HTPB复合固体推进剂老化研究进展

综述了HTPB推进剂在老化试验和表征方法、老化机理、模型构建和寿命预测方面的国内外研究现状,通过对国内外的HTPB推进剂研究历程进行对比,分析了与国外研究整体趋势的差异。从检索文献来看,与国外研究进展相比,国内研究整体上具有起步晚、发展快的特点。在此基础上,展望了今后的研究方向,包括多因素耦合的老化机理探究、老化快速评价、先进监测手段、寿命预测模型优化以及防老化等方面,以期为HTPB推进剂的老化研究提供更多参考。

HTPB复合固体推进剂本构方程

本文将Schapery非线性粘弹本构模型和Perzyna非线性粘塑本构模型组合建立HTPB复合固体推进剂非线性粘弹塑性本构方程。根据方程特点利用蠕变/恢复实验和Levenberg-Marquar优化原理确定模型的材料参数,并用单轴拉伸试验验证了该方程。

HTPB复合固体推进剂的声发射特性及损伤模型的试验和理论研究

通过声发射 (Acoustic Emission简称 AE)试验监测单轴定速拉伸试验试样的动态损伤破坏过程 ,阐述了 HTPB复合固体推进剂材料的声发射特性 ,提出了具有明确物理意义的损伤变量定义 ,并给出了描述复合固体推进剂材料损伤发展的数学模型。

国产HTPB复合固体推进剂Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂性能实验研究

采用WDN-10KN材料实验机对含Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的HTPB复合固体推进剂进行了拉伸速率为2mm.min-1的单轴拉伸试验,用摄像机记录了推进剂裂纹扩展至断裂的整个过程。得到了六种不同裂纹倾斜角下的力-变形曲线及裂纹扩展开裂角和断裂载荷。与T断裂准则、S断裂准则和σθ断裂准则进行比较,结果表明推进剂裂纹扩展开裂角与T断裂准则的数值计算结果较为接近,说明可以借助于T断裂准则对推进剂裂纹扩展的初始开裂角进行初步的理论预测。

HTPB复合固体推进剂率相关损伤机理分析与验证

固体发动机在点火过程中常由于结构完整性问题而出现爆炸或性能曲线异常等问题,结合发动机在点火状态下推进剂的受载情况,亟待探索固体推进剂的率相关损伤机理。本文从HTPB复合固体推进剂在宽温和宽应变率下单向定速拉伸试验的力学响应特征入手,针对应力-应变曲线呈现的“双峰”、“脱湿”点前后移位等现象阐释了推进剂的率相关界面损伤特性,基于建立的推进剂细观有限元模型对推进剂的率相关损伤过程进行了仿真计算,通过提取有限元分析结果的损伤界面分析了推进剂的界面损伤机理,通过高速摄像试验的结果对损伤机理进行了验证。结果表明,推进剂的界面损伤过程具有很强的率相关性,“双峰”和“脱湿”点前后移位均与推进剂在不同应变率下拉伸时内部的损伤演化过程有关。通过对比推进剂在不同应变率下拉伸时断裂前的形貌,高应变率下AP颗粒析出数量较多,在一定程度上印证了本研究对推进剂损伤机理的阐释。

HTPB复合固体推进剂含损伤和老化本构研究

通过热氧老化实验、声发射损伤检测实验和蠕变柔量测试实验确定HTPB复合固体推进剂非线性本构 关系,并与Schapery非线性本构方程进行比较。结果表明,含损伤老化模型较好地解释了HTPB复合固体推进剂的 非线性特性,可以应用分析HTPB复合固体推进剂的力学特性。

镁基储氢材料对AP/Al/HTPB复合固体推进剂性能的影响

用差示扫描量热仪(DSC)研究了镁基储氢材料(Mg2NiH4,Mg2Cu-H和MgH2)对高氯酸铵(AP)及AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解性能的影响。结果表明,含量5%的镁基储氢材料对AP热分解过程具有明显的催化促进作用。含量1.3%的镁基储氢材料可以降低AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解过程的热分解温度,使分解热明显增加,表现出显著的增强促进作用。燃速测定结果表明,在8MPa下,含量1.3%的Mg2NiH4,Mg2Cu-H和MgH2可以分别使AP/Al/HTPB复合固体推进剂的燃速提高3.5%、14.4%和13.9%。镁基储氢材料对AP和AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解的作用效果与其含氢量有关,MgH2的含氢量大,作用效果好。镁基储氢材料主要通过催化AP/Al/HTPB复合固体推进剂中AP的热分解,表现出对AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解具有较好的催化效果。

HTPB复合固体推进剂老化损伤的CT研究

针对 HTPB复合固体推进剂老化存在的材料性能劣化问题 ,采用了计算机层析识别技术研究 HTPB复合固体推进剂材料老化损伤 ,通过 HTPB复合固体推进剂损伤的数学模型 ,定量描述了材料的老化问题 ,并将其代入推进剂粘弹本构方程 ,结果表明 。

HTPB复合固体推进剂材料声发射的特性

阐述了声发射(AE)原理及应用,指出AE技术适用于研究HTPB复合固体推进剂动态损伤过程。在声发射实验结果分析的基础上,得出了HTPB(丁羟基聚丁二烯)复合固体推进剂材料声发射(AE)特性。

含纳米金属粉AP/HTPB复合固体推进剂的激光点火特性

采用CO2激光（波长10．6μm）点火法，研究了微米A1粉、纳米A1粉、纳米Ti粉及含金属粉的AP／HTPB复合同体推进剂在不同激光功率密度条件下的点火特性，探讨了Al粉粒径对其点火性能的影响和金属粉对AP／HTPB复合固体推进剂点火的影响规律。结果表明，在激光功率密度为77．6—365．1W·cm。条件下，AI粉的点火延迟时间随着激光功率密度增加逐渐减小；Al粉粒径越小，其点火延迟时间越短（ tJal-50〈tN-Al 〈tjal-t50 〈tjal-200〈 t5μm ，点火能量越小Ejal-50 〈EN-Al〈Ejal-50〈Eja-200 〈E5μm ）。相同激光功率密度条件下，150nmTi粉的点火延迟时间和点火能量明显要小于150nmAI粉，且两者的点火过程差异较大。含金属粉的AP／HTPB复合固体推进剂点火延迟时间顺序为tRx-0〉fHT-5A〉fHT-1A〉fHT-4A〉fHT-3T，点火能量顺序为ERx-0〉EHT-5。〉EHT-1A〉EGT-4A〉EHT-3T，与相应金属粉的点火延迟时间顺序一致（t5μm〉tJal-200〉fN-Al〉TJal-50〉TTi-150），且点火均首先发生在样品表面。

卡托辛和亚铬酸铜对HTPB复合固体推进剂燃烧性能的影响

设计了以卡托辛和亚铬酸铜为燃速催化剂的HTPB/AP/Al复合固体推进剂,研究两种催化剂以及两种催化剂复配对推进剂燃烧性能的影响,同时调节AP粒度级配研究其对推进剂燃烧性能的影响。结果表明,卡托辛在3~22 MPa的宽压力平台下可以提高燃速,高压段增幅最大为28.7%,卡托辛含量从0增加到1.0%时,压力指数从0.35降到0.20。卡托辛和亚铬酸铜不同配比降低压力指数的作用不同,卡托辛对燃速的催化效果优于亚铬酸铜。细粒度AP增加使燃速大幅增加,但超过25%后压力指数也有所增加。

AP/HTPB复合固体推进剂慢烤燃特性的数值模拟

为了研究热载荷作用下高氯酸铵(AP)/端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂的热安全性,针对某固体火箭发动机建立了二维烤燃简化模型。其中,AP/HTPB推进剂的慢烤燃过程采用两步总包反应描述。理论计算结果与实验数据吻合较好。在此基础上,分别对该发动机在升温速率为1.8,3.6,7.2 K·h-1下的慢速烤燃行为进行了数值预测。结果表明,三种升温速率下,AP/HTPB推进剂的最初着火位置均发生在药柱内壁纵向1 mm肉厚的环形区域内,且随着升温速率的增大,最初着火位置由中心区向药柱壳体端面移动。升温速率从1.8 K·h-1增加到7.2 K·h-1时,着火温度从592 K升到595 K,变化不大,但是着火延迟期却从31.48 h缩短到14.87 h。

低温动态加载下三组元HTPB复合固体推进剂的失效判据

基于三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂在不同热加速老化时间(0,32,74,98 d)和不同加载温度(-50,-40,-30,-20,25℃)以及不同应变率(0.40,4.00,14.29,42.86,63 s^(-1))条件下的单轴和准双轴拉伸力学性能实验以及细观损伤观测实验,分析了加载条件对推进剂初始弹性模量,强度和最大伸长率的影响规律,确定了单轴和准双轴拉伸加载下推进剂的失效判据。结果表明:动态单轴加载下推进剂易因拉伸应力作用而失效,且热老化后推进剂抵抗破坏的能力降低,拉伸时的最大伸长率可选为失效判据。其次,拉压强度比更能反映推进剂的动态单轴拉压差异性,室温和低温条件下,其数值分别接近于0.4和0.2～0.3。动态准双轴拉伸加载下,推进剂的最大伸长率较单轴加载时明显降低,降低的幅度随热老化时间增长而增大,且温度越低,降低越明显。未老化推进剂在准双轴拉伸加载下的最大伸长率约为单轴拉伸条件下数值的60%～85%,而老化后约为40%～60%。低温高应变率条件下,最大伸长率不受应力状态和应变率变化的影响。动态双轴拉伸条件下的最大伸长率可选为相应加载下推进剂的失效判据以及点火建压条件下战术导弹固体火箭发动机(SRM)药柱结构完整性分析的判据,其数值可结合主曲线和老化模型确定。

HTPB复合固体推进剂细观结构微CT试验研究

为研究HTPB推进剂的细观结构及固体颗粒在推进剂中的分布规律,采用高精度微CT对HTPB推进剂不同截面进行了扫描试验,获取了推进剂的细观形貌,对推进剂中细观缺陷和固体颗粒进行了定量表征。结果表明,AP颗粒呈三级配填充于基体中,Al颗粒填充于AP颗粒之间,推进剂细观颗粒填充存在局部不均匀现象;推进剂内部的缺陷除了颗粒/基体界面初始脱粘,AP颗粒本身也存在孔洞或者微裂纹;AP颗粒、Al颗粒和孔洞的尺寸都较好地服从Weibull分布;在1500μm×1500μm的选定区域内,AP颗粒、Al颗粒和孔洞面积占比的平均值分别为0.521、0.079和0.015;推进剂宏观断裂是AP颗粒脱湿后形成孔洞不断汇合的结果,在断面上存在大量颗粒脱湿留下的凹坑,也有大量AP颗粒暴露在外面。

高频空化冲击作用下HTPB固体推进剂的细观损伤机制

为研究高频空化冲击作用下的HTPB复合固体推进剂热力耦合行为及细观损伤机制,提出一种考虑颗粒/基体间实际界面相的三维全级配HTPB固体推进剂细观模型构筑方法,区别于在颗粒/基体界面间嵌入虚拟内聚力界面单元的传统细观模型,进一步建立起空化微射流冲击作用下的固体推进剂热力耦合细观力学模型,分析了细观尺度上的固体推进剂破碎规律、损伤行为、局部应力应变和温度分布情况。结果表明,空化微射流作用在AP颗粒上后,导致AP颗粒直接破裂,随着冲击程度的增加,AP颗粒与HTPB基体间界面层受到冲击作用而破裂;固体推进剂在空化微射流冲击后的最大应力值为34.27MPa、应变值为1.314;应力波传递过程由于受到AP颗粒、Al颗粒和界面相的阻碍作用而发生传递路径的改变;空化冲击固体推进剂过程的最大温度值由于断裂能、内能和摩擦能的逐渐累积而呈现出逐步增长的变化特征,且最大温度值为24.59℃,在距离空化微射流较远位置的固体推进剂由于传热系数较低而无明显温升。

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。

HTPB固体推进剂落锤撞击试验及点火响应模拟

HTPB复合固体推进剂在低幅值长脉冲压力作用下可能发生意外点火,进而发展成燃烧或爆轰导致严重后果。为研究HTPB复合固体推进剂药片在撞击作用下的受力状态及点火机制,建立了卡斯特落锤仪的冲击力测试系统,并获得了落锤撞击作用下推进剂药片特性落高值及其不同高度时药片的落锤冲击力载荷曲线。基于落锤撞击测试装置建模,开展推进剂药片的落锤撞击点火试验数值模拟。研究结果表明,药片在2 kg落锤下的特性落高值H50为29.5 cm,药片表面受到冲击力峰值36.9 kN及作用时间0.40 ms;数值模拟结果显示,药片发生点火的特性落高在28~30 cm之间,与试验结果相吻合;药片受到落锤冲击发生径向变形,且表面局部应力集中,同时HTPB粘结剂发生塑性流动及摩擦,导致药片局部点高温,直至诱发AP颗粒热分解发生点火响应;模拟计算得到了2 kg落锤撞击药片点火的压力峰值470.9 MPa,点火时间约为0.30 ms。

拉伸加载下老化复合固体推进剂的损伤演化定量分析

目的定量分析老化对拉伸加载下复合固体推进剂细观损伤演化的影响规律。方法开展不同老化时间(0、32、74、98d)下三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂的热加速老化试验,以及老化后推进剂的微型哑铃形试验件在不同拉伸应变水平(0、5%、10%、20%、40%、50%)下的微CT扫描观测试验,并对扫描重构图像进行定量分析,获得老化对推进剂细观损伤演化的影响规律。结果随拉伸应变增加,老化前后推进剂微CT图像的灰度均方差、平均孔隙率和图像的分形维数均呈非线性增加趋势,图像的灰度均值呈非线性减小趋势。在较低应变水平(<10%)下,上述参数受老化时间的影响不显著,但随拉伸应变增加(≥10%)和老化时间增长,灰度均方差、平均孔隙率、孔隙率增量和分形维数的数值整体增高,而灰度均值随老化时间的增长而降低,且不同老化时间下,分形维数与平均孔隙率之间存在正线性关系。结论重构得到微CT图像的灰度均值、平均孔隙率和分形维数可作为表征参数,用于定量分析老化复合固体推进剂在拉伸载荷下的细观损伤和损伤的动态演化规律,推进剂的初始损伤和小应变下的损伤程度受老化的影响较弱,而老化时间对推进剂细观损伤的影响在较高应变水平下更加显著。

金属复合氧化物基燃烧催化剂在固体推进剂中的研究进展

为了阐明不同结构类型的金属复合氧化物及其复合材料作为燃烧催化剂时对固体推进剂含能组分的热分解催化性能,分别对尖晶石型、钙钛矿型、类钙钛矿型、碳材料基金属复合氧化物及金属元素掺杂的金属复合氧化物的催化活性进行总结。根据其结构及负载材料的不同,分析其对固体推进剂燃烧速率、压力指数及含能组分热分解峰温、放热量及表观活化能的影响,发现金属复合氧化物及其复合材料表现出比单一金属氧化物更为优异的催化活性。最后,指出了今后金属复合氧化物基燃烧催化剂在固体推进剂中的研究方向。

低聚硅倍半氧烷在HTPB复合推进剂中的多功能作用

为提升复合固体推进剂的综合性能,将不同质量分数的八苯基硅倍半氧烷(OPS)、八氨基苯基硅倍半氧烷(OAPS)、八硝基苯基硅倍半氧烷(ONPS)和八(二硝基苯基)硅倍半氧烷(ODNPS)等4种有机-无机杂化结构的多面体低聚硅倍半氧烷(POSS)加入端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂中。使用电子万能试验机、热机械分析仪测定推进剂的拉伸力学性能;使用氧弹量热仪测定推进剂在3 MPa氮气下的爆热;利用线扫描摄像燃速测定系统测定了推进剂的燃速—压强关系;采用扫描电镜、激光粒度仪和X射线衍射仪(XRD)对推进剂爆热测试后的凝聚相燃烧产物进行微观形貌、粒度及物相分析;采用同步热分析仪、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等对POSS影响推进剂燃烧的机理进行了分析。结果表明,4种POSS均可增强推进剂的拉伸力学性能,八氨基苯基硅倍半氧烷(OAPS)效果最优;4种POSS均可提高推进剂的燃速,ONPS质量分数为3%时,推进剂燃速及爆热最高;4种POSS均可促进推进剂铝燃烧,明显减小凝聚相燃烧产物的粒径,ODNPS效果最优。分析认为,ONPS和ODNPS热解、燃烧产生的纳米尺寸的芳香碳和氧化硅,提高了推进剂燃速,抑制了推进剂铝燃烧团聚。