智能弹药用新型电控固体推进剂的研究进展

针对当前固体火箭发动机无法重复启停、难以实现推力可控等需求,结合固体火箭和液体火箭的优点,国内外研究机构探究了一种具有重复点火与熄火、燃烧速度可调、输出能量可控的电控固体推进剂。系统介绍了新型电控固体推进剂领域的国内外研究现状,首先,总结了国内外各类电控固体推进剂(硝酸铵基、硝酸羟胺基、高氯酸锂基)的发展,以及在微推、炮弹点火器和固体发动机方面的应用情况;其次,概述了配方组分、电压、电流、外界环境温度和压强等因素对电控固体推进剂的燃速、点火延迟时间以及力学性能的影响;然后,分析了电控固体推进剂的启停机理,介绍了硝酸铵羟胺和高氯酸锂基电控固体推进剂的反应机理;最后,对电控固体推进剂的未来发展进行了展望,指出未来仍需重点研究的方向:加强电控固体推进剂制备工艺放大研究;设计新型电敏氧化剂,解决高压下无法可控燃烧的问题;开展大尺寸电控固体发动机试验研究;通过数值模拟进一步揭示电能与推进剂燃烧耦合效应。附参考文献62篇。

HAN基电控固体推进剂电化学性能对燃烧性能的影响

硝酸羟胺(HAN)基电控固体推进剂是一种以HAN为主要氧化剂的新型智能推进剂,通过外加电源控制其燃烧速率与启停。为探索电化学性能与燃烧性能间的关系,在研究推进剂的离子迁移率、过电位的变化规律的基础上,将其与推进剂的点火电压、点火延迟进行关联。研究发现,推进剂在外加低电压(1.6~2.8 V)刺激下,离子迁移率与电压大小正相关,推进剂基体的改良在提高离子迁移率方面的效果大于离子掺杂。在燃烧性能方面,离子迁移率影响点火电压,过电位决定点火延迟;离子迁移率越高,点火时,推进剂的电流密度与反应活性越高;当迁移率由0.09 mm^(2)·s^(-1)·V^(-1)升高至0.16 mm^(2)·s^(-1)·V^(-1)时,点火电压由210 V降至70 V,有利于拓宽电控固体推进剂的应用范围;点火电压一定时,推进剂过电位越小,电分解速率越大,点火延迟越小,当过电位由0.67 V降至0.51 V时,点火延迟由1.68 s降至0.31 s,有利于推进剂满足快速响应的战略需求。

电控固体推进剂的点火、燃烧及熄灭特性研究进展

电控固体推进剂(electrically controlled solid propellant,ECSP)具有多次点火和燃速可控的特性,可广泛应用于从微观到宏观的推进系统。本文总结了国内外以硝酸铵、硝酸羟胺和高氯酸盐为氧化剂的ECSP的研究概况,重点综述了硝酸羟胺基ECSP和高氯酸盐基ECSP点火、燃烧及熄灭特性的研究进展,分析了电压、压强以及金属添加剂对ECSP燃速调节的影响规律,并讨论了电能在ECSP点火和燃烧过程的作用机制。同时为未来深入研究ECSP点火、燃烧及熄灭机理提出参考建议:开展ECSP固相和气相化学反应机理研究,建立点火、燃烧及熄灭模型和反应机理框架;系统研究电极排布和电极构型对ECSP燃烧效率的影响以及ECSP配方与导电性能之间的关系,寻求改善电极和推进剂界面电阻的方法。优选高性能ECSP配方,完善ECSP燃烧反应机理及燃速调节机制,提高ECSP压强阈值,是电控固体火箭发动机设计、应用和性能调控的关键。

电控固体推进剂热分解和燃烧性能研究

针对能实现多次启动和推力可控的固体火箭发动机需求,研究了成型过程快、钝感、电控性能好和贮存稳定的离子盐电控固体推进剂(ECSP)热分解和燃烧性能。采用同步热分析仪(TGDSC)、钨铼微热电偶、单幅照相技术和扫描电镜-能谱仪,研究了ECSP的热分解特性、燃烧波温度分布、熄火表面形貌以及元素分布。结果表明:ECSP的热分解过程中依次发生PVA分解反应、PVA分解产物与LiClO4强烈相互作用,其中小组分添加剂加快了PVA分解;其燃烧区域分为预热区、凝相反应区、气相反应区;电点火到稳态燃烧过程为:通入电流加热推进剂,ECSP开始点火,释放出大量的热和可燃性气体,产生初步火焰;热解产生的气相产物在气相区域进一步燃烧,同时大量熔岩状明亮颗粒在热分解气流作用下从燃面逸出,在气相区域燃烧并发出明亮的光。本文提出了ECSP的燃烧过程,为该类推进剂燃烧物理模型奠定基础。

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。

HAN基电控固体推进剂的热分解和电导率特性

为了揭示硝酸羟胺(HAN)基电控固体推进剂(ECSP)可靠点火和燃烧调控机理,采用热重-差示扫描量热-质谱(TG-DSC-MS)联用技术和阻抗-频率扫描方法分别研究了ECSP的热分解行为、热分解产物以及压力与温度对电导率的影响。结果表明:与纯HAN溶液相比,ECSP的热稳定性提高,初始分解温度提高11℃,高温放热峰峰温后移24℃,热分解历程变长。结合ECSP的热分解行为与产物质谱曲线,发现HAN基ECSP的热分解历程主要分为三步:HAN发生热分解反应;HAN的热分解产物和未分解的HAN与聚乙烯醇(PVA)发生相互作用;ECSP中剩余其他组分发生热分解。ECSP的电导率在低频率范围(0~1000 Hz)内急剧增加,但随着频率的增加,在高频率范围(大于1000 Hz)内趋于恒定。随着压强和温度的增加,ECSP的电导率增加。当温度增加到150℃时,ECSP在高频率范围的电导率与125℃时相比降低2.92%。

HAN基电控固体推进剂电热耦合特性及燃烧特性实验研究

为了探究HAN基电控固体推进剂(ECSP)的电热耦合特性和燃烧性能,通过改变施加电压和环境压力对ECSP进行燃烧性能测试。在ECSP燃烧性能测试装置中采用电压、电流探头记录燃烧过程中通过推进剂的电压和电流,利用高速摄影仪记录推进剂的燃烧过程,借助法拉第电化学分解定律计算推进剂理论电化学分解质量在总燃烧消耗质量中的占比,分析电压和压力对推进剂燃速和质量损失的影响,同时拟合出ECSP燃速(r)与功率(P)和压力(p)的经验公式。结果表明:随着电压和压力的增加,ECSP理论电化学分解质量和实际燃烧质量增加,电解质量占比降低,燃速和质量损失增加。在ECSP的可控燃烧范围内,其燃速与功率和压力满足r=0.0105P0.705p0.251。本文得到了热分解反应在ECSP的燃烧过程中占主导地位是高压力下造成推进剂不可控燃烧的主要原因,为揭示ECSP的燃烧可控机理提供理论基础。

微推进器电控固体推进剂常压点火燃烧效率影响因素研究

采用内外同轴结构的微推进器作为电控固体推进剂工作载体,研究了电极材质、直径、工作电压、配方组分和电点火方式等对电控固体推进剂电点火燃烧效率的影响。结果表明,200 V时,采用钨丝电极有利于提高推进剂燃烧效率,不同钢材质电极对推进剂燃烧效率影响不明显;250 V时,适当增加内电极直径,有利于增大燃烧面积,燃烧效率可提高到40%以上,但高电压容易导致推进剂断电后产生阴燃现象;微推进器尺寸和电点火方式对燃烧效率的影响要大于配方调整的影响,适当减小微推进器外径尺寸,有利于提高推进剂燃烧效率,最高可达80%以上;在总工作时间不变情况下,采用相同尺寸微推进器时,随着每个脉冲工作时间增加,推进剂燃烧效率增加。

电控固体推进剂制备方法及性能研究进展

电控固体推进剂(Electrically Controlled Solid Propellants,ECSPs)具有通电燃烧、断电熄灭,燃速实时可调的特性,在微小型及大型固体火箭发动机领域中都具有良好的应用前景。总结了近年来国内外ECSPs的制备方法,主要为溶胀法、熔融混合法、室温法、冷冻‑解冻法和3D打印法,综述了ECSPs热稳定性、电阻特性、点火及燃烧特性、老化特性及电弧烧蚀与羽流特性等研究进展,指出具有低毒、高比冲、高可控性的硝酸羟胺基电控固体推进剂及具有高熄火压强阈值的高氯酸盐基电控固体推进剂是目前研究重点,提出未来ECSPs的研究方向在于加强和完善ECSPs性能研究、开发ECSPs点火及燃烧性能测试装置和规范测试方法、提高ECSPs燃速特性以及深入研究ECSPs点火及燃烧机理,建立点火和燃烧模型等。

铝粉对高氯酸盐基电控固体推进剂感度的影响

为了探究含Al的高氯酸盐基电控固体推进剂(ECSP)的感度特性,采用浇注工艺制备了金属与非金属系高氯酸基ECSP,并依据国军标方法考察了Al含量(0%,5%,10%,15%,20%)及粒径(0.05,5,25,65,105μm)对高氯酸盐基ECSP的撞击感度、摩擦感度、静电火花感度及火焰感度的影响。结果表明:高氯酸盐基ECSP的撞击感度随Al含量的增加而增大,随Al粒径的增大而减小;金属与非金属系高氯酸盐基ECSP的摩擦感度均较低,Al含量及粒径变化对其摩擦感度有一定的影响,但影响较小;高氯酸盐基ECSP的火焰感度随Al粒径的增加而降低;在10 kV电压下Al含量及粒径的变化均未导致高氯酸盐基ECSP出现明显的发火现象;含纳米级Al高氯酸盐基ECSP的撞击感度(H50=33.9 cm)高于含微米级Al高氯酸盐基ECSP(H50≥56.2 cm)。

通电启动时固体推进剂电流密度仿真分析

电控固体推进剂(ECSP)克服了固体推进剂的固有障碍,能够做到重复启动,但燃烧不均和所需电源功率较大,导致较大尺寸ECSP的功能很难实现,限制了其进一步应用。由于通电启动时ECSP的电阻率变化不明显,可视其为准稳态。分别以电阻特性、电极布置、绝缘层厚度与长度为单一变量,对此时的电流密度分布进行三维模拟,仿真方法的可行性通过实验得到了验证。分析表明,当采用板状电极或同轴电极的通电方式时,减小电极间距将有利于ECSP端面电流密度分布的更加均匀,ECSP的电阻率、绝缘薄膜顶部距ECSP端面的距离等因素也会对ECSP端面的电流密度产生很大影响。据此提出了优化的电极排布形式和绝缘层布置,可为今后的ECSP应用作参考。

国外电控可熄火固体推进剂技术研究进展

详细介绍了一种可多次启动的新型固体推进剂——电控可熄火固体推进剂(ECESP)的发展历程,并对其工作机理进行了全面综述。论述了其在新概念武器和航天推进方面的应用,指出了ECESP的研究方向和研究重点。

电控固体推进技术研究进展

电控固体推进技术通过使用可电控燃烧的新型推进剂来实现发动机重复启动和推力实时可调,推力调节方法简单可靠,在导弹武器和卫星的动力系统领域具有广阔的应用前景。电控固体推进技术主要包括推进剂相关技术和发动机技术,目前电控固体推进剂还不够成熟,各类配方体系需要进一步优化,电控固体发动机虽然已经过原理样机验证,但发动机性能与实际应用的要求仍有较大距离。本文全面梳理了电控固体推进相关技术,总结了该技术领域的最新研究成果,最后展望了电控固体推进技术未来的发展方向,以期为后续的研究提供一定参考。

HAN基ECSP凝胶模型的构建与分子动力学模拟

目的从微观分子的角度对硝酸羟胺(HAN)基电控固体推进剂(Electrically Controlled Solid Propellants,ECSP)的性能参数进行模拟与计算。方法利用分子表面静电势(ESP)对HAN分子2种可能的构型进行优化和稳定性分析。通过真空非周期性分子动力学模拟得到聚乙烯醇(PVA)分子稳定构型,并以HAN基ECSP的主要成分按一定比例构建凝胶模型。基于RESP(Restrained Electrostatic Potential)电荷生成更准确的凝胶模型拓扑文件,并进行凝胶模型的分子动力学模拟、模型稳定分析以及模型参数计算。结果凝胶模型总能量相对平均值的周期性波动不超过7%。由于三维PVA链的包裹,H_(2)O分子的扩散系数被大幅削弱。氢键分析和径向分布函数表明氢键键长主要分布在0.2826 nm附近,PVA与H_(2)O间的氢键较少,H_(2)O与HAN、H_(2)O与H_(2)O之间的氢键较多。模型密度为1.405 g/cm^(3),与实验值吻合度高。在283、293、303 K下,HAN基ECSP凝胶模型的拉伸模量依次降低,剪切模量先增后减。在15 K/600 ps冷却速率下,HAN基ECSP凝胶模型的拉伸模量和剪切模量均增大。结论ECSP制备结束后,冷却过程中的环境温度不宜过高,否则容易造成ECSP力学性能的快速下降,快速冷却可以提高ECSP的力学性能。

基于组合DFT方法的ECSP配比设计策略研究

为提高电控固体推进剂(ECSP)配比设计中能量特性参数计算效率以及解决传统配比设计策略未考虑组分含量同步变化的问题,提出了一种基于revDSD-PBEP86-D3(BJ)泛函的组合密度泛函理论(DFT)方法(co-revDSD),将几何优化、振动分析、单点能计算、单点能外推等步骤组合,并结合非迭代三激发电子相关耦合簇(CCSD(T))方法进行了校正,对比了部分有机物生成焓的实验值和co-revDSD方法的计算值;建立了基于评价指数的配比设计策略,基于co-revDSD方法计算了ECSP组分生成焓,绘制了考虑ECSP不同组分含量同步变化时的能量特性参数云图。结果表明,co-revDSD方法可以高效地计算生成焓,部分有机物的实验值和co-revDSD方法的计算值误差在-5%~5%之间;硝酸羟胺(HAN)的生成焓-250.031 kJ·mol^(-1),聚乙烯醇(PVA)的生成焓与重复单元数成正比,比例系数为-219.117;氧化剂/燃料(O/F)比和Al含量的增大在一定范围内均会造成ECSP的能量特性参数的增大,增大Al含量和O/F比可在比冲合适的条件下尽可能降低燃烧温度及燃气平均相对分子质量。