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。

航天固体推进剂对煤储层致裂增透试验研究

高瓦斯低渗透性的煤储层严重制约煤炭和煤层气的高效生产,必须对煤储层进行致裂增透。航天固体推进剂爆燃能够产生大量的高能气体冲击煤储层,可以达到致裂增透煤储层的目的。为研究航天固体推进剂致裂煤体特性,首先以民用航天固体推进剂配方为基底,研发了一种用于煤储层致裂增透的固体推进剂,并对其性能、感度、耐压和耐温性能进行了测试,然后采用模拟煤样开展了航天固体推进剂致裂试验,并对试验过程中的孔壁压力和模拟煤样内应变进行了监测,最后根据试验结果分析了模拟煤样的破坏特征。结果表明:航天固体推进剂性能良好,具备防水、耐压和不产生CO等优点,能够适应煤矿井下的环境。试验过程中孔壁压力时程曲线呈现急速升压阶段、缓慢升压阶段和非线性降压阶段,孔壁压力上升时间约为18 ms;孔内压力峰值较低且分布不均匀,孔中压力峰值为118.1 MPa,孔底压力峰值为85.3 MPa。航天固体推进剂致裂过程中,模拟煤样内产生的应力波由压缩相和拉伸相组成,应力波强度较低、持续时间长并且随距离的增大衰减缓慢。航天固体推进剂致裂煤储层以高能气体的准静态作用为主,应力波能量的利用率较高。研究结果为航天固体推进剂在煤层气开采领域的应用提供了参考。

PET基高能固体推进剂3D打印配方设计与制备

以四氢呋喃共聚醚(PET)基高能固体推进剂为研究对象,设计了以定型助剂改性的PET/硝酸酯(NG/BTTN)为黏合剂体系,高氯酸铵(AP)为固体填料,多官能团脂肪族异氰酸酯(N‑100)为固化剂的3D打印推进剂配方。对定型助剂MS在25℃条件下的定型效果、与各组分的相容性以及25,35,45,55℃温度下的流变特性开展了研究,通过仿真模拟确定了温度、喷头直径、压力等3D打印工艺参数的合理范围。结果表明MS与推进剂中与PET/NG/BTTN、AP的相容性较好,并在一定程度上提升了推进剂的安全性能,药浆具有温敏特性,可在25℃达到良好的定型效果,在温度50℃、喷头直径1.2 mm、压力11 kPa的打印参数下,实际打印速率为8 mm·s^(-1),首次实现了PET基高能固体推进剂3D打印成型。

国外固体推进剂研究与开发的趋势

从 4个主要发展方向分别评述了 2 0 10年前固体推进剂研究开发的趋势 ,认为中近期较现实的高能推进剂组合可能是叠氮粘合剂 /ADN/Al或AlH3 ;战术导弹实现低特征信号主要是以损失固体推进剂部分能量为代价 ,而低特征信号推进剂添加CL 2 0和ADN是提高其能量的首选途径 ,高氮化合物、氧化呋咱化合物等也有良好的应用前景 ;采用钝感的粘合剂 (如HTPE)、钝感的硝酸酯和合理调控固体添加剂的化学结构及物理性能是实现固体推进剂钝感的有效途径 ;介绍了用可水解粘合剂 (PEGA)或热塑性弹性体 (TPE)粘合剂制成的新型固体推进剂具有令人瞩目的少污染和可再生使用性能的实例。

高能量密度材料3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱性能及应用研究

3 ,4 二硝基呋咱基氧化呋咱 (DNTF)是一种新型高能量密度材料 ,通过对其理化、爆轰性能研究 ,证明其各项性能优于奥克托今 (HMX)而接近六硝基六氮杂异全兹烷 (CL - 2 0 ) .DNTF能量高、熔点低、热安定性良好、感度适中 ,适于在推进剂、战斗部装药及爆炸网络中应用。另外 ,DNTF能与梯恩梯 (TNT)形成低共熔物 ,可以调配成不同熔点、不同能量要求的液相载体 。

含CL-20的改性双基推进剂的机械感度

研究了六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)的含量和燃烧催化剂对含CL-20的改性双基(CL-20-CMDB)推进剂机械感度的影响,并将CL-20-CMDB推进剂的机械感度与含3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱的改性双基(DNTF-CMDB)推进剂、含N-脒基脲二硝基酰胺的改性双基(FOX-12-CMDB)推进剂、几种定型的双基(DB)和含奥克托今的改性双基(HMX-CMDB)推进剂进行了比较。结果表明,CL-20-CMDB推进剂比有相似组成的DNTF-CMDB和FOX-12-CMDB推进剂的撞击感度高,比DNTF-CMDB推进剂的摩擦感度高,比FOX-12-CMDB推进剂的摩擦感度低。它比已定型的几种DB推进剂的撞击感度低(CL-20含量大于8%时)、摩擦感度高;比已定型的HMX-CMDB推进剂的撞击感度和摩擦感度都高(两种推进剂的氧化剂含量相当时)。

NEPE高能推进剂凝相燃烧产物的特性分析

通过改进固体推进剂凝相燃烧产物收集装置,在降低系统复杂程度的同时实现了对工作压强的稳定控制。对NEPE高能推进剂在三种工作压强下产生的凝相产物进行了收集,采用粒度分析仪、扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪对获得的凝相燃烧产物进行了深入分析。结果表明,对于NEPE高能推进剂,工作压强对峰值粒度的影响不大,各压强下的平均峰值粒度均在1μm至2μm之间;大部分粒子呈规则球形,少数大粒子会发生形状改变;铝粒子在燃烧室中一般不会全部被氧化成Al2O3。

有机铅盐对高能改性双基推进剂燃烧性能和热分解的影响

研究了3种有机铅盐燃烧催化剂NTo铅（NTO-Pb）、水杨酸铅（Sa-Pb）和硬脂酸铅（St-Pb）对高能改性双基推进剂（HEMDB）不同压强下的燃烧性能和热分解的影响。结果表明，有机铅盐燃烧催化剂对HEMDB推进剂的燃烧性能和DSC特征量均有影响；NTO-Pb、Sa-Pb和St-Pb可促进HEMDB推进剂中RDX的热分解；HEMDB推进剂的燃速和DSC特征量均随压强的升高而增大，在1～10MPa压强下该类推进剂的燃速与DSC特征量线性相关。

含二硝基偶氮氧化呋咱推进剂的能量特性研究

二硝基偶氮氧化呋咱 ( DNAF)是一种新型高能氧化剂。采用最小自由能方法研究了 DNAF的能量特性 ,结果显示 :DNAF单元推进剂比冲 2 692 .72 N· s· kg- 1 ,比黑索今高 75.8N· s· kg- 1 ,比六硝基六氮杂异伍兹烷高 1 9.5N· s· kg- 1 ;HTPB/DNAF/Al组成推进剂的比冲可达 2 81 0 N·s·kg- 1 ;DNAF分别与 GAP和 HTPB组成的无烟推进剂的比冲分别高达 2 763N· s·kg- 1和 2 72 5N·s·kg- 1。并绘制了等性能三角图和三维立体图 ,可形象直观地看出这类推进剂的比冲。

新一代高能固体推进剂的能量特性计算研究

在分析硝酸酯乙基硝胺(NENA)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、呋咱类化合物、唑类富氮化合物、贮氢合金五种含能材料的特点和性能的基础上,用电算法对由常规(或含能)黏合剂/含能增塑剂/高能氧化剂/金属燃烧剂组合的一系列配方的能量特性进行了计算,探索了新型高能固体推进剂的途径和思路,并就这些途径给推进剂能量性能带来的影响进行了讨论,提供了新型高能推进剂的八条技术途径。

高能复合固体推进剂的研究进展

高能化始终是复合固体推进剂的研究热点。介绍了当今复合固体推进剂高能化研究进程中国内外在氧化剂、金属燃烧剂和含能粘合剂体系方面的主要研究成果。借助先进的技术途径改善氧化剂和金属燃烧剂的燃烧性能是目前国内复合固体推进剂的研究重点。超高能量密度材料(氮原子簇化合物和多异氰基立方烷类化合物)和贮氢类金属燃烧剂三氢化铝以及一些新型的含能粘合剂等新型含能材料的出现,为下一代高能复合固体推进剂的研究指明了方向。

高能低燃速NEPE推进剂的研究

采用调节 NEPE推进剂的配方组分、添加降速剂等手段进行了一系列降低燃速的研究。研究结果表明 ,增大 AP粒径、降低 NG/DEGDN的比例、适当降低 AP含量、添加少量降速剂 ,可达到降低燃速的目的。通过对 NEPE推进剂配方组分的调节 ,在没有添加降速剂时 ,其 4.0 MPa下燃速可达到 4.7mm/ s,并且实测标准比冲可达到 2 2 39.3N·s/ kg。

氧化剂含量和粒度对NEPE推进剂燃速影响的模型化

以高能固体推进剂热分解特性和燃烧模型的研究成果为基础,建立了由化学结构参数计算NEPE推进剂的燃速和压强指数的公式,计算了氧化剂组分含量和粒度对燃烧性能的影响。经验证,计算结果与实测燃速值的偏差全部在±20%以内,其中80%的偏差在±10%以内。这说明所建立的模型基本合理,编制的NEPE类推进剂燃速计算程序基本可行。

高能固体火箭发动机爆炸冲击波毁伤效应研究

采用解析计算法,计算了NEPE高能复合固体推进剂的爆速和爆压。通过对冲击波超压进行计算,确定了超压与距离的关系,并与试验结果进行了对比。通过研究冲击波在空气中的衰减情况,确定出推进剂爆炸后的安全范围。研究结果表明,在无掩蔽的情况下,高能固体火箭发动机爆炸冲击波超压对人员有杀伤作用的距离为82 m,爆炸后人员的安全距离为120 m。

开展高能固体推进剂危险性分级研究的建议

高能固体推进剂中含有大量高能单质炸药,必须充分考虑其在制造、贮存、运输、使用等过程中的安全性。介绍了国外爆炸品的危险性分级方法,分析了国内的有关规定,提出了开展我国高能固体推进剂危险性分级研究的建议。

p(BAMO-AMMO)热塑性高能推进剂燃烧转爆轰试验研究

采用燃烧转爆轰(DDT)管法研究了p(BAMO-AMMO)热塑性推进剂主要固体组分RDX和AP含量、AP粒度及级配等对其燃烧转爆轰响应规律的影响。结果表明,在相同试验条件下,含质量分数65%AP的p(BAMOAMMO)推进剂发生了燃烧转爆轰响应,而含等量RDX的p(BAMO-AMMO)推进剂仅发生了燃烧反应。当RDX质量分数从65%增加到85%时,样品由燃烧反应变为燃烧转爆轰反应。含等量细粒度(d50=1.0μm)AP的推进剂发生燃烧转爆轰的倾向较含粗粒度AP(d50=105μm)的低。当粗、细AP以质量比为10∶3级配时,p(BAMOAMMO)推进剂未发生燃烧转爆轰反应。

AP与HMX作用的“连锁互动”机制

研究了NEPE推进剂中AP与HMX的相互作用。基于凝相机理与热解实验 ,从分子层面和化学反应的角度 ,结合价键、形式电荷、链反应等理论和固体单元推进剂的燃烧状况 ,提出了AP与HMX间的“连锁互动”机制。有NH3与NO2 等活性物种参与的“放热连锁、物种互动”过程 。

3,3′-二硝基-4,4′-氧化偶氮呋咱(DNOAF)的热分解特性

采用热重实验(TG)、差示扫描量热实验(DSC)和气体(固体)原位反应池/快速扫描傅里叶变换红外光谱(RSFTIR)联用技术,研究了3,3′-二硝基-4,4′-氧化偶氮呋咱(DNOAF)的热分解特性。结果表明:DNOAF的热分解特性对压强敏感,随着压强的升高,DNOAF的热分解放热峰温呈降低趋势。其热分解气体中具有红外活性的有CO2,N2O,NO,NO2,CO和DNOAF蒸汽;凝聚相热分解产物主要为碳,其中还含有少量的氰酸酯基-O-C≡N。在实验基础上提出了DNOAF的热分解历程,DNOAF的热分解首先发生在呋咱环间的C-N键,然后是呋咱环的开环分解。

固体组分含量对GAP/CL-20推进剂燃烧性能的影响

利用水下声发射法测试静态燃速、线性回归法计算燃速压强指数,研究了GAP/CL-20高能固体推进剂中的固含量,固体组分AP/CL-20、CL-20/Al、Al/AP相对含量等配方组成因素对其燃烧性能的影响。结果表明,固含量在一定范围内升高,使燃速和燃速压强指数均升高;AP/CL-20中AP、CL-20/Al中CL-20含量的增加,均使燃速升高,而燃速压强指数下降;Al/AP中Al含量的增加,使推进剂的燃速下降,而燃速压强指数升高。最后,对GAP/CL-20高能固体推进剂燃速的主导机制进行了简单分析。

GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响因素

采用水下声发射法测试了推进剂静态燃速,用线性回归法计算了推进剂燃速压强指数;研究了GAP/CL-20高能固体推进剂中增塑比及固体组分AP、CL-20、Al粉粒度等配方组成因素对燃烧性能的影响。研究结果表明,增塑比一定范围内的变化不会对推进剂燃烧性能产生显著影响,其燃速和燃速压强指数基本不变;CL-20粒度减小或AP粒度增加均会导致燃速不同程度的降低,Al粒度减小也会使燃速减小,但在达到一定程度后,燃速又增加;推进剂燃速压强指数随CL-20、Al粉粒度减小和AP粒度增加而减小,并对其燃烧性能的影响机制进行了简单分析。