铵盐的推进剂在20 MPa下燃速可降低5.0 mm/s(27.3%)。

基于交流阻抗法的复合多层石墨烯丁羟推进剂老化监测研究

为探索一种固体推进剂老化无损监测方法,以复合多层石墨烯丁羟推进剂为实验对象,在60℃的高温环境下进行热加速老化实验。使用了一种新型无源无线式便携固体发动机推进剂老化数据采集系统,利用其阻抗参数采集模块测量丁羟推进剂不同老化时间的交流阻抗实部和阻抗虚部参数,制成交流阻抗谱;通过交流阻抗谱分析丁羟推进剂的交流阻抗参数与老化时间的关系;最后基于该关系,利用BP神经网络算法对热加速老化条件下推进剂的寿命进行了预测。结果表明:最小性能梯度为10^(-6)、最高失败次数为6时,预测结果最佳。

表面处理剂对丁羟推进剂与包覆层粘接性能的影响实验研究

为提高丁羟(HTPB)推进剂药柱包覆效率,同时规避整形导致的燃烧风险,提出采用纱布擦拭推进剂后涂覆表面处理剂的方法,通过实验研究该方法对推进剂表面状态及与包覆层粘接性能的影响,并与整形表面处理方法进行比较。结果表明,相比不处理,推进剂表面擦拭或整形均能提高推进剂与包覆层的粘接剥离强度;使用两种表面处理剂(CLJ-1和CLJ-2)涂覆推进剂表面,均能提高HTPB推进剂的表面能;涂覆CLJ-1时,随着处理剂浓度增加,HTPB推进剂与包覆层的粘接剥离强度逐渐提高,当CLJ-1浓度为30%时,粘接剥离强度较不涂覆处理剂时提高74.7%;随着涂覆处理剂后晾置时间延长,HTPB推进剂与包覆层的粘接剥离强度降低,但晾置24 h时仍较未涂覆处理剂时高49.7%;涂覆CLJ-2时,随着处理剂浓度增加,粘接剥离强度略微增加,随着晾置时间延长,粘接剥离强度显著降低。发动机试车结果表明,采用先擦拭后涂覆CLJ-1的药柱表面处理方法,HTPB推进剂与包覆层界面粘接性能、限燃效果满足要求。

含铝锂合金丁羟推进剂的能量性能研究

依据最小自由能原理,采用固体推进剂能量特性计算程序计算了标准条件下含铝锂(Al-Li)合金丁羟(HTPB)推进剂的能量性能,研究了不同Li含量的Al-Li合金粉对HTPB推进剂比冲、密度、密度比冲及特征速度的影响;并采用爆热、爆热残渣粒度分布以及活性铝含量验证了Al-2.5Li(Li质量含量为2.5%)合金粉对HTPB推进剂能量特性的影响。理论计算结果表明,采用纯Li取代Al粉,HTPB推进剂的标准理论比冲最大可增加58.11 N·s/kg;当以Al-Li合金的形式取代Al粉时,不同Li含量的Al-Li合金对HTPB推进剂配方的能量性能参数影响不同,标准理论比冲以及特征速度呈现增加的趋势,密度以及密度比冲呈现降低的趋势;当以Al-20Li合金替代Al粉时,HTPB推进剂配方的标准理论比冲最大可提高39.10 N·s/kg。爆热试验结果表明,含Al-2.5Li合金粉HTPB推进剂的爆热略高于Al粉配方,燃烧残渣粒度d 43低于对照配方;含Al-2.5Li合金粉HTPB推进剂燃烧残渣活性铝含量低于对照配方。

丁羟胶官能度分布及平均官能度对推进剂力学性能的影响

基于丁羟胶(HTPB)自由基聚合制备机理,对HTPB结构组成的内在原因进行分析,发现聚合过程中的异构化、歧化终止及链转移是导致HTPB复杂组成的主要原因;通过对HTPB官能度及固化物网链结构进行分析,发现HTPB样品中过多单官能度组分是恶化其固化物性能的主要原因;采用凝胶点理论分析了HTPB平均官能度对HTPB/TDI黏合剂凝胶速度的影响,结果表明,丁羟胶平均官能度与凝胶速度呈正相关关系。最后,结合实际装药案例,提出了通过优化黏合剂配方,调控HTPB推进剂工艺及力学性能的思路和方法。

丁羟推进剂的流变性能

通过旋转流变仪测试了两种典型丁羟(HTPB)推进剂(低燃速、中燃速)料浆的黏度、屈服应力、触变性能,利用流变仪与红外光谱仪联用技术获得两种料浆流变性随时间变化及不同固化时间下浆料的红外谱图,用动态热机械分析仪和电子材料试验机测试了固化后药柱的动态和静态力学性能。结果表明,低燃速推进剂和中燃速推进剂在剪切速率1s-1下黏度分别为621.6Pa·s和1061Pa·s,触变性分别为124.4Pa/s和139.2Pa/s,表明低燃速推进剂黏度较小,触变性较小;低燃速和中燃速推进剂凝胶时间分别为13h和19h,说明低燃速推进剂固化反应速度较快;低燃速和中燃速推进剂的α转变峰温分别为26.2℃和-1.3℃,β转变峰温(玻璃化转变温度)分别为-60.9℃和-57.7℃;在20℃下抗拉强度(σm)均为1.01MPa,最大伸长率(εm)分别为58.4%和43.8%;在-40℃下σm分别为2.58MPa和2.63MPa,εm分别为69.7%和48.3%,表明低燃速推进剂力学性能优于中燃速推进剂。

丁羟推进剂药浆可视化浇注试验及缺陷数值模拟

采用可视化真空花板浇注装置对固体发动机进行浇注实验,研究浇注过程中药浆的流动状态及产生气孔的变化规律。利用Carreau模型对浇注过程中出现的不同大小、位置的气孔进行模拟计算,得出不同条件下气孔的变化规律,并将仿真结果与试验进行了对比分析。结果表明,浇注过程中药浆堆积表面不平整,药浆先在发动机底部花板对应区域堆积一定高度后再流向四周,最终在重力作用下逐渐压实、流平;在自由液面附近贴近壳体的位置会出现大量的气孔,气孔的形成位置和形态都具有随机性;通常气孔都会先由不规则形状向近似圆形过渡再逐渐变小,并最终在一定压力作用下经过流平后逐渐消失;近似圆形气孔的存在时间与气孔直径有较大相关性,气孔直径越大,消失所需时间越长;相同大小的气孔在不同位置存在的时间亦有差异,底角位置气孔存在时间相对长,其次为贴近壳体位置,在药浆内部的气孔存在时间最短;对气孔消失过程的数值模拟与实验结果误差在20%以内,验证了Carreau黏度模型求解推进剂药浆中气孔变化过程的可行性。实验中产生的气孔经过药浆流平后最终均消失,固体推进剂完整性良好。

低燃速、低烧蚀丁羟推进剂/衬层黏结试件界面性能研究

采用单向拉伸宏观观察试验,研究了某低燃速丁羟(HTPB)推进剂/衬层界面脱黏的影响因素。结果表明:推进剂配方组分是推进剂界面脱黏的主要影响因素,通过选择合适的HTPB规格、降速剂和固化剂,可显著改善推进剂/衬层黏结试件的界面黏结性能;衬层的预固化时间大于9 h后,试件的界面黏结性能达到最优。

丁羟推进剂的热加速老化力学性能及寿命预估

用单轴拉伸试验和扯离试验测试了不同老化温度(55、65、75和85℃)下热加速老化后丁羟(HTPB)推进剂的力学性能及其粘接试件的扯离强度,用Berthlot方程预估了推进剂及其粘接试件的寿命。结果表明,HTPB推进剂的最大延伸率随老化时间的增加呈现降低趋势;老化温度越高,推进剂的最大延伸率降低幅度越大,85℃贮存30d时最大延伸率降幅为29.81%,而55℃贮存30d时最大延伸率降幅仅为4.34%;粘接试件的扯离强度随着老化时间的增加呈降低趋势,老化时间相同时,扯离强度随老化温度的升高而降低。预估HTPB推进剂和推进剂粘接试件的贮存寿命分别为9.4y和15.9y。

固体推进剂用新型Schiff碱类高效键合剂的合成及性能表征

为提高丁羟四组元推进剂和CL-20/GAP推进剂的力学性能,解决新的推进剂填料基体界面“脱湿”问题,设计合成了新型Schiff碱键合剂;采用傅里叶红外光谱仪、扫描电子显微镜及万能材料拉伸机等对键合剂的键合效果和推进剂的力学性能进行了表征。结果表明,合成的新型Schiff碱键合剂包含键合剂必备官能团且在AP表面存在明显键合,新型Schiff碱键合剂有望取代有毒MAPO,可明显提高丁羟四组元推进剂的力学性能,使丁羟四组元推进剂常温拉伸强度达到0.7 MPa,常温延伸率大于55%,高温延伸率大于50%,低温延伸率大于60%,并可以明显改善丁羟四组元推进剂的工艺性能;在CL-20/GAP推进剂中,新型Schiff碱键合剂可同时提高推进剂的拉伸强度和延伸率。

丁羟推进剂微观结构的统计特性分析

为了表征丁羟推进剂的微观组成,分别用微CT扫描和数值计算两种方法得到了其微观结构。在数学模型中,将固体颗粒模型化为圆形和球形,利用基于分子动力学方法的随机颗粒堆积算法分别建立了丁羟推进剂二维和三维微观结构,并用Monte-Carlo方法计算了各相的两点概率函数。结果表明,建立的数值微观模型具有各态历经性、统计平均性和各向同性的特点,丁羟推进剂微观结构的材料特征长度约为675μm。研究结果可为推进剂在微观尺度上的燃烧和力学分析提供数值模型。

AP/HMX丁羟复合推进剂燃烧转爆轰研究

详细地研究了AP/HMX丁羟复合推进剂的燃烧转爆轰（DDT）过程。分析了推进剂颗粒尺寸和形状，装药的氧平衡和渗透性对DDT的影响；讨论了由冲击波诱起爆轰和由燃烧导致爆轰的特点，并且分析了火箭发动机中实际使用的AP/HMX丁羟复合推进剂装药能否产生DDT的可能性。

湿老化对丁羟推进剂力学性能的影响

为了研究湿老化对丁羟推进剂力学性能的影响,在10、30、50℃以及多种相对湿度条件下进行了丁羟推进剂的湿老化试验,对湿老化后的推进剂试样进行了力学性能测试,研究了温度在湿老化过程中的作用以及相对湿度对湿老化速度和力学性能下降程度的影响。结果表明,随着湿老化时间的增加,推进剂的力学性能逐渐下降;湿老化温度相同时,相对湿度越大相对抗拉强度的下降速度越快,下降程度也越大;相对湿度相近时,温度越高相对抗拉强度的下降速度越快。

丁羟推进剂黏结体系中增塑剂迁移的分子模拟

为克服固体推进剂中增塑剂与黏结体系之间加速老化实验手段的不足,构建了增塑剂和黏结体系的分子模型。利用分子模拟方法在COMPASS力场下分析了增塑剂癸二酸二辛酯(DOS)在由端羟基聚丁二烯(HTPB)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)组成的黏接体系中的相容性和扩散性。用无定形动力学方法计算组分的溶度参数,判断DOS与HTPB、IPDI的相容性。结果表明,DOS与HTPB、IPDI相容性较好。这与由共混方法计算的结合能得到相容性好的结论一致;通过分子动力学方法模拟计算得到增塑剂DOS在黏结体系(HTPB-IPDI)中的扩散系数为1.2×10-7cm2/s。

丁羟推进剂激光点火延迟时间研究

应用 CO2 激光点火器研究了丁羟推进剂中氧含量、燃速等因素及激光点火热通量与点火延迟时间之间的关系。研究结果表明 :随着丁羟推进剂氧含量、燃速以及点火热通量的增加 ,推进剂的点火延迟时间缩短 ;超细铝粉能明显改善丁羟推进剂的激光点火性能 。

高氯酸铵/硝胺丁羟复合推进剂热感度及机械感度研究

测试了高氯酸铵/硝胺丁羟复合推进剂的热感度、摩擦感度和冲击感度。感度的测试结果表明,用硝胺RDX或HMX部分取代AP制成硝胺丁羟复合推进剂后,这种复合推进剂的感度要高于仅含高氯酸铵的推进剂的感度;随着RDX或HMX含量的增加,其感度值随之增大,但增幅逐渐下降。但在高氯酸铵推进剂中加入卡托辛燃速催化剂以后,制成的高燃速推进剂,其摩擦感度明显增大。

丁羟推进剂吸湿特性

以丁羟推进剂为研究对象,进行了10、30、50℃3种温度多种相对湿度条件下的吸湿试验;采取吸湿率、平衡含湿率作为表征参数,研究了丁羟推进剂吸湿的规律。结果表明,吸湿初期吸湿率随吸湿时间增加而增大,推进剂试样的吸湿在一段时间后可达到平衡,平衡含湿率主要取决于环境相对湿度,受温度的影响较小;通过对吸湿试验所得数据的分析,得到了丁羟推进剂吸湿时的温度和相对湿度条件对其扩散系数的影响规律,给出了扩散系数的温湿度修正模型,用该模型表示扩散系数与温度和相对湿度的关系时,最大相对误差仅为7.11%。

含RDX的硝胺丁羟推进剂能量特性研究

采用最小自由能平衡流法对RDX/AP/Al/HTPB推进剂能量特性进行了理论计算。通过BSF165mm和BSF315mm发动机点火试验,研究了RDX含量、燃烧室压强对RDX/AP/Al/HTPB推进剂能量特性的影响规律。根据理论计算和发动机试验结果,对配方进行了优化设计,与某型号760mm全尺寸发动机的实测结果对比,其实测比冲高达2428.1N·s·kg-1(pc=6.86MPa),验证了RDX的加入对RDX/AP/Al/HTPB推进剂比冲有较突出贡献。