铅铜催化剂在低铝HTPE推进剂中的应用研究

研究了柠檬酸铅(PbCi)、2,4-二羟基苯甲酸铜(β-Cu)及其与炭黑(CB)的复合物对低铝HTPE推进剂主要组分、燃烧性能、工艺性能及力学性能的影响。结果表明,PbCi、β-Cu对低铝HTPE推进剂燃速表现出不同的催化效果。PbCi对5~11 MPa的燃速影响不明显,但能够提高11~19 MPa的燃速;β-Cu可有效提高5~19 MPa下的燃速。复合催化剂PbCi/CB对推进剂9~19 MPa下的燃速具有抑制作用,复合催化剂β-Cu/CB对燃速的影响与相同含量β-Cu相当。PbCi、β-Cu及其与CB的复合催化剂均能降低5~11 MPa的压强指数,提高11~19 MPa的压强指数。低铝HTPE推进剂药浆工艺性能不受PbCi、β-Cu及其CB复合催化剂的影响;PbCi可有效提高低铝HTPE在-40℃下的延伸率;β-Cu使推进剂20℃及50℃下的抗拉强度和延伸率大幅降低。

高低温循环保存下片状变燃速发射药的燃烧稳定性

为了研究片状变燃速发射药在高低温循环保存下的燃烧稳定性,将样品形貌及燃烧性能变化作为考察依据,以70℃高温10 h,-50℃低温10 h为一个循环周期,对片状变燃速发射药样品进行了20次高低温循环保存。通过光学显微镜观察了高低温循环前后片状变燃速发射药的表面形貌,利用密闭爆发器测试了高温50℃、常温20℃、低温-40℃下高低温循环前后片状变燃速发射药的燃烧性能。显微观测发现经高低温循环后,片状变燃速发射药表层气泡扩大增多,发射药断面出现塑性形变现象,内外层界面结合保持紧密,没有开裂与脱黏。密闭爆发器试验反映了该类型发射药经过高低温循环后,高温、常温、低温下动态活度曲线与高低温循环前都基本重合,动态活度变化值ΔL最大值出现在低温条件下,为2.57%,能量渐增性释放规律基本不变。高低温循环下,片状变燃速发射药在高压常温‑低温阶段的燃速温度系数对比原样在相同条件下显著降低,高温与低温下片状变燃速发射药的压力指数差距对比原样在相同条件下减小。结果表明,片状变燃速发射药在高低温循环条件下界面和燃烧性能稳定,具有较好的变温贮存稳定性。

低燃速、低烧蚀丁羟推进剂/衬层黏结试件界面性能研究

采用单向拉伸宏观观察试验,研究了某低燃速丁羟(HTPB)推进剂/衬层界面脱黏的影响因素。结果表明:推进剂配方组分是推进剂界面脱黏的主要影响因素,通过选择合适的HTPB规格、降速剂和固化剂,可显著改善推进剂/衬层黏结试件的界面黏结性能;衬层的预固化时间大于9 h后,试件的界面黏结性能达到最优。

变燃速发射药的低温感性能

根据银纹厚度随温度的变化,改变火药燃烧面和建立一个补偿系统,使变燃速发射药具有低温度系数。通过扫描电镜观察变燃速发射药的微观结构,观察到外层的银纹和银纹厚度随温度的变化情况;通过密闭爆发器实验,对发射药高、低、常温的燃烧性能进行了对比;在30mm火炮上进行内弹道试验,观察其温度系数的变化。结果表明,银纹厚度随温度的变化改变火药的燃烧面积,从而改变了变燃速发射药的气体生成速率;变燃速发射药高、低、常温燃烧性能变化不大;变燃速发射药具有较低的温度系数。

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。

低燃速低燃温双基推进剂燃烧性能的调节

为调节低燃速燃温双基推进剂的燃烧性能(燃速及压强指数),探索铅、铜盐和碳黑等燃烧催化剂在该类推进剂中的催化效果,从理论燃温在900～1700K的低燃速双基推进剂中选出4种作为基础配方,分别加入不同种类的铅盐、铜盐及碳黑等燃烧催化剂,改变催化剂的加入量及搭配关系,进行了一系列试验研究。同时还研究了辅助增塑剂对推进剂燃烧性能的影响。结果表明,常规的铅、铜盐和碳黑等催化剂在低燃速低燃温推进剂中仍能发挥催化作用,作用效果与催化剂的品种及加入量相关,特别是使用复合催化剂时,对燃烧性能的调节更为有效。不同品种的辅助增塑剂对燃烧性能也有影响。

无铝低燃速NEPE推进剂的燃烧性能

采用水下声发射法测定了无铝低燃速NEPE推进剂的燃速,研究了增塑剂种类、高氯酸铵（AP）与奥克托今（HMX）含量、AP粒度级配以及降速剂对无铝NEPE推进剂燃烧性能的影响。结果表明,通过选择合适的增塑剂、调整AP/HMX的相对含量、AP粒度级配以及采用有效的降速剂可使推进剂基础配方在3.5MPa下静态燃速达到4.0～5.5mm/s,2～5MPa下静态压强指数可降至0.30以下;NEPE推进剂燃烧时,NO2的生成速度越慢或NO2的含量越低,则推进剂的燃速越小,反之则越高。

桥塞投放工具用低残渣低燃速复合推进剂

为改进我国第一代桥塞投放工具用复合推进剂燃烧残渣率大和燃速高的缺点,以KNO3/AP/HTPB体系为基础设计了一种桥塞投放工具用复合推进剂。研究了不同种类降速剂、AP粒度以及催化剂对该推进剂的燃速、残渣率以及燃烧稳定性的影响。结果表明,降速剂草酸铵对复合推进剂有较好的降低燃速和残渣率的作用,AP粒径的增加有利于降低推进剂的燃速,加入催化剂可改善此推进剂燃烧稳定性。此复合推进剂经数百次油井桥塞座封施工证实,具有低残留、低燃速的优点,其综合性能显著优于国内第一代产品,达到国外先进水平。

低燃速无烟黑索今改性双基推进剂燃烧性能

采用"燃速-靶线法"研究聚甲醛(POM)、蔗糖八醋酸酯(SOA)及其不同质量比的(POM+SOA)混合物对无烟RDXCMDB推进剂燃烧性能的影响,同时研究了两种复合燃烧催化剂(F-Pb/W-Cu和E-Pb/W-Cu)对含POM+SOA的RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响。结果表明,配方中分别添加8%的POM或SOA,POM使10 MPa下燃速由10.87 mm·s^(-1)降至6.47 mm·s^(-1),SOA使10 MPa下燃速由10.87 mm·s^(-1)降至4.73 mm·s^(-1);当POM和SOA的质量比为5∶3混合使用时,6~15 MPa下推进剂压强指数降至0.49;铅盐F-Pb/铜盐W-Cu催化剂使低燃速RDX-CMDB推进剂6~15 MPa下的压强指数由未添加催化剂时的0.65降至0.12,在中压8~10 MPa下燃烧出现麦撒效应。

单室双推力固体火箭发动机用NEPE低燃速推进剂的燃烧性能

开展了AP含量、粒度和HMX粒度、胺类化合物、有机化合物RTA和RTJ对推进剂燃烧性能的影响研究,并对RTJ/RTA组合催化剂在推进剂中的作用机理进行了初步分析。结果表明,配方中加入RTJ/RTA组合催化剂,实现了降低4、17.5 MPa燃速的同时降低低压段、高压段压强指数,通过DSC研究表明,RTJ/RTA对AP的分解有抑制作用。通过合理调节AP/HMX的相对含量、AP粒度和HMX的粒度以及采用RTJ/RTA组合催化剂,得到了固体含量为80%的低燃速配方。

变燃速发射药微观结构及对燃烧的影响

对双层结构变燃速发射药微观结构进行了研究,讨论了银纹的存在及其特征性,提出了银纹的作用机理.通过扫描电镜,可以观察到银纹厚度随温度的变化;通过密闭爆发器试验,对经高低温处理后的发射药燃烧性能和原样的燃烧性能进行比较;在某口径火炮上进行内弹道试验,分析其高温、低温、常温内弹道性能.通过银纹厚度随温度的变化,调整发射药的燃烧面积,使变燃速发射药具有所希望的能量释放规律.实验结果表明了银纹原理的正确性、银纹的稳定性及银纹的存在使双层结构变燃速发射药具有明显的低温度系数.

复合降速剂对低燃速推进剂燃烧性能的影响

用共聚甲醛(POM)逐渐替代蔗糖八醋酸酯(SOA),通过改变降速剂的配比,制备了低燃速双基推进剂,用DSC和SEM分析了其热分解和燃烧熄火表面形貌,研究了复合降速剂配比对低燃速推进剂燃烧性能的影响。分析了含复合降速剂的推进剂的燃烧机理。结果表明,用POM替代SOA,使推进剂的能量提高,麦撒效应移向高压强区域移,平台效应显现,平台效应区域加宽;两种降速剂熔化和吸热分解作用影响推进剂中含能组分的起始分解温度,改变了推进剂的燃烧性能;燃烧熄火表面的Pb、Cu元素含量远高于推进剂配方中的含量,催化效应与降速剂熔化和吸热分解共同作用改变了推进剂的燃烧性能。

低燃速低燃温双基推进剂燃速与燃烧波特征量的相关性研究

为研究燃速与燃烧波特征量之间的相关性,采用在推进剂内埋设微型热电偶技术,测得了低燃速低燃温双基推进剂的燃烧波结构,并通过数据处理获得了燃烧波的特征量值,包括表面温度、火焰温度、暗区厚度、凝聚相温度梯度和气相嘶嘶区温度梯度。不含催化剂的基础配方燃速随表面温度增大而增大;加入催化剂的配方产生麦撒燃烧,表面温度比基础配方的表面温度有所增加,燃速与表面温度不再是单一的线性关系。火焰温度随压强增大而提高,其与燃速没有明显相关性。结果表明:低燃速低燃温双基推进剂的燃速与燃烧波特征量之间不仅存在线性关系,还存在非线性关系。分析认为是催化剂改变了低燃速低燃温推进剂的燃烧波结构所致。

一种非铅催化硝胺改性双基低燃速低燃温推进剂

为降低双基低燃速低燃温推进剂的燃速、燃温，将含能添加剂PQ加入含HMX的CMDB推进剂中。研究了含能添加剂PQ与HMX复配后部分取代配方中的NC和NG对燃速、燃温的影响，并采用常规的Pb—Cu盐复合催化剂和非铅催化剂体系对该配方体系的燃烧性能进行了调节。结果表明，加入适量的复合含能添加剂能有效降低推进剂的燃速和燃温，可使推进剂理论燃温低于1200K，燃速低于2．5mm／s（10MPa，20℃）；与常规Pb—Cu盐催化剂相比，非铅催化剂的催化效率更高，配方的燃烧性能更好，压强指数可低至0．16（3～7MPa），获得平台燃烧。含能添加剂PQ降低燃速、燃温的原因是加入PQ后，推进剂的能量水平下降以及PQ在分解时的熔化吸热降低了化学反应速率。

提高低燃速丁羟推进剂力学特性研究

大量粗粒度AP和降速剂的添加很难实现低燃速丁羟推进剂高强度的技术要求。研究以静态燃速不高于5.1 mm/s(20℃,6.0 MPa)低燃速丁羟推进剂作为基础配方,通过优选HTPB规格、键合剂组合和添加新型扩链剂的方法提高推进剂力学特性。结果表明,采用新型扩链剂SX,使70℃推进剂的抗拉强度高于1.0 MPa,伸长率大于10%。

低特征信号NEPE推进剂配方设计及燃烧性能

根据最小自由能方法计算了铝粉含量变化对ＮＥＰＥ，ＣＭＤＢ以及固体含量为８８％的复合团体推进剂能量特性的影响．铝粉含量为５％～１８％时，ＮＥＰＥ推进剂密度比冲分别比ＣＭＤＢ和复合团体推进剂增加１１．１～１４．６ｓ·ｇ／ｃｍ３和１４．２～１８．０ｓ·ｇ／ｃｍ３．通过对低特征信号ＮＥＰＥ推进剂配方燃烧性能的研究，观察到当Ａ１含量为３％～５％时，采用３．５％的燃速催化剂仅可使压力指数降至０．６０．相应高能ＮＥＰＥ（铝粉含量等于１８％）推进剂的压力指数可降至０．５６．而降低ＡＰ粒度和增加其含量是提高燃速和降低压力指数的有效措施之一．此外，还测定了ＮＥＰＥ推进剂的燃速温度敏感系数，并与ＣＭＤＢ和复合团体推进剂数据进行了对比．

硝胺对低燃速丁羟推进剂能量与燃速的影响

从推进剂的能量特性和燃烧性能的角度探索了硝胺 ( RDX、HMX)在低燃速丁羟推进剂应用的可能性。结果表明 :保持固体含量和铝粉含量恒定时 ,在推进剂中加入一定量的硝胺部分取代 AP,可以提高低燃速丁羟推进剂的理论比冲和显著降低推进剂的燃速压强指数 ,但加入 RDX、HMX降低丁羟推进剂燃速的幅度非常小。

一种含能硝基化合物对低燃速低燃温双基推进剂性能影响

为进一步降低低燃速低燃温双基推进剂的燃速、燃温,对一种含能硝基化合物的降温、降速效果进行了实验研究,设计了系列含无机铅盐、有机铜盐及过渡元素金属催化剂的双基配方。通过燃速测试及高压差示扫描量热法(PDSC)研究上述推进剂的燃烧性能和热分解特性。含该硝基化合物的推进剂DSC曲线呈三峰放热,放热峰峰温分别在200℃、280℃、350℃左右,第三峰不明显。结果表明:该含能硝基化合物能有效降低推进剂的燃速、燃温,但使推进剂的压强指数增大,而加入催化剂能改善推进剂的燃烧性能,使压强指数降低,分解放热量也降低。

过渡金属催化剂对低燃温双基推进剂性能的影响

为探索过渡金属催化剂粒度对低燃温双基推进剂燃烧性能、点火性能的影响,分别测试了含不同粒度(1μm、3μm、5μm)过渡金属催化剂及粒度级配的低燃温双基推进剂的燃速。以压强指数较小作为优选标准,对优选配方进行放大试验。采用螺旋压伸成型工艺制备了Φ50mm标准发动机药柱并进行发动机点火试验。结果表明,过渡金属催化剂可显著改善推进剂在低压下的燃烧性能,降低压强指数及临界燃烧压强,使推进剂在2MPa下能稳定燃烧。该装药在低温下(-40℃)点火正常、燃烧稳定。

高燃速HTPB/IPDI推进剂低温力学性能(Ⅱ)界面助剂的设计与应用

为了改善高燃速丁羟推进剂的低温力学性能 ,设计合成了AO系列界面助剂 ,并在丁羟高燃速实验配方中验证了它们的使用效能。结果表明AO助剂大幅度提高了高燃速实验配方的低温力学性能 ,在常温强度相当的条件下 ,- 4 0℃下最大伸长率由 4 0 %左右提高到 5 5 %以上。实验结果也显示助剂与粘合剂的表面张力值越接近 ,工艺性能越好。文中还通过漫反射红外光谱 (DRIR)和动态热机械分析 (DMA)对界面助剂的作用机理作了简要探讨。