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。

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。

电控固体推进剂的燃烧波结构和焦耳热增强燃烧模型

为了明确电控固体推进剂(ECSP)燃烧性能的影响因素,揭示其燃速可调机理,利用燃烧波测试装置对硝酸羟胺(HAN)基ECSP的火焰结构进行了研究并且划分了燃烧波结构,基于燃烧波结构建立了推进剂的燃烧模型,计算了推进剂燃烧波内各区域的温度分布,根据燃面上的热平衡方程推导出了受加载电压、初始温度和环境压强等共同影响的推进剂燃速表达式,同时对该燃烧模型进行了验证与分析。结果表明:电压作用下,HAN基ECSP的燃烧波结构可以划分为预热区、电化学-热化学反应区、暗区、预混反应区和燃烧产物区五个部分,其中预热区、电化学-热化学反应区内的理论温度在变化趋势上和实测温度保持较好的一致性,随着加载电压增加上述两区域的厚度变薄。不同初始温度和环境压强下,燃速测试结果与理论计算结果的平均误差分别为10.9%和9.4%。加入导电石墨和铝粉可以分别从增加推进剂的电导率和能量释放两方面提高燃速,与ECSP燃烧模型预示的燃速变化趋势一致。本文建立了推进剂的焦耳热增强燃烧模型,验证了燃烧模型的准确性。

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。

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。

复合固体推进剂药浆浇铸工艺仿真及优化

为了研究HTPB复合固体推进剂药浆浇铸的最佳工艺参数,采用实验与理论模拟相结合的方法,基于HTPB复合固体推进剂药浆流变性能建立了推进剂药浆流动过程的本构模型;利用有限元软件对HTPB复合推进剂药浆浇铸工艺进行仿真,通过实验验证了仿真结果的可靠性;并对该推进剂药浆浇铸工艺进行了优化,获得了最佳浇铸工艺参数。结果表明,HTPB推进剂是典型的假塑性流体,其黏度随剪切速率增大而降低;实验与仿真对比后的气孔率及浇铸时间误差分别为12.5%和11.25%;其中,温度对浇铸时间的影响最明显,真空度对气孔率影响最明显。

高固含量热固性固体推进剂3D打印技术

3D打印技术相比于传统的固体推进剂浇注成型方法具有更高的制造灵活性和安全性。对于高固含量(质量分数大于85%)的固体推进剂材料,传统挤出打印方式存在挤出不连续、成型质量差等问题,限制了发动机的整体性能。针对上述问题,基于超声减摩辅助挤出原理设计了双超声振子共振挤出高固含量热固性固体推进剂打印头。重点探究了打印过程中打印温度、挤出压力、喷嘴直径等关键工艺参数对于打印推进剂材料孔隙率的影响。在打印温度为70℃、挤出压力为0.6 MPa、喷嘴直径为φ1.7 mm,打印层高间距比为0.8的最优工艺参数条件组合下,可打印制备固含量为88%、孔隙率为3.46%、打印制造误差被控制在0.4%以内的复杂变燃速热固性固体推进剂药柱结构,同时打印样件的拉伸强度较传统浇注样件提升56%,为复杂高固含量固体推进剂药柱结构的制造提供了一个新思路。

硝酸羟胺基固体推进剂电控燃烧特性实验研究

硝酸羟胺基固体推进剂以硝酸羟胺(HAN)为氧化剂,聚乙烯醇(PVA)为粘合剂,具有可电控燃烧、产气无毒害、能量特性好的特点,然而工作性能不稳定、点火机理不明朗的问题是限制其工程实际应用的主要因素之一。针对以上问题,制备了不同成分配比的推进剂,利用扫描电镜能谱仪和电化学工作站对推进剂的微观形貌、元素分布和电导率进行分析,然后对推进剂的点火功率、推进剂温度、火焰结构、熄灭特性进行实验研究并优选了最佳成分配比。实验结果表明,推进剂中PVA的含量越高,PVA分子链交联形成的骨架结构越紧密,造成推进剂的电导率更低,所需的点火功率更高,燃烧过程中推进剂表面温度也会更高,熄灭后推进剂的自分解会更剧烈,不利于推进剂的高效燃烧和重复点火。PVA的最佳质量分数为18%。另外,电化学阻抗是影响推进剂电能注入的重要因素,PVA含量过低会导致电能难以注入,使得推进剂表面无法达到点火温度。

固体推进剂断裂与裂纹扩展研究进展

为了研究固体推进剂的断裂性能和裂纹扩展机理,介绍了固体推进剂断裂及裂纹扩展的理论研究和常见数值仿真方法,指出扩展有限元法(XFEM)和内聚力模型(CZM)是模拟固体推进剂断裂最常见的数值仿真方法;总结了固体推进剂断裂特性的影响因素,对固体推进剂界面脱湿机理试验研究进行了综述。其中,相较于裂纹尺寸和加载速率,温度、老化和围压3种因素可以改变固体推进剂的裂纹扩展机理。最后对固体推进剂断裂的研究方向和发展趋势进行了展望,认为考虑热力耦合影响因素的动态断裂研究、燃烧环境下的断裂性能研究、实现动态加载下全过程的实时细观观测和数值仿真方法的更新是未来固体推进剂断裂与裂纹扩展研究的重点。附参考文献73篇。

固体推进剂的流变性能及工艺仿真研究进展

固体推进剂药浆是一种高固含量悬浮液,其流变性能十分复杂。基于此,介绍了用于描述固体推进剂流变性能的非牛顿本构方程,回顾了近年来固体推进剂混合、浇铸、包覆工艺过程仿真的研究进展,列举出目前推进剂工艺仿真研究中存在的问题和不足,提出进一步开展混合工艺过程中固体推进剂流变性能仿真以及固体推进剂全工艺过程仿真的建议,以期为固体推进剂工艺设计及参数优化提供参考。

超级铝热剂在固体推进剂中的应用研究进展

超级铝热剂具有高放热和高活性的特点,其反应速率和能量释放效率均显著高于传统铝热剂,应用于固体推进剂有望改善释能速率、效率、感度等指标,已成为固体推进剂的发展方向。总结了超级铝热剂的制备工艺、特点及其工业化应用潜力;论述了超级铝热剂在固体推进剂中的适用性;综述了超级铝热剂的微结构(燃料/氧化剂界面控制、核壳结构、多层膜结构)和组分(金属氧化物、氟材料、碳纳米材料)对固体推进剂燃烧性能和能量释放的影响。超级铝热剂的添加显著提高了热反应活性和放热量,增强了推进剂的点火及燃烧性能,同时存在工业生产成本高、工艺控制要求复杂、燃烧过程精密控制难度大等问题,展望了未来超级铝热剂在固体推进剂中应用的研究重点和发展方向。

固体推进剂黏弹性参数的确定及细观损伤演化

固体推进剂力学模型参数的准确性对其宏观力学响应预测具有重要的意义,为解耦标定固体推进剂非线性黏弹性模型参数,提出一种基于台阶应力松弛试验的模型参数确定方法。通过台阶应力松弛平衡响应确定固体推进剂弹性部分参数,通过小变形下的应力松弛确定无量纲松弛模量,分析一种固体推进剂力学响应。研究结果表明:固体推进剂在台阶应力松弛及单轴拉伸条件下的力学性能预测结果与试验结果吻合,验证了所提方法的有效性;由于平衡响应包含损伤,采用该方法标定的参数可用于预测含损伤固体推进剂力学响应。在此基础上,提出一种基于推进剂模型参数标定等效黏合剂力学参数的方法,并通过引入基于黏弹性脱湿准则的相界面模型建立代表性体积单元计算模型,实现在宽应变(~100%)范围内推进剂脱湿损伤分析,为推进剂宏观力学性能预测及细观损伤演化分析提供了支撑。

大变形下固体推进剂黏弹性本构参数的识别

在ZWT非线性黏弹性本构模型中添加额外的Maxwell单元,建立了非线性广义Maxwell模型(NLGMM)并进行数值离散化,基于Nelder-Mead单纯形算法,使用端羟基聚醚(HTPE)固体推进剂在不同等位移速率下的拉伸试验数据对本构参数进行优化和验证,分析了使用工程应变速率和真应变速率对真应力计算结果的差别。结果表明:经数值离散和参数优化后,建立的NLGMM可以很好地描述HTPE固体推进剂的力学行为,对真应力的计算结果与试验结果的最大相对误差不超过6%。当HTPE固体推进剂发生的变形量较小(真应变不大于0.1)时,使用工程应变速率计算的真应力与使用真应变速率计算结果之间的相对误差不大于5%,此时可忽略变形导致的非线性效应,使用工程应力-工程应变和工程应变速率进行计算来确定NLGMM材料参数;当HTPE固体推进剂发生较大变形(真应变不小于0.4)时,使用工程应变速率计算的真应力为使用真应变速率计算结果的1.33倍及以上,材料变形导致的非线性效应不可忽略,应使用真应力-真应变和真应变速率进行计算来确定NLGMM的材料参数。

复合固体推进剂细观力学性能模拟研究进展

阐述了近年来国内外复合固体推进剂细观力学性能模拟的研究进展,分别从复合固体推进剂细观模型建立和数值模拟分析2个角度分别研究复合固体推进剂的宏观力学性能。介绍了复合固体推进剂细观模型建立的几种方法以及先进的数值模拟技术,综述了机器学习在复合推进剂细观力学性能研究中的应用,并结合当前研究动态和相关技术的进展,对该领域的未来进行展望。分析认为,在细观模型建立方面,分子动力学实现三维RVE计算模型是难点,重点关注含内部损伤的细观本构模型,克服推进剂小变形的不足;在细观尺度数值模拟计算方面,建议在充分包含的细观组成和计算资源成本之间取得平衡,进一步发展能够兼顾计算效率和准确度的复合固体推进剂细观尺度的模拟计算方法。

单轴拉伸下NEPE固体推进剂细观结构演化行为研究

为了分析硝酸酯增塑聚醚(Nitrate Ester Plasticized Polyether,NEPE)推进剂在单轴准静态拉伸载荷下细观结构演化行为,基于Micro⁃CT对拉伸过程中NEPE推进剂开展了原位观测试验,对NEPE推进剂中高氯酸铵(AP)颗粒和初始缺陷的尺寸、形状等细观结构特征进行了表征,获取了单轴拉伸过程中推进剂细观结构的失效过程,并采用孔隙率对NEPE推进剂细观损伤的变化规律进行了定量分析,基于NEPE推进剂细观尺度上结构的演变规律解释了宏观力学性能变化的原因。结果表明,NEPE推进剂初始缺陷尺寸小、体积占比低,平均值为0.12%。单轴准静态拉伸过程中,NEPE推进剂的细观失效过程主要包括孔洞形核、生长与汇聚3个阶段;AP颗粒的体积分数虽然低,但是由于容易脱湿通常成为细观损伤的起点;当AP发生一定程度脱湿后,奥克托今(HMX)也会出现明显的脱湿,在分析NEPE推进剂细观失效问题时应当考虑HMX脱湿行为的影响。大量细观缺陷的形核与生长是NEPE推进剂宏观力学性能进入非线性段的原因,而细观缺陷的不断汇聚使得宏观应力增加落后于应变增加的现象越来越明显。加载过程中孔隙率呈现出先缓慢增加再急剧增加最后增加趋于平缓的变化趋势,孔隙率的变化规律不仅能够定量地反映NEPE推进剂细观缺陷的演化阶段,与NEPE推进剂宏观力学性能的变化也具有一定的对应关系。

基于知识图谱的固体推进剂质量缺陷根因变量识别方法研究

针对固体推进剂生产过程中机理复杂、工艺参数众多,导致质量缺陷频发的问题,提出了一种基于知识图谱的固体推进剂质量缺陷根因变量识别的方法。首先通过历史数据挖掘对质量缺陷进行预测,并通过SHAP模型对预测结果进行具体解释。再将数据挖掘结果、专家经验与工艺机理进行结构化表示与融合,建立固体推进剂质量缺陷领域的知识图谱。最后将图谱中包含参数信息和结构关系的子图映射到贝叶斯网络中进行参数学习,从而推断出不同特征参数导致推进剂存在质量缺陷的后验概率。最终通过实际生产数据样本进行验证,结果表明:该方法能有效识别生产过程中造成固体推剂质量缺陷的根因变量,准确识别率可达85%。

自然贮存固体发动机推进剂老化特性

针对某自然贮存10 a的固体火箭发动机,在其不同部位的推进剂药柱进行取样,采用化学分析法和感度法测试固体推进剂化学特性,分析其老化性能;利用定速拉伸试验,研究6种不同温度和压力工况下推进剂的力学性能,分析围压和温度对自然贮存推进剂的影响;采用电镜扫描法和能谱分析法研究不同部位推进剂内部组分变化与细观现象,分析其老化特性。结果表明,前封头中部推进剂的溶胀比相对较大,可达35.741%,凝胶百分数和交联密度则相对较低,此处推进剂降解断裂较为严重;撞击感度结果显示,落高为25 cm时,前封头中部发火概率为28%,圆筒段内孔发火概率为12%;摩擦感度结果显示,压力值为1.5 MPa时,前封头中部发火概率为64%,圆筒段内孔发火概率为68%;常温和高温条件下,围压显著提高了推进剂的最大抗拉强度和最大伸长率,其增幅最高分别为140%和44.7%;而低温条件下,围压则降低了推进剂的最大伸长率,下降比例为25%。自然老化期间,推进剂发生化学反应和组分分解扩散,导致基体相和填充相结合处存在一定的微裂缝。

复合固体推进剂界面多尺度数值模拟研究进展

固体推进剂界面作为固体发动机结构中力学性质相对薄弱的部分之一,明确其物化性质、损伤演化模式以及脱湿对推进剂结构完整性的影响是极其重要的研究内容。与实验相比,利用数值模拟能够快速、高效地研究各种界面体系下的不同物化性质,具有较好的应用前景。从微观尺度分子动力学、细观尺度有限元数值仿真与宏观数值模拟角度出发,综述了复合固体推进剂多种界面力学性质的研究进展,探讨了多尺度下复合固体推进剂界面数值模拟对固体推进剂工程设计的推动作用与目前存在的不足,并展望了未来的发展方向。

固体推进剂点火准则研究进展

为了建立通用的固体推进剂点火准则,分别从实验和模拟两个角度总结了近年来国内外固体推进剂的点火准则。实验层面的点火准则包含判定固体推进剂点火的发火/不发火判据、压力判据、温度判据、光谱辐射强度判据、多参数协同点火判据等。对比分析表明,点火准则均受实验条件以及测试设备的限制,且存在温度等关键点火参数测试难度较大、测试参数延迟等缺陷,因此很难进行拓展应用,但多参数协同的点火判据具有更高的准确性和更大的推广可能性。模拟层面则主要是基于固相、气相、异相点火理论建立的温度点火准则、压力点火准则和化学信号点火准则3类。相较于实验点火准则而言,模拟点火准则更符合固体推进剂的点火理论,但需要从实验获得点火温度、动力学数据等关键参数作为模型输入,且不同种类推进剂的点火理论不尽相同,因此该类点火准则仍需进一步研究。此外,对实验、模拟点火准则进行了关联性和通用性讨论。附参考文献49篇。

复合固体推进剂损伤行为的多尺度研究进展

从微观、细观、宏观尺度和跨尺度4个方面,对复合固体推进剂损伤行为的研究进展进行了梳理,重点综述了不同尺度下损伤的观测和表征方法、损伤阈值的确定方法、损伤演化模型的构建方法、损伤数值模拟方法及宏细观跨尺度分析方法,并在此基础上针对当前研究中存在的若干不足,展望了需进一步重点开展研究的方向:拓宽微观尺度上开展复合固体推进剂损伤行为数值模拟时考虑的影响因素的范围,并从多个方面加强与试验研究结论的验证;提高细观尺度上损伤观测试验的能力、损伤演化模型的表征水平和损伤数值模拟的计算精度;提高宏观尺度上损伤识别测试试验的检测精度、损伤阈值确定方法的精确性和损伤演化模型的预测能力;在形成微细宏观单一尺度上复合固体推进剂损伤行为研究的标准规范的基础上,进一步建立推进剂损伤行为跨尺度研究的理论方法体系。