GAP/CL-20推进剂在快速热刺激下的自着火特性

为了探究不同温度与压强对GAP/CL-20推进剂安全性能的影响,采用快速压缩机实验平台并结合高速成像以及动态压强采集技术对GAP/CL-20推进剂在快速热刺激下的自着火行为进行分析,并得出其相应的自着火边界。结果表明,GAP/CL-20推进剂样品的燃烧分为热解与着火两个阶段,且整体呈现出逐层燃烧并剥离的特点;样品的右侧面与棱角位置则会由于压缩过程中气体扰动对换热的影响而优先于其他位置着火;随着温度与压强的升高,GAP/CL-20推进剂的着火延迟期与燃烧持续期缩短,压强上升提前;其临界着火温度和燃烧速度均随着压强的升高而降低,但达到一定压强后下降速度将会放缓。

GAP/CL-20固体推进剂的力学性能

采用单向拉伸试验、扫描电镜、动态热机械分析等方法研究了增塑比、固含量及固体组分相对含量等配方因素对GAP/CL-20推进剂力学性能的影响,并对各因素的影响进行了简要分析。研究结果表明,增塑比提高,伸长率提高、抗拉强度降低,损耗因子增大、玻璃化温度降低,推进剂结构更加致密紧实;固含量提高,推进剂伸长率降低、抗拉强度提高,损耗因子和玻璃化温度均提高;固体组分中有利于提高伸长率和抗拉强度的顺序为Al粉、CL-20、AP。分析认为,颗粒粒度是固体组分相对含量影响推进剂力学性能的主要原因。

CL-20粒度对GAP/AP/Al高能推进剂燃烧性能的影响

为了研究CL-20粒度对含Al高能固体推进剂燃烧性能的影响,通过捏合浇铸工艺制备了含不同粒度CL-20(14μm、115μm)的GAP/AP/Al高能推进剂,采用靶线法测定了推进剂在不同压强下的燃速,并计算了压强指数;利用微型高温热电偶测温技术、燃烧火焰单幅照相技术研究了CL-20粒度对该推进剂燃烧性能影响的机理。结果表明,7~18MPa下含粗粒度(115μm)CL-20的GAP/AP/Al推进剂的燃速比含细粒度(14μm)CL-20的推进剂高7%~37%;2~10MPa下前者压强指数为0.52,后者为0.46;粗粒度CL-20较细粒度提前进行部分分解,分解产物除催化自身分解反应外,还促进了AP的分解,从而提高了相应推进剂凝聚相反应区的温度攀升速率,并使推进剂的燃速更高。

含CL-20/HMX的GAP高能推进剂老化特性

GAP高能推进剂是固体推进剂的重要发展方向。为掌握该推进剂的老化特性,开展了含CL-20/HMX的GAP高能推进剂高温加速老化试验研究。结果表明,老化过程中推进剂模量显著升高、伸长率快速降低,且密度下降、燃速上升。采用SEM、XRD、凝胶分数、交联密度、HPLC等理化分析方法对推进剂老化特性进行了分析,揭示了CL-20与HMX在硝酸酯中的溶解、重结晶生成CL-20/HMX共晶,是造成GAP高能推进剂该老化特性的主要原因。

温度和拉伸速率对硝酸酯增塑的GAP/CL–20固体推进剂拉伸力学行为的影响

通过单轴拉伸实验获得了聚叠氮缩水甘油醚（GAP）/六硝基六氮杂异伍兹烷（CL–20）推进剂在–40-70℃和0.5-5 000 mm/min的拉伸速率（ν）下的应力–应变曲线。GAP/CL–20推进剂的力学性能呈现明显的温度（t）和拉伸效应,温度和拉伸的“耦合”作用,使推进剂的力学性能发生显著的变化。初始弹性模量和最大拉伸强度σm随t的降低与ν的升高逐渐增加,σm与lnν呈线性关系。与模量和强度相比,最大伸长率εm和断裂伸长率εb的变化规律较为复杂：低温时,推进剂的εm和εb与lnν呈二次方关系,并随t的上升,先上升后下降;高温时,推进剂的εm和εb与lnν呈线性关系,随t的上升显著下降。

GAP/CL-20高能推进剂燃烧性能调节研究

采用水下声发射法测试了聚叠氮缩水甘油醚(GAP)/六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)高能推进剂燃速,使用最小二乘法计算燃速压强指数,开展了GAP/CL-20高能推进剂燃烧性能调节研究。结果表明,减小CL-20粒度、增大AP粒度、使用增塑剂Bu-NENA(丁基硝氧乙基硝胺)部分取代硝酸酯增塑剂等途径,均可降低GAP/CL-20高能推进剂燃速和燃速压强指数;CL-20粒度由31.45μm减小到7.14μm,推进剂7 MPa下,由15.88 mm/s降低至12.07 mm/s,燃速压强指数由0.75下降到0.70;AP粒度由132.17μm增大到337.45μm时,推进剂7 MPa下,速由15.88 mm/s降低至14.97 mm/s,燃速压强指数不变;使用4%增塑剂Bu-NENA,推进剂7 MPa下,速由15.88 mm/s降低至14.08 mm/s,燃速压强指数不变。综合使用334.7μm的AP、7μm的CL-20和4%的Bu-NENA,GAP/CL-20高能推进剂7 MPa下燃速由15.88 mm/s降低至11.09 mm/s,燃速压强指数由0.75降至0.59。

含CL-20的NEPE推进剂的燃烧性能

以CL-20、AP、Al粉和燃烧催化剂逐项添加的方式设计了递进配方[NB(PEG/NG/N-100/C2),NB/CL-20,NB/CL-20/AP,NB/CL-20/AP/Al,NB/CL-20/AP/Al/Ct],研究了含CL-20的NEPE推进剂的燃速特性及CL-20、AP、Al粉和燃烧催化剂对推进剂燃烧性能的影响,并与含RDX的NEPE推进剂的燃烧性能进行了比较。实验结果表明:CL-20取代RDX-NEPE推进剂中的RDX可使推进剂燃速大幅提高,但含CL-20的NEPE推进剂的压力指数高于含RDX的NEPE推进剂,且难以降低;AP质量百分含量为70%的NEPE推进剂NAP的燃速在4～10MPa范围内呈现一平台。将AP加入到含RDX的NEPE推进剂中和含CL-20的NEPE推进剂中能改善推进剂的氧系数,提高燃速,降低压力指数;高燃烧热的Al粉部分取代CL-20,在提高含CL-20的NEPE推进剂的燃速上,具有与CL-20相同的效果;催化剂PbCO3与Pb(NTO)2.H2O降低了含CL-20的NEPE推进剂的压力指数。

CL-20基交联改性双基推进剂的燃烧性能

设计了以CL-20、HMX、RDX及其混合物为氧化剂的XLDB推进剂,研究了其燃烧性能。结果表明,用CL-20替代XLDB推进剂中的HMX、RDX可大幅提高其燃速,压强指数略有提高。5～20MPa的压强指数为0.48。用CL-20替代50%(质量分数)HMX、RDX后,推进剂的燃速变化趋势不同。在低于12MPa时,CL-20/HMX-XLDB推进剂的燃速低于HMX-XLDB推进剂,且在5～20MPa范围内压强指数较高。

含CL-20的改性双基推进剂的热行为及非等温反应动力学(英文)

用DSC和TG方法研究了含六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)的改性双基推进剂在常压(0.1MPa)和高压(4和7MPa)下的热行为和高压下的热分解反应动力学.结果表明,该推进剂常压下DSC曲线有3个放热峰,相应TG曲线有3个失重过程;而高压下DSC曲线只有一个放热峰,高压下放热峰的峰温随加热速率增大而升高.高压下该推进剂放热分解反应机理和反应动力学参数受测试环境压强影响较弱,反应机理是随机成核和随后生长,放热分解反应的动力学方程可以表示为,4MPa时,dα/dt=1014.5(1-α)[-ln(1-α)]1/3e-17981.7/T;7MPa时,dα/dt=1014.7(1-α)·[-ln(1-α)]1/3e-18138.1/T.

含CL-20 NEPE推进剂的力学性能

采用光电子能谱(XPS)和显微红外光谱(M IR)研究了4种键合剂(M APO,22#,HX-752,T 313)与CL-20的相互作用。结果表明,键合剂可以作为CL-20的包覆剂;由于海因和三聚异氰酸酯键合剂(22#)的环状结构以及具有较多的极性基团,对CL-20的包覆性最好。含CL-20的NEPE推进剂力学性能测试结果表明,22#键合剂对提高含CL-20的NEPE推进剂体系的力学性能非常有利,其拉伸强度和断裂延伸率均有较大的提高,分别增加了18.8%和103.4%。

含CL-20的改性双基推进剂燃速数值模拟

借助六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)的热分解特性,确定了CL-20的化学结构参数;通过分析含CL-20的改性双基(CL-20-CMDB)推进剂的燃烧特性,改进了一维气相反应流燃速模型,进而模拟了CL-20-CMDB推进剂的燃速。数值模拟结果显示,理论计算结果与实测值吻合的很好;随CL-20含量增加,可提高非催化CL-20-CMDB推进剂的燃速,但效果并不显著。

含CL-20的NEPE推进剂各组分热分解的相互影响

为深入了解含CL-20的NEPE推进剂的燃烧机理,借助热重-微商热重(TG-DTG)试验研究了含CL-20的NEPE推进剂的热分解特性,探索了主要组分NG、CL-20和AP之间的相互作用。结果表明,该推进剂的热分解过程分为3个阶段:增塑剂(NG)的挥发和分解,PEG和CL-20的分解,AP的分解。CL-20和AP的存在均促进了黏合剂体系中NG与PEG的分解,且CL-20的促进作用强于AP,CL-20的分解产物加速了AP的分解,Al粉在该体系中与其他组分的相互作用较弱。

不同压强下CL-20改性双基推进剂的能量释放规律

采用最小自由能法用REAL计算了不同压强下含CL-20、RDX、Al改性双基推进剂的比冲和燃烧温度,并分析了比冲随压强的变化规律。结果表明,随着压强的增加,推进剂在低压下比冲的提高幅度较大,高压下提高幅度较小。当压强由2.MPa增至4MPa时,含CL-20、CL-20/RDX、CL-20/A1改性双基推进剂比冲增幅大于6%;从18MPa增加到20MPa时,比冲的增值小于1%。与添加RDX相比,添加CL-20或Al后,推进剂在低压区的比冲随压强的增加增幅增大,说明添加CL-20或A1更有利于提高低压下推进剂的能量释放。

含CL-20、DNTF和FOX-12的CM DB推进剂的热分解

用PDSC研究了添加CL-20(或DNTF或FOX-12)的改性双基推进剂的热分解行为。发现PDSC曲线中CL-20、DNTF推进剂有两个放热峰,第一个为双基黏结剂的分解峰,第二个为CL-20或DNTF的分解峰。FOX-12改性双基推进剂只有一个分解峰,表明FOX-12和双基黏结剂(NC、NG等组分)一起分解。

含CL-20固体推进剂研究现状

综述了含CL-20(六硝基六氮杂异伍兹烷)固体推进剂,包括改性双基推进剂、高能低特征信号推进剂、NEPE推进剂以及其他类型固体推进剂的研究现状;主要涉及引入CL-20后固体推进剂的热分解特性、能量特性、燃烧性能、力学性能及安全性能等方面的内容;最后,总结了目前CL-20及含CL-20固体推进剂在实际的工程化应用过程中依然存在的一些尚未解决的难题,并指出了CL-20及含CL-20固体推进剂今后的研究方向及重点。

含CL-20改性双基推进剂的燃烧性能

设计了两组不同含量CL-20或RDX改性双基(CMDB)推进剂配方,研究了CL-20或RDX含量对两组CMDB推进剂燃烧性能的影响。结果表明,在2～20MPa,CL-20改性双基推进剂的燃速高于RDX改性双基推进剂的。CL-20含量越高,CMDB推进剂压强指数变大。现有的铅、铜盐和炭黑催化剂可用于调节含CL-20改性双基推进剂的燃烧性能。

CL-20对Al/HMX-XLDB推进剂燃烧凝聚相产物的影响

采用激光粒度分析仪、扫描电子显微镜/光电子能谱(SEM/EDS)和X-射线衍射仪研究了CL-20取代Al/HMX-XLDB推进剂中HMX对推进剂凝聚相燃烧产物粒径、形貌以及组成的影响.研究表明,CL-20替代推进剂中的HMX可提高推进剂中Al粉的燃烧效率.CL-20完全取代推进剂中HMX时,推进剂燃烧残渣率最低,为0.500%,但HMX/CL-20-XLDB推进剂燃烧残渣率则为1.784%,分析可能与推进剂燃烧凝聚相产物团聚效应有关.随着CL-20的加入,在推进剂燃烧凝聚相产物中出现了κ-Al2O3和δ-Al2O3等Al的亚稳态氧化物.

CL-20含量及其粒度级配对NEPE推进剂燃烧性能的影响

采用静态与水下声发射法测试了CL-20含量及其粒度级配对NEPE推进剂燃速与压强指数的影响;采用DSC与TG-IR联用研究了CL-20对NEPE推进剂热分解行为的影响。结果表明,随着CL-20质量分数由42%增至50%,推进剂燃速与压强指数上升,燃烧效率提高,表明CL-20氧化能力高于GAP/硝酸酯含能黏合剂体系;随着CL-20/HMX、CL-20/Al质量比增高,推进剂燃速上升,燃烧效率上升;CL-20对推进剂燃速和压强指数的贡献高于HMX;随着CL-20/AP质量比增高,CL-20/AP混合体系分解产物氧化能力降低,燃烧反应速率降低,燃速降低;CL-20粒度级配对NEPE推进剂燃烧行为影响显著,当CL-20的粒径(d50)在5~50μm时,随着细粒度CL-20含量增高,推进剂燃速与燃速压强指数下降;当体系中存在超细粒度CL-20(d50=500nm)时,推进剂燃速与燃速压强指数随着超细粒度CL-20含量的增加而有所增加,4种粒度CL-20对NEPE推进剂燃速的贡献顺序为:粗粒度>中粒度>超细粒度>细粒度。

热塑性聚氨酯弹性体包覆CL-20及对NEPE推进剂性能影响

采用热塑性聚氨酯弹性体,通过水-溶液悬浮法将其包覆于六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20),并对包覆后的CL-20分别进行了XPS、SEM、撞击感度和表面能测试;研究了弹性体包覆CL-20对含CL-20的NEPE推进剂常温力学性能、燃烧性能的影响。研究表明,热塑性弹性体能有效包覆CL-20,在大幅度提高含CL-20的NEPE推进剂常温力学性能并改善"脱湿"的同时,改善高能低特征信号配方燃烧性能,σm最大提高了47%,εm最大提高了184%;燃速压强指数n降低了12%.

含CL-20的NEPE推进剂能量水平分析

用电算法对含有 CL- 2 0的 NEPE固体推进剂配方的能量特性进行了对比分析 ,并研究了在一定固含量下 ,配方中不同组分含量对体系能量示性参数的影响。研究结果表明 :1与含 HMX的原基础配方相比 ,CL - 2 0引入和替代对高能固体推进剂 NEPE体系的增能作用具有两重性 :即提高能量密度和改善体系氧平衡条件。 2无论是多铝还是少铝配方 ,CL - 2 0 / Al体系氧平衡值应保持在 0 .5 2以上 ,CL- 2 0与 Al对体系的能量水平提高具有正加和作用。 3在高铝含量的原基础配方中 ,单纯用 CL- 2 0替代 HMX(体系氧平衡值>0 .5 1) ,发动机总冲得以提高。 4在低铝含量的基础配方中 ,用 CL- 2 0替代 HMX和减少那部分铝后 ,不仅使得少铝含量 (Al≤ 8% )推进剂体系的能量水平得以显著提高 。