固体推进剂凝相燃烧产物研究现状分析与建议

1内涵。固体火箭发动机是目前导弹武器的主要动力装置,在保障国家安全、维护国家利益方面具有重要的军事意义。现代固体火箭发动机采用的固体推进剂普遍使用微米铝粉作为金属添加剂,以提高推进剂能量,抑制不稳定燃烧。但铝粉燃烧过程及其形成的凝相燃烧产物会对发动机工作性能和安全性产生显著影响,目前固体发动机工程研制中遇到的三大难题均与铝粉凝相燃烧产物直接相关:一是两相流损失问题,与纯气相流动相比,由于凝相粒子存在的两相流动引起发动机理论比冲最高可下降约10%,折算成战略导弹射程损失超过1000公里;二是过载烧蚀问题,由过载引致凝相粒子向燃烧室局部聚集并冲刷绝热层,可使绝热层局部烧蚀率增加10倍。

降速剂及其作用位点对丁羟四组元推进剂燃烧性能的影响规律

为研究降速剂对丁羟四组元推进剂燃烧性能的影响规律,将典型季铵盐和金刚烷衍生物两种高效降速剂引入核壳结构铝基复合颗粒Al@HMX和AP@Al,使其分别作用于HMX颗粒内部和AP颗粒表面,制备了4种含降速剂的铝基复合颗粒(Al/A@HMX,Al/B@HMX,AP@Al/A和AP@Al/B);采用扫描电子显微镜对样品形貌进行了表征;采用高速红外相机拍摄推进剂燃烧过程的火焰红外照片,并对推进剂的爆热、密度、点火延迟时间和燃速进行了测试。结果表明,加入惰性降速剂会导致推进剂爆热降低,而Al@HMX复合颗粒能部分抵消这一现象,使推进剂爆热值增加了338 J/g;降速剂能够抑制AP和HMX的热分解过程,使达到AlO辐射峰值前维持低强度的“平台段”;而引入Al@HMX后,推进剂的点火延迟时间比基础配方减小49.4%;在10~20 MPa范围内两种降速剂均能有效降低推进剂燃速,在此基础上采用Al@HMX可使含季铵盐丁羟四组元推进剂20 MPa下的燃速降低7.1 mm/s(38.4%),压强指数降至0.25;当降速剂作用于AP表面时,含质量分数1%季铵盐的推进剂在20 MPa下燃速可降低5.0 mm/s(27.3%)。

新型推进剂的制备与能量调控

推进剂作为火箭发动机的能量来源,一定程度上决定了火箭发动机的能量水平与工作方式,对导弹武器远程投送、机动突防能力至关重要,更是推动火箭动力装备升级换代的核心技术之一。现有固体火箭发动机在推力按需输出方面存在瓶颈,无法满足导弹武器装备智能化、高机动、快速突防的发展需求。基于固体燃料可控能量释放的推进剂能量调控方法是提高推进剂能量输出可调可控性,优化发动机推力分配,实现导弹射程和机动性提升的有效尝试。

粒径比率对声波操纵颗粒分离过程影响的数值模拟研究

基于驻波表面声波的微粒操纵技术因其高效低耗而得到广泛应用,但仅依靠实验方法和理论研究难以全面研究微观尺度下的微粒运动。对微流体内声波分离微观颗粒的过程进行数值模拟,并进一步研究不同粒径颗粒的粒径比率对颗粒分离过程的影响。结果表明,两种颗粒的粒径越接近,颗粒分离越困难;粒径差越大,颗粒分离效果越好;粒径比率影响颗粒分离过程的本质是影响了大小颗粒受声场作用力间的差距。

不同粒径黑火药点火过程中与纤维素壳体材料的热相互作用

为了研究点火装置中纤维素外壳对不同粒径黑火药固相反应放热特性、反应气相产物、点火燃烧特性等方面的影响,制备系列黑火药/纤维素复合物样品,并采用扫描电子显微镜表征其微观结构和形貌。通过同步热分析仪和傅里叶变换红外光谱仪联用,研究纤维素对黑火药热反应性能的影响。用氧弹量热仪测量各样品的爆热,利用综合燃烧诊断系统(高速相机和高速红外热像仪)获得黑火药及其纤维素复合物燃速与火焰温度分布。研究结果表明:纤维素会降低黑火药放热量,当纤维素含量为33.33%时,两种黑火药的总放热量分别降低了66.4%和58.5%;纤维素并未改变黑火药热解路径;黑火药的主要气相产物分别为H_(2)O、CO_(2)和NO_(2),与纤维素复合后除浓度变化外,气相产物种类保持不变;纤维素仅影响黑火药能量释放过程,但对不同粒径黑火药的能量释放影响的差别较小,与纤维素复合后能量释放变化仅相差3.1%。实验研究发现,小粒径黑火药及其纤维素复合物燃烧更剧烈,火焰面积更大、燃温更高;纤维素对黑火药的燃烧起消极作用,主要是降低黑火药的燃速和火焰辐射强度,火焰温度分别降低273.7℃和299.4℃;黑火药及其纤维素复合物的凝聚相产物形貌表明纤维素一定程度上促进了黑火药凝相产物团聚,即纤维素会降低其燃烧效率。

含能燃速抑制剂的制备及其对AP分解的负催化效应

燃速抑制剂作为固体推进剂的核心功能组分,在降低固体推进剂高压燃速方面起关键作用。精准设计具有降速效应的季铵与醛基结构,获得高氮三氨基胍乙二醛二维共聚物(Triaminoguaniding Glyoxal two dimensional Copolymer,TAGP)含能配体,并与碱土金属离子K^(+)、Ba^(2+)和Ca^(2+)发生络合反应,制备系列新型含能燃速抑制剂(TAGP-M)。采用粉末衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜/能谱和差示扫描量热/热重联用等技术分析其形貌、结构和热稳定性,并研究这些含能燃速抑制剂对高氯酸铵(Ammonium Perchlorate,AP)热分解的负催化作用。研究结果表明:TAGP-K对AP转晶抑制最为显著,使AP的转晶吸热峰温提高5.9℃、低温分解峰峰温升高28.7℃;添加10 wt%的TAGP-K,可使AP的最大热分解速率降低58%;TAGP-Ca燃速抑制剂可使AP的释能效应集中在高温分解过程,AP/TAGP-Ca混合体系的放热量比纯AP提高50%以上;TAGP-Ca和TAGP-Ba燃速抑制剂在抑制含AP分解的同时提高了其释能效率;TAGP-M燃速抑制剂在分解过程中释放NH_(3)并与AP分解产物HClO_(4)结合,形成更难分解的M(ClO_(4)^(-))n;通过碱土离子与ClO_(4)^(-)离子强静电作用,抑制后者分解产生氧化性气氛,进而抑制AP高温放热反应过程。

自击撞击式双组元推进剂雾化过程数值模拟

肼类双组元推进剂在卫星和导弹等各类航天器动力系统液体火箭发动机中应用广泛.为了深入理解自击撞击式肼类双组元推进剂的雾化过程,基于OpenFOAM开源平台,通过引入有效液体相分数,发展了三维三相VOF-LPT转换算法,并进一步开发了该转换算法的耦合求解器;结合网格局部加密技术与自适应加密技术,实现了对液体界面的动态捕捉;通过与前人横向燃料喷射实验结果的对比,验证了所开发耦合求解器的准确性和有效性.利用所开发的耦合求解器数值研究了入射速度扰动、燃料偏靠角度和射流速度对自击撞击式肼类双组元推进剂雾化效果的影响.结果表明,入射速度扰动使液滴尺寸分布整体减小,比表面积增加,有助于提升雾化效果;对于燃料液膜和氧化剂液膜的撞击段,增大燃料偏靠角度或提高射流速度均会增加燃料液膜与氧化剂液膜之间的有效撞击动量,从而提高了燃料液膜与氧化剂液膜之间的混合度;在喷雾场完全发展后,液滴尺寸分布随燃料偏靠角度的增大而整体增大,随射流速度的增加而整体减小.此外,由于燃料偏靠角度限制了混合区域的范围,导致液膜混合破碎程度随射流速度的增加逐渐趋于定值.

微牛级高精度直流离子推进系统的推力调节特性

为了研究将微型直流离子推力器用于航天器超高精度控制任务的可行性,设计了一个微牛级直流离子推力器并为其配备了碳纳米管中和装置。对推力器进行了实验测试,评估了其在150~490 V电压范围内可实现的推力范围和推力分辨率,并计算了5、25、50μN推力水平下的噪声。在上述电压范围内,使用氙气和氩气作为工质时,推力器的推力范围分别为5.75~50.83μN和5.93~47.63μN,最大推力噪声为0.12μN/(Hz)^(1/2)和0.05μN/(Hz)^(1/2)。此外,对碳纳米管中和器进行了性能测试,实现了最大1.22 mA的引出电流,能够满足氙气工况下0~37.37μN、氩气工况下0~16.50μN的束流中和需求。实验结果表明,该推进系统可以用于引力波探测等高精度空间测量任务所需的无拖曳控制,且使用氩气更有利于实现高精度和低噪声的推力输出。