复合推进剂细观力学行为试验及数值仿真研究进展

复合固体推进剂是一种以黏合剂体系为连续相,固体颗粒为分散相的高固体颗粒填充比例的复合含能材料,其宏观尺度力学行为强烈依赖于其细观尺度的三维结构。从推进剂细观力学行为角度综述了复合推进剂细观结构的界面特性和复合推进剂细观结构模型,数值分析了复合推进剂细观损伤演化,通过试验验证了推进剂细观损伤与宏观力学性能的相关性,指出了推进剂宏观性能的微细观结构影响机制,分析了目前标准的现状。为高颗粒填充高能固体推进剂的构效关系及配方设计与创制和复合推进剂标准建设提供重要参考。

纳米CuCr_(2)O_(4)在HTPB复合推进剂中应用的安全性及燃烧机理

为提高纳米CuCr_(2)O_(4)(n-CuCr_(2)O_(4))燃烧效能,阐明其促进HTPB复合推进剂燃烧的机理,研究了n-CuCr_(2)O_(4)分散方法,探讨了n-CuCr_(2)O_(4)对复合推进剂安全性和燃烧性能的影响。结果表明,癸二酸二异辛酯(DOS)可使n-CuCr_(2)O_(4)颗粒充分分散,颗粒粒径为50 nm。将DOS与乙酸乙酯混合作为分散液,n-CuCr_(2)O_(4)/分散液为12/100,超声分散30 min,n-CuCr_(2)O_(4)可以有效分散,使推进剂燃速提高1.5%。在含量均为2.5%时,含n-CuCr_(2)O_(4)推进剂的燃速虽然低于含卡托辛的,但是摩擦感度和撞击感度均降低。与微米CuCr_(2)O_(4)相比,n-CuCr_(2)O_(4)与卡托辛配合使用,使推进剂的摩擦感度由68%降低至52%,扩散火焰燃烧更充分,燃烧波温度分布曲线的斜率较大,4 MPa下为3.54×10^(4)℃/s,而含微米级CuCr_(2)O_(4)推进剂的燃烧波温度分布曲线斜率为2.06×10^(4)℃/s,明显促进了推进剂燃烧,而且随压力增加,这种趋势更加明显。

笼形结构硅倍半氧烷提升聚醚复合推进剂力学和燃烧性能研究

复合推进剂研究者期望寻找能够同时提高复合固体推进剂力学性能、催化燃烧和促进铝燃烧的多功能助剂。笼形硅倍半氧烷(POSS)是一种有机-无机杂化物,本文研究了有机基团为苯基、一硝基苯基、二硝基苯基、氨基苯基的四种POSS以1wt%的含量对端羟基环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚(PET)/高氯酸铵/铝粉复合推进剂性能的影响。结果表明:四种POSS化合物,均能够提高推进剂抗拉强度和伸长率,八氨基苯基硅倍半氧烷(OAPS)效果最优;均可提高PET推进剂在3~18MPa的燃速,显著降低10.5~18MPa区间的燃速压强指数(n);均能够抑制PET推进剂中铝颗粒在燃烧过程中的团聚,明显降低凝聚相燃烧产物的尺寸,八(二硝基苯基)硅倍半氧烷(ODNPS)效果最好。

循环加载下复合推进剂的非线性热粘弹性本构模型

复合推进剂在动态加载下伴随着自热效应,即存在明显的温度升高现象。为了定量描述这种热力耦合特性,基于不可逆热力学理论建立了非线性热粘弹性本构模型和相应的数值算法,编写了基于Abaqus的用户子程序,并通过实验验证了数值算法的正确性。研究结果发现,非线性本构模型成功地描述了复合推进剂在不同加载模式下的非线性力学行为和自热效应,自热效应对复合推进剂的力学行为有着直接影响,与不考虑自热效应相比,循环加载下应力-应变滞回圈的斜率降低显著,表明力学性能已受到自身温度升高的影响。结果表明,考虑自热效应的热力耦合本构模型能更准确地描述复合推进剂的循环力学行为,滞回圈的形状与实验结果更为吻合,斜率误差在10%以内。

激光辐射下AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性数值模拟

为了研究激光辐射对AP/HTPB复合推进剂低压燃烧的作用机理,建立二维三明治稳态燃烧模型进行数值仿真研究。针对激光辐射强度1.4W/mm^(2),压强30~90kPa的工况下推进剂的燃烧进行仿真计算,并与130~160kPa压强下自持燃烧的仿真结果进行差异分析。结果表明,激光助燃工况下,仿真计算所得燃速与实验基本一致,最大误差不超过4.2%。在激光助燃和自持燃烧工况下,组分扩散速度快,气相火焰均为预混结构。激光助燃工况下,激光辐射的能量使得近燃面处的反应比较充分,初扩散反应在气相反应中占主导地位,气相火焰高温区域离燃面近;自持燃烧工况下,AP预混反应和初扩散反应共同主导气相反应过程,气相火焰温度在垂直于燃面方向上增长缓慢且高温区域离燃面远。激光助燃比自持燃烧时的压强指数低,推进剂燃烧对压强的敏感性较弱。

柔性仿生机器鱼的复合推进结构设计

针对目前柔性仿生机器鱼推进结构单一等问题,文章针对性地进行了柔性仿生机器鱼的复合推进结构的设计,主要包括鱼身驱动推进结构、鱼身摆动推进结构、胸鳍扑动结构以及胸鳍浮潜结构,以提高柔性仿生机器鱼的推进效率;以及通过对所设计齿轮的校核,设计一款安全可靠、用于水下监测、环境保护的柔性仿生机器鱼。

低聚硅倍半氧烷在HTPB复合推进剂中的多功能作用

为提升复合固体推进剂的综合性能,将不同质量分数的八苯基硅倍半氧烷(OPS)、八氨基苯基硅倍半氧烷(OAPS)、八硝基苯基硅倍半氧烷(ONPS)和八(二硝基苯基)硅倍半氧烷(ODNPS)等4种有机-无机杂化结构的多面体低聚硅倍半氧烷(POSS)加入端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂中。使用电子万能试验机、热机械分析仪测定推进剂的拉伸力学性能;使用氧弹量热仪测定推进剂在3 MPa氮气下的爆热;利用线扫描摄像燃速测定系统测定了推进剂的燃速—压强关系;采用扫描电镜、激光粒度仪和X射线衍射仪(XRD)对推进剂爆热测试后的凝聚相燃烧产物进行微观形貌、粒度及物相分析;采用同步热分析仪、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等对POSS影响推进剂燃烧的机理进行了分析。结果表明,4种POSS均可增强推进剂的拉伸力学性能,八氨基苯基硅倍半氧烷(OAPS)效果最优;4种POSS均可提高推进剂的燃速,ONPS质量分数为3%时,推进剂燃速及爆热最高;4种POSS均可促进推进剂铝燃烧,明显减小凝聚相燃烧产物的粒径,ODNPS效果最优。分析认为,ONPS和ODNPS热解、燃烧产生的纳米尺寸的芳香碳和氧化硅,提高了推进剂燃速,抑制了推进剂铝燃烧团聚。

纳米铝粉和镍粉对复合推进剂燃烧性能的影响

对铝含量较低的AP复合推进剂燃速进行测试,外加2%的n Ni或4/1的n Al/g Al级配均可提高低压下燃速和降低燃速压强指数,改善推进剂的燃烧性能,而采用1/1的n Al/g Al级配则降低推进剂的燃烧性能。通过对推进剂样品的能量特性、火焰结构、燃烧残渣的观测以及热分析(TG和DTA实验),n Al与n Ni在燃烧中有不同于g Al的行为。具有较低的点火阈值和较短的燃烧时间,同时n Al倾向于单颗粒燃烧,有别于g Al的凝聚燃烧行为;n Ni则催化了复合推进剂中主要组分AP的热分解,多种因素共同作用促进了推进剂的燃烧。

含金属氢化物的复合推进剂能量特性

为考察金属氢化物燃料对复合推进剂能量特性的影响,基于丁羟三组元和四组元配方体系,采用最小自由能原理方法,对配方进行了化学平衡性能计算,获得了金属氢化物对标准理论比冲贡献的最优值。采用金属氢化物逐步取代真实复合推进剂配方中的铝粉,并对能量特性参数和推进剂密度进行了分析,为高能复合推进剂研制提供参考。

纳米铝粉在复合推进剂中的应用

考察了不同类型纳米铝粉的能量性能及热氧化特性。结果表明,纳米铝粉的活性铝含量低于普通铝粉,随活性铝含量的降低,纳米铝粉的燃烧热值降低;纳米铝粉呈现出与普通铝粉截然不同的热氧化特性。同时,研究了纳米铝粉对复合推进剂的燃烧性能与能量性能的影响,结果表明,纳米铝粉可提高推进剂的燃速和降低压强指数,有利于改善推进剂的燃烧性能,但纳米铝粉的低活性铝含量导致推进剂的爆热值降低。

复合推进剂中铝燃烧实验研究

采用长焦显微镜头和高速相机组合的光学拍摄方法,研究了不同压强下含铝复合推进剂中铝粒子在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧过程。分别在1MPa,3MPa和5MPa充满氮气的燃烧实验器中进行了实验。在3MPa和5MPa实验中,通过在镜头前增加不同透射率的中性密度滤波片解决了因铝滴燃烧发光过强导致相机成像过度曝光的问题。通过测定拍摄过程中相邻两张图片中同一粒径铝滴在不同位置,计算了不同粒径铝滴的随流运动速率。小粒径随流运动速率快,大粒径随流运动速率慢。实验中还得到了不同粒径铝滴在推进剂燃烧表面的团聚形成时间。1MPa实验下,200μm和150μm粒子的团聚时间分别约为8ms和6ms;3MPa下,300μm和200μm粒子的团聚时间分别约为5ms和3ms;5MPa下,300μm和150μm粒子的团聚时间分别约小于3ms和1ms。随着压强的增大,同一粒径团聚物的团聚时间缩短。在同一压强条件下,粒径越小的铝团聚物其所需团聚时间越短。

复合推进剂中铝粉粒度对分布燃烧响应和粒子阻尼特性影响

针对不同初始铝粉粒度的含铝复合推进剂,对其燃烧产物粒子阻尼特性和铝粒子分布燃烧响应特性进行了试验研究。试验结果表明:粒子阻尼的大小取决于流场中的凝相燃烧产物粒径分布和振荡频率,与推进剂中铝粉初始粒度基本无关;粒子阻尼预估方面,采用单一粒径预估的阻尼值与实际测量的阻尼值相比,仍存在一定的误差(>10%),需要进一步改进;分布燃烧响应方面,在同一振荡频率范围内,分布燃烧响应特性与复合推进剂中初始铝粉粒度有关,即初始铝粉粒度越大,在燃烧过程中产生的分布燃烧增益越大,这对于发动机燃烧的稳定性是十分不利的。

含不同氧化剂的复合推进剂能量及特征信号研究

为研究含能氧化剂环三亚甲基三硝胺(RDX)、六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)、二硝酰胺铵(ADN)、硝仿肼(HNF)逐步取代高氯酸铵(AP)后复合推进剂的能量特性和特征信号性能,采用最小自由能原理对配方进行了化学平衡性能计算。结果表明:四种高能氧化剂逐步取代AP都达到了增加标准理论比冲和降低二次烟的目的,标准理论比冲增加率的峰值分别为0.85%,1.1%,3.37%及5.1%,ADN对降低特征信号二次燃烧火焰效果最好。ADN和HNF逐步取代Al后,标准理论比冲、一次烟及二次燃烧火焰都呈下降趋势,二次烟呈上涨趋势。

复合推进剂中铝的燃烧实验研究方法

为研究AP/Al/HTPB复合推进剂中铝粒子在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧过程,采用了长焦显微镜头、单反相机和高速相机组合的光学拍摄方法。通过常温常压实验拍摄,获得了铝在燃面处脱离及随流运动中铝液滴燃烧的宏观过程图像。在0.3 MPa密闭实验器中,使用长焦显微镜头和高速相机对单个铝滴进行了拍摄,通过标定计算得到了其直径和随流运动速率,确定了该方法是可行的,为下一步开展高压实验研究提供了手段。

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。

基于Mori-Tanaka有限元法的粘弹复合推进剂非线性界面脱粘

为了研究复合推进剂基体的大应变粘弹性和界面的非线性脱粘,将Mori-Tanaka法和有限元数值求解相结合,提出了一种Mori-Tanaka有限元法。同时,为验证该方法的有效性,针对推进剂夹杂随机填充的特点,提出了一种含非线性界面脱粘的数值仿真法。最后以某推进剂配方为算例,对两种方法的计算结果了进行比较。结果表明,两种方法结果接近,从而验证了Mori-Tanaka有限元法的有效性,且该方法计算量小,极大的提高了计算效率。两种方法的提出,可以有效的用来分析界面对推进剂力学性能的影响。

废弃复合推进剂组分回收与资源化利用

废弃复合推进剂是一种具有特殊性质的危险品,必须安全妥善处理,以焚烧为主的传统处理方法难以满足保护环境和能源利用的要求,各国对废弃复合推进剂的处理与回收利用进行了多方面的研究。从复合推进剂中有效成分的回收和资源化利用两个方面介绍了废弃复合推进剂的处理利用情况,其中有效成分的回收主要是高氯酸铵和铝粉,资源化利用主要是通过把废弃复合推进剂作为辅助燃料或作为民用炸药的组分,也可制成其它火工品等。有效成分的回收和资源化利用具有安全、环保、工艺简单等优点。

氧化亚氮基单元复合推进剂技术研究述评

氧化亚氮基单元复合推进剂具有无毒、高比冲、使用系统简单等诸多优异性能,有望替代传统肼类推进剂用于多种航天器。本文综述了国内外在氧化亚氮基单元复合推进剂的配方体系、发动机设计、燃烧过程及安全性等方面的研究进展,结合我国液体推进剂实际现状,提出了开展氧化亚氮基单元复合推进剂的研究思路。

含铝复合推进剂燃烧场凝相微粒分布实验研究

应用激光全息光学诊断方法对含铝复合推进剂的燃烧场凝相微粒分布进行了测量。实验结果得出了复合推进剂燃烧场凝相微粒分布曲线和图像 。

SEM与数字图像法分析复合推进剂细观破坏

对复合固体推进剂拉伸变形破坏过程进行了原位扫描电镜观察,采用数字图像相关方法分析了不同变形阶段电镜图片,得到了推进剂细观表面变形场,探讨其在拉伸过程中的细观破坏机理。研究结果表明,数字图像相关方法与扫描电镜相结合为复合固体推进剂在细观尺度下的测量与破坏机理分析提供了新的途径,也为推进剂细观数值模拟提供了实验依据。