基于内聚力法则的高能硝酸酯增塑聚醚推进剂开裂过程细观模型

为从细观角度研究高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的破坏机理,采用分子动力学算法生成细观颗粒填充模型,利用Python脚本语言在颗粒与基体界面及基体内部嵌入零厚度粘结单元。针对NEPE推进剂延展性失效特点,基于多项式内聚力法则建立一种多项式-梯形内聚力法则,并进行子程序VUMAT开发。对比考虑颗粒与基体界面脱湿及基体失效的数值模拟结果发现,NEPE推进剂颗粒与基体界面脱湿引起基体内部形成孔洞,孔洞周围形成的高应力区是导致推进剂开裂的关键。实验验证得知,多项式-梯形内聚力法则较双线性内聚力法则和多项式内聚力法则能更准确地描述推进剂的失效过程。

PB类助剂对硝酸酯增塑聚醚推进剂性能的影响

为改善硝酸酯增塑聚醚推进剂药浆的工艺性能 ,考察了自制PB类功能助剂对该推进剂工艺和力学等性能的影响。结果表明 :PB类助剂可降低药浆的粘度与屈服值 ,延长适用期 ;同时具有键合功效 ,可保持推进剂良好的力学性能 ,具有多功能作用 ,是该类推进剂较好的功能助剂。

硝酸酯增塑聚醚推进剂中PB类助剂的作用机理

为了解PB类功能助剂的作用机理 ,进行了接触角测试 ,XPS ,SEM和DMA试验。结果认为 :通过降低功能助剂自身极性 ,使之与HMX的表面性能相匹配 ,改善了HMX在粘合剂中的润湿性 ,从而改善药浆工艺性能 ;同时 ,保持对HMX有强的亲合力 ,吸附在HMX表面形成界面层 ,使推进剂保持良好的力学性能。最后提出了PB类助剂的作用机理。

NEPE推进剂中硝酸酯扩散的分子动力学模拟及实验研究

针对硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂中硝酸酯迁移扩散影响装药服役寿命的问题,采用分子动力学模拟与液相色谱实验相结合,开展硝酸酯(NG/BTTN)在NEPE推进剂中扩散机理及扩散系数的理论计算研究,并探讨了温度对NG和BTTN在NEPE推进剂中扩散行为的影响。结果表明,NG/PEG体系中NG分子的空间位置对初始位置的偏离程度相比于BTTN/PEG体系中BTTN分子较大,且BTTN分子在两个温度条件下的扩散系数均小于NG分子;实验计算的NG和BTTN在55℃和65℃下扩散系数的数量级与分子动力学模拟计算结果相同,通过模拟计算得到两种温度下NG分子在共混体系中的扩散系数分别为3.42×10-13 m2/s(65℃)和4.81×10-14 m2/s(55℃),BTTN分子在共混体系中的扩散系数分别为2.93×10-13 m2/s(65℃)和4.25×10-14 m2/s(55℃);随温度升高,硝酸酯分子的扩散系数增大,即迁移性增大,这与分子动力学模拟结果一致。

PEG/N-100中增塑剂扩散性能的微观与介观模拟

为探究含能钝感增塑剂三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)在硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂黏合剂中的扩散性能,采用分子模拟(MD)法比较了硝化甘油(NG)、1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)及TMETN在聚乙二醇/固化剂(PEG/N-100)中的扩散系数、分析了扩散机理,并讨论了温度及增塑比对TMETN扩散性能的影响。结果表明:增塑剂扩散系数的大小顺序为NG>BTTN>TMETN,这说明TMETN的扩散能力较弱;从微观角度分析扩散的机理为:增塑剂与预聚体的分子间相互作用越强、体系的自由体积分数越小、增塑剂分子的尺寸越大,则增塑剂越难发生扩散;在三种增塑体系中,TMETN与PEG/N-100的结合能力最强、原子间氢键作用最强、该体系中PEG/N-100的自聚集能力最弱,且TMETN分子尺寸最大,故而TMETN最难发生扩散;随着温度升高,TMETN扩散系数的增加先缓慢后剧烈,这与高温加速老化的规律保持一致,分析温度对扩散机理的影响为:高温使原子间氢键作用峰值减小、位置后移,即增塑剂与黏合剂的相互作用减弱,并且体系的自由体积分数也变大;随着增塑比的增加(2.5、2.8、3),TMETN扩散系数减小,介观研究表明体系的相容性变好是其中的原因之一。

固体发动机药柱低温点火开裂失效的跨尺度分析

为了准确预测推进剂装药在低温点火过程中是否发生开裂,提出了一种全局⁃局部单向收缩耦合的跨尺度分析方法。针对高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂,开展低温中应变率单轴拉伸试验,获取了推进剂的典型失效模式。结果表明,基于发展的推进剂非线性粘弹性本构模型,实现了固体发动机药柱低温点火的宏观结构分析,获取了推进剂药柱结构危险点的位置;同时建立了考虑颗粒与基体界面脱湿和颗粒断裂的细观颗粒填充模型,进一步将宏观结构分析结果作用于相应的细观代表性体积单元(RVE)上。最后,建立推进剂细观失效准则,表明在低温点火条件下药柱结构完整性满足要求。收缩跨尺度分析方法可作为预测药柱在低温点火过程中开裂行为的有效手段。

NEPE推进剂固化降温过程残余应力应变分析

为研究硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂药柱固化与降温过程中残余应力/应变的形成机制,基于ABAQUS有限元软件对推进剂在固化与降温过程中的温度场、固化度场和应力/应变场进行数值分析。结果表明,NEPE推进剂药柱在50℃高温固化过程中,药柱内部存在温度梯度与固化速率梯度,药柱截面中心位置温度与固化速率较高,但在固化完成时内部固化度趋于一致,药柱内部的温差不会影响药柱最终的残余应力和残余应变;NEPE推进剂药柱在固化与降温2个阶段中,总残余应力/应变基本符合应力/应变叠加原理,药柱的残余应力/应变主要由固化收缩应力/应变与降温过程产生热应力/应变构成,总残余应力在这两阶段占比分别约为20%与80%,总残余应变占比分别约为30%与70%;本方法获得的残余应力/应变与传统采用温度折算方法计算结果分布趋势基本一致,但计算结果整体偏小。

NEPE推进剂固化交联的流变学研究

采用动态流变学方法研究了硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的固化历程.结果表明,推进剂固化初期(黏流态)的储能模量(G′)和损耗模量(G″)随时间增加缓慢增大,G′<G″;固化中期推进剂药浆形成凝胶,G′和G″显著提高,且G′逐渐接近并超过G″;固化末期(黏弹态)的G′和G″随时间增大而趋于稳定,G′(～106Pa)明显大于G″(～105Pa).温度升高推进剂的凝胶时间(tgel)缩短,但推进剂在凝胶点和固化结束时的储能模量G′gel(622～781 Pa)和G′∞(831.1×103～868.3×103Pa)的变化不大.推进剂在固化初期(反应控制阶段)符合一级反应动力学关系,推进剂的固化过程符合Hsich动力学模型,由反应速率常数(kc)、凝胶时间(tgel)和特征松弛时间(τ)得到推进剂的表观反应活化能ΔEc,ΔEg和ΔEτ分别为129.6,122.1和120.6 kJ/mol.

铝粉粒度和含量对NEPE推进剂燃烧产物颗粒阻尼的影响

为研究铝粉粒度和含量对NEPE推进剂燃烧产物颗粒阻尼的影响,采用密闭弹燃烧法收集了NEPE推进剂的凝相燃烧产物并开展粒度分析,根据Culick线性颗粒阻尼理论计算了燃烧产物对声不稳定燃烧的颗粒阻尼。结果表明,铝粉的粒度和含量均显著影响NEPE推进剂燃烧产物对声不稳定燃烧的颗粒阻尼,主要是由于铝粉粒度和含量影响了凝相燃烧产物的粒度分布。对一定频率声不稳定燃烧,凝相燃烧产物中粒径处于[1/2D_(opt),2D_(opt)](D_(opt)为最佳颗粒粒径)区间的颗粒质量分数越高,燃烧产物的颗粒阻尼效率系数越大,产生的颗粒阻尼越大。燃烧产物中凝相燃烧产物的质量分数是决定颗粒阻尼大小的因素之一,与推进剂中铝粉含量呈正相关。

ADN/GUDN双氧化剂对NEPE固体推进剂燃烧性能的影响（英文）

设计并制备了含N?脒基脲二硝酰胺盐(GUDN)和二硝酰胺铵(ADN)的硝酸酯增塑聚醚(NEPE)固体推进剂样品,测试了推进剂的燃烧性能(燃速和压强指数)、燃烧火焰结构和燃烧波温度分布,并与不含GUDN和ADN的推进剂性能进行对比。结果表明,GUDN/ADN双氧化剂对NEPE推进剂的燃烧性能有明显的影响,推进剂配方中添加ADN可提高推进剂的燃速和压强指数,含15%、20%和22.5%的ADN替换高氯酸铵(AP)可使推进剂在7.0MPa下的燃速提高25.30%、36.76%和47.69%,GUDN使推进剂在7.0 MPa下的燃速降低18.97%,而压强指数在1～15 MPa提高12.04%,而且在不同压力下含双氧化剂的NEPE推进剂的燃烧火焰结构呈多火焰结构,而且火焰的亮度随着压强的增大而变亮。

三种典型固体推进剂排气羽流特性参数的模拟计算

为研究典型固体推进剂装药的排气羽流特性,采用能量计算星程序和ANSYS-Fluent软件对双基(DB)推进剂、复合改性双基(CMDB)推进剂及硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂燃烧及排气羽流场进行了模型构建和求解,获得了羽流温度和羽流流速等特性参数,采用红外热像仪和TDLAS流速测试系统对其进行了实验验证,并将模拟结果与实验结果进行对比。结果表明,流场计算获得3种推进剂的羽流流速分别为1 002.38、1 279.01、1 243.16m/s。实验中应考虑推进剂羽流流场的非均匀性及实际测试状态与数值模型的一致性;流场计算获得的羽流温度与红外热像仪测试结果定性一致,应改进实验方案获得羽流的真实辐射率,并考虑数值模型的理想化假设带来的偏差。

复合固体推进剂颗粒填充模型及其统计特性分析

复合固体推进剂属于高填充比颗粒类复合材料,氧化剂和金属颗粒在基体中的随机分布使其在细观尺度具有非均质的特点。从细观尺度研究固体推进剂燃烧及力学性能时,必须考虑颗粒级配、空间分布和种类等因素的影响。采用分子动力学方法,以硝酸酯增塑聚醚高能复合固体推进剂为研究对象,将固体颗粒模型化为球形,生成其在基体内随机分布的颗粒填充模型。利用Monte-Carlo算法模拟计算颗粒填充模型细观结构的两点概率函数,并研究了颗粒填充体积分数、尺寸与级配等参数对其的影响规律。从统计意义上给出具有各态历经性、统计均匀性和各向同性特点的颗粒填充构型最小周期性代表体元尺寸,可有效减小后续研究的计算量,节约计算成本。所构建的推进剂细观几何构型及对最小周期性代表体元尺寸的计算为后续开展复合固体推进剂细观尺度燃烧、燃面处铝团聚及力学性能数值研究奠定了基础。

NEPE推进剂无损型贮存寿命预估

为了实现对硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂药柱贮存寿命进行预估时的测量无损性,通过对施加10%定压缩应变的NEPE推进剂进行高温热加速老化实验、气体含量监测实验、单向拉伸力学性能实验,基于相关性分析和寿命预估模型,提出了一种以特征气体含量变化为基础数据的无损型寿命预估模型。结果表明,NEPE推进剂贮存老化过程中,CO气体释放量最大,不同温度条件下的释放量均达到1300 mg以上,且其和NO气体均呈现老化初期释放量增长缓慢,后期迅速增加的规律,HCl气体释放量在老化初期和后期增长较快,老化中期增长较慢;老化初期最大抗拉强度σm和最大延伸率ε_(m)小幅增大,老化中期前者小幅震荡,后者逐渐增大,老化后期两者均急剧减小;不同温度条件下CO气体释放量与最大抗拉强度关联度值最大,为0.93~0.95,且两者存在单一相关性;基于传统老化寿命预估模型和改进的老化寿命预估模型,建立了四种NEPE推进剂寿命预估方法,通过相关性系数比较和预估结果分析,得出以CO气体释放量作为预估参数的改进型寿命预估模型的相关性系数最大,寿命预估结果最为有效。