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%)。

光学舱推进剂补加过程的热分析仿真与试验研究

推进剂补加是确保光学舱在轨长寿命工作的重要功能,补加过程面临的热环境条件比以往任务恶劣,全过程热控制十分必要。针对光学舱推进剂补加过程的复杂传热新问题,建立包含压气机、液冷模块和环路热管等部件的光学舱平台集成热数学模型,进行热分析仿真研究,并开展系统级热试验。对比高温和低温2种补加条件的瞬态热分析和热试验结果,研究传热关系和温度变化规律;针对热试验中垂直热管因重力因素从不运行至运行的瞬态过程,提出一种变热导率仿真方法;提出高温补加优化设计方案并进行在轨预示。结果表明:瞬态仿真结果与试验结果吻合良好,验证了热分析方法和仿真模型的准确性和有效性;在轨补加采用压气机本体预热并启动2套环路热管,压气机的最高温度≤34.1℃,预热总功耗50 Wh,满足指标要求。研究结果对于光学舱停靠空间站期间的推进剂补加流程设计具有一定参考价值。

温度敏感凝胶推进剂中气泡间相互作用机理研究

为了研究凝胶推进剂除气工艺过程中的气泡两相流问题,采用Carreau-Yasuda模型描述凝胶的剪切稀化特性,并进一步引入了温度敏感性本构描述。数值上,运用流体体积方法研究了剪切和温度敏感耦合的凝胶中浮力驱动气泡的运动特性和气泡间的相互作用机理,关注了气泡的初始排列、气泡个数以及凝胶温度的影响。研究结果表明,主导气泡的尾流以及底部的低粘区会吸引尾随气泡并加速尾随气泡的上升;水平排列的气泡间由于强涡量场会存在一定的横向排斥力;温度上升带来的黏度下降会加速气泡的融合和上升,并且增强了气泡间的相互作用。

基于多任务学习的改性双基推进剂的综合性能预测

为满足改性双基推进剂多性能的综合预测需求,本研究提出基于多任务学习的机器学习策略,综合考虑推进剂组分、含量、压强和的粒度对目标性能的影响,首次构建了包含燃速、比冲、特征速度、摩擦感度和撞击感度在内的RDX-CMDB推进剂综合性能预测模型。通过网格寻参模式优化模型,结合十折交叉验证法比较了十种机器学习算法的建模效果。其中,极限梯度提升回归模型预测性能最优,平均R^(2)可达0.9997;在对6个外部样本的测试中,该模型对5个目标性能的预测误差均在5%以内。结果表明,本研究提出的多任务机器学习模型可在试验样本量不足的情况下,实现推进剂的多个目标性能准确预测,对推进剂的综合性能优化和配方设计具有理论指导意义。

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。

长期贮存发动机中HTPB推进剂老化特性及蠕变本构模型

为了研究固体火箭发动机长期贮存期间老化对推进剂力学性能的影响,开展了三种温度(50℃,60℃与70℃)下为期60天的高温加速老化试验。对老化前后HTPB推进剂进行了定速拉伸试验与蠕变试验,并采用扫描电镜观察了其表面细观形貌。引入扩裂元件,结合Arrhenius方程,建立了含老化因子的推进剂蠕变全过程本构模型,利用试验数据拟合了模型参数并验证了其有效性。结果表明:随着老化进程的加剧,推进剂最大伸长率逐渐减小,最大抗拉强度会依次出现下降、波动、上升三个阶段。所建本构模型能较好地表征贮存1.5年后推进剂的蠕变全过程,预测曲线与试验结果曲线最大误差为13.35%。

含能热塑性弹性体推进剂研究进展

含能热塑性弹性体推进剂具有高能量、力学性能优异、可循环利用、可回收等优点,近年来成为固体推进剂发展的重要方向。总结了常见的含能热塑性弹性体的综合性能;论述了含能热塑性弹性体推进剂在高能、高燃速、钝感、低特征信号和富燃料推进剂等领域的研究进展;介绍了压延成型、模压成型、螺压成型和熔铸成型四种含能热塑性弹性体推进剂的制备工艺;综述了含能热塑性弹性体推进剂的重复加工性能和回收利用工艺;指出了目前该类推进剂存在的问题和不足,并对其未来发展方向进行了展望。

炭黑对CMDB推进剂燃烧性能的影响

采用燃烧–靶线法分析了炭黑的种类、含量及粒径对复合改性双基(CMDB)推进剂燃烧性能的影响。结果表明:在压强为1~8MPa时,添加炭黑可以提高推进剂的燃速,Y1炭黑可以有效减小推进剂配方的压强指数;当Y1炭黑在推进剂配方中含量较低时,推进剂样品在压强为3~8MPa时具有平台燃烧特性,小粒径的Y1炭黑有利于推进剂配方压强指数的降低。

HTPB推进剂热力耦合加速老化细观损伤机理分析

为了深入探究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在热力耦合作用下的细观损伤机理,采用了试验表征和理论分析相结合的方法。具体而言,对在不同环境温度(50,70℃和90℃)及不同加载次数下的HTPB推进剂进行了细观层面分析。在50℃下,分别进行了约3000次和10800次加载;在70℃下,分别进行了约1800,3600次和7030次加载;而在90℃下,则进行了约1800次加载。研究发现:在热力耦合加速老化作用下,HTPB推进剂的细观损伤比单一因素老化更为显著。其细观损伤机理主要涉及两方面:一是由于基体热降解,基体自身的承载性能及其与颗粒间的粘接强度均有所下降,进而导致颗粒“脱湿”;二是颗粒的“脱湿”现象反过来进一步加剧了基体的热降解。这种相互作用使得细观损伤更加严重。研究还发现,随着老化温度的增加,细观损伤的程度会加剧,但温度过高将改变老化过程的细观损伤机理。此外,研究指出,在其他条件不变的前提下,合理选择终止加载次数对于判断HTPB推进剂是否发生显著细观损伤至关重要。本研究中,当50℃和70℃下的加载次数比(N/N_(End))分别超过0.281和0.330时,HTPB推进剂会产生显著的细观损伤。

固体推进剂技术的创新与发展规律

固体推进剂技术从无到有,从低级到高级,遵循着自身发展的特殊规律。研究、分析和总结固体推进剂技术发展的规律及创新机制,有利于国内固体推进剂技术的进步,实现跨越式发展。 1.固体推进剂技术创新规律 从发明黑火药到现在的高能固体推进剂,固体推进剂技术已经经历了数百年的发展,但真正使得固体推进剂技术产生翻天覆地变化的仅仅是二战后的数十年的时间，在这期间，新品种固体推进剂不断涌现。

基于双色PLIF的推进剂燃烧场定量测温方法

在燃烧学研究领域中,平面激光诱导荧光(PLIF)可以有效鉴别组分类型,获取火焰中微量组分的二维平面成像以及通过分子振动能级的分布测量温度。本文基于双色PLIF技术搭建PLIF测温实验系统,以推进剂燃烧作为研究对象,采用—OH基中的Q_(2)(11)与P_(1)(7)2条谱线开展双色PLIF技术测温实验,结合采集到的—OH基荧光图像,获取推进剂火焰二维温度场分布。通过火焰二维温度场分布情况与热电偶的测温结果进行对比及误差分析。对比结果表明:双色PLIF测温技术的测温误差为12.2 K,不确定度小于5%。该方法具有非接触、高灵敏度等特性,适用于稳态燃烧场温度测量。

考虑细观损伤的推进剂粘弹性多尺度本构模型研究

为了深入研究固体推进剂细观损伤行为及对其宏观力学性能的影响,在223~333 K温度下对硝酸酯增塑聚醚推进剂(NEPE)推进剂开展了单轴拉伸和应力松弛试验,获得了相应的应力应变曲线及松弛模量主曲线。在有限变形下开发了考虑细观损伤的非线性粘弹性本构模型,该模型通过将微空洞演化与温度、应变率、围压及循环加载损伤等因素关联实现对推进剂力学性能的多尺度分析。通过有限元软件ABAQUS对模型进行了二次开发,并基于试验数据确定了模型参数,之后将模型应用于预测推进剂在不同加载下的力学响应。结果表明,该模型能够准确预测推进剂在宽温(223~333 K)和加载速率(1~200 mm·min^(-1))下的单轴拉伸响应,并且适用于循环加载、围压试验和双轴加载试验,验证了该模型在复杂应力状态下的有效性。该模型所需参数较少且易于嵌入商用软件,可为发动机推装药结构完整性的多尺度分析提供一定的理论指导。

贮箱内浆态低温推进剂沉降特性数值研究

为了揭示浆态低温推进剂在贮存时的颗粒沉积行为规律,解决沉积带来的浆态低温推进剂向火箭发动机输送时的供给问题,研究了贮箱内浆态低温推进剂的沉降特性。基于欧拉-欧拉数值模拟方法,考虑固体颗粒动力学理论建立了低温固液两相流动与相变传热数值模型,研究了浆态低温推进剂(浆氮、浆氧、浆氢)在贮箱内两相流场动力学信息与沉降特性,并讨论了不同低温工质、不同粒径(0.02~0.5 mm)、不同固相体积分数(10%~50%)以及不同漏热率(50~200 W/m^(2))工况对浆体低温推进剂沉积和流场特性的影响。结果表明:固氧颗粒在液氧内沉降较为微弱,但固氮和固氢颗粒明显沉降,实际应用时需考虑防沉降措施;在固相粒径较小、固相初始含量较少、壁面漏热更少的情况下,浆态低温推进剂的沉积量更少;固液密度比较大的浆状流体沉降速率更快,以0.5 mm的粒径为例,浆氮、浆氢相界面的下移速率分别为15.62及12.58 mm/s,而浆氧的相界面下移速率仅为0.12 mm/s;此外,在特定条件下贮箱中存在方向相反的双涡旋。研究结果揭示了浆态低温推进剂在存储过程中的物理规律,可为浆态流体的高效储存和应用提供参考。

硝化棉质量差异分析及其对推进剂制品性能的影响

为了获得D级硝化棉质量差异对其理化性能和推进剂制品性能的影响规律,对4种不同厂家、不同批次硝化棉样品的“八大度”、分子质量、分子质量分布及硝化均匀性等进行了表征及分析,并制备了4种改性双基(CMDB)推进剂样品,比较了各样品力学性能及燃烧性能的差异。结果表明,4种D级硝化棉样品的“八大度”均符合国军标要求,含氮量范围为11.9%~12.1%,GPC测得数均分子质量范围为0.59×10^(5)~0.73×10^(5) g/mol;硝化棉含氮量小幅下降会使其安定性有所提高,但对其推进剂制品的燃烧性能影响较小;含氮量和分子质量接近时,高分子质量组分的存在会提高硝化棉稀溶液的黏度;硝化棉分子质量分布和含氮量分布均匀性降低会造成其推进剂制品-40℃拉伸强度的降低。

PNIMMO与典型固体推进剂组分表界面作用研究

为实现聚3-硝酸酯甲基-3-甲基氧杂环丁烷(PNIMMO)在推进剂配方中的进一步应用,研究了PNIMMO与4种典型固体推进剂组分(RDX、HMX、AP及Al)之间的表界面作用。利用接触角测量仪测定了各组分与不同溶剂的接触角,进而得到了各组分的表面张力,在此基础上计算了PNIMMO与典型固体推进剂组分的界面张力和黏附功,并推测了其作用机理。结果表明:PNIMMO的表面张力较小,易于在推进剂组分表面铺展。PNIMMO与推进剂组分间的界面张力大小顺序为:γ_(SL)(PNIMMO-AP)>γ_(SL)(PNIMMO-Al)>γ_(SL)(PNIMMO-RDX)>γ_(SL)(PNIMMO-HMX)。PNIMMO与推进剂组分间的黏附功大小顺序为:W_(a)(PNIMMO-AP)>W_(a)(PNIMMO-RDX)>W_(a)(PNIMMO-HMX)>W_(a)(PNIMMO-Al)。PNIMMO与HMX粘结作用最强,与Al粘结作用最弱。与传统粘合剂HTPB相比,PNIMMO有利于改善推进剂的力学性能和流变性能。

AlH_(3)含量对固体推进剂药浆流变性能的影响

为解决用AlH_(3)替代Al粉导致的固体推进剂药浆粘度增加、流变性能恶化等问题,采用流变学测试方法研究了AlH_(3)含量对于固体推进剂药浆流变性能的影响,如药浆粘度、动态模量、触变性、温度等。结果表明:推进剂药浆的表观粘度与AlH_(3)的含量存在很强的正相关性;AlH_(3)含量为16%推进剂药浆的剪切速率高于临界剪切速率后出现了“熔体破裂”现象;AlH_(3)的加入可以提高推进剂药浆的储能模量,增强其可逆弹性形变,改善其触变性;AlH_(3)含量越高,剪切速率指数与粘流活化能越小,推进剂药浆粘度对剪切速率和温度的敏感性越低;AlH_(3)含量8%时,药浆粘流活化能随AlH_(3)含量的升高而显著降低,AlH_(3)含量高于8%后,药浆粘流活化能基本不随AlH_(3)的含量而变化。

不同因素对固体推进剂流变性能影响研究进展

针对推进剂药浆的流变性能受多种因素的影响,综述了固体推进剂用增塑剂、含能固体填料、工艺助剂、工艺参数等因素对于推进剂药浆流变性能影响的国内外研究现状,并分析总结了不同因素对固体推进剂药浆流变性能的影响规律及机理,对比了不同固体填料和粒度级配对药浆流变特性的影响。指出适当加入增塑剂可有效改善药浆的流变特性;选择合适的工艺助剂、工艺参数可大大改善药浆流变特性;固体填料表面越接近球形、越规则,粒径分布范围越宽,推进剂药浆黏度越小;对固体颗粒进行表面包覆、添加表面活性剂也有助于药浆流变性能的改善。提出了改善推进剂药浆流变性能的技术途径以及后期推进剂药浆流变性能的重点研究方向,以便更加全面研究药浆流变特性,设计出流变性能更好的固体推进剂药浆。附参考文献94篇。

碳类粒子对固体推进剂束流发散角度影响的实验研究

以石墨烯和碳粉两种碳类粒子作为掺杂剂定向改性固体推进剂,借助高速摄影技术和自搭建的束流发散角度测量系统,对比并分析不同掺杂比例和工作条件对改性推进剂束流发散角度的影响,确定了掺杂粒子的最优掺杂比例和工作条件。结果表明,石墨烯和碳粉的最优掺杂比例均为7%,且石墨烯的束流发散角度更小,生成稳定等离子体流的响应时间更短。同时,石墨烯更适配于小激光能量供给下的工作条件,而碳粉更适配于大激光能量供给下的工作条件。

NEPE推进剂/衬层界面固化反应机理的理论研究

推进剂/衬层界面是固体火箭发动机燃烧室中的关键结构。采用密度泛函理论(DFT)研究了硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂/衬层粘合界面的反应机理,评估了界面结构中不同组分之间的反应途径和过渡态结构,包括聚乙二醇(PEG)、甘油(GO)、三乙醇胺(TEA)、N,N,N′,N′-四(2-羟乙基)乙二胺(THEED)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二氰酸酯(IPDI)和多官能度异氰酸酯(N-100);得到不同组分间反应路径的吉布斯自由能曲线。结果表明,TDI与PEG、GO、TEA和THEED之间的反应竞争性发生在第二步修饰反应,即第二个—NCO基团与端羟基的氢转移反应生成产物——聚氨酯;含羟基化合物中端羟基的增多有利于与2,4-TDI反应,但对2,6-TDI体系影响不大。此外,对比相关基元反应决速步的反应速率常数可知,2,4-TDI体系的反应速率常数大多高于2,6-TDI体系、IPDI体系和N-100体系,基元反应PEG+INT1较易发生,而基团反应N-100/THEED最慢发生。