GAP/HMX推进剂的燃烧

GAP(缩水甘油基叠氮聚合物)是一种侧链为高能基的叠氮聚合物,利用改变HMX含量的方法研究了GAP/HMX复合推进剂的燃速特性。为扩大燃速区域,采用燃烧催化剂LC(柠檬酸铅)和CB(碳黑)研究了推进剂的燃速变化。在HMX质量含量小于60％时,随HMX含量的增加燃速下降;HMX质量含量大于60％时,燃速随HMX含量的增加而上升。添加燃烧催化剂后燃速增加,压力指数下降。这种燃烧催化剂(LC或CB)分别使用时无催化作用,必须两者同时混入。而且这种燃烧催化剂对GAP粘结剂不产生催化作用。     

GAP/HMX推进剂的燃速特性

研究了在缩水甘油叠氮聚醚（GAP）中添加不同数量HMX的推进剂燃烧机理，在HMX添加量小于0．6的范围，燃烧表面固相放热量Qs随HMX添加量的增加而下降，燃速度降低，在HMX添加量寺睛0．6的范围，由于推进剂有面的固相反应加以GAP与HMX分解气体的气相反应向燃烧表面的热流束增加，从而燃烧表面气相的温度梯度Φ效应增加。当HMX添加量再增加时，则决定燃速的因素由固相反应过渡到气相反应，由于Φ增加而燃速进一步增加。     

奥克托今复合改性双基推进剂的燃速特性(上)

实验研究表明,与双基推进剂的燃速特性(燃速随能量的增加而提高)不同,HMX-CMDB推进剂的燃速,在HMX含量低于50％时,随HMX含量增加而降低;在HMX含量高于50％时,随HMX含量增加而提高。     

高能复合改性双基推进剂的燃速特性(Ⅲ)——推进剂初始温度的影响

为探讨改变含能量的双基推进剂和ＨＭＸ／ＣＭＤＢ推进剂的燃速与推进剂初始温度的关系，利用套罩式药条燃烧器研究了其燃烧波结构。影响各种推进剂燃速与推进剂初始温度关系的物理特性量，主要是燃烧表面温度与暗区温度。双基推进剂含能量越多，燃速的温度感度越小。增加推进剂含能量和推进剂的初始温度时，燃烧表面温度增加，沸腾区的反应加速，暗区温度上升，沸腾区的温度梯度扩大，流向燃烧表面的热流束增加，从而燃速增加。ＨＭＸ／ＣＭＤＢ推进剂含能量多时燃速对温度的感度变小。增加推进剂能量并降低推进剂初始温度时，燃烧表面温度下降，沸腾区的反应减慢，暗区温度下降，沸腾区温度梯度变小，流向燃烧表面的热流束减少，从而燃速降低。     

高能复合改性双基推进剂的燃速特性(Ⅱ)——添加 HMX 的影响

研究了在双基推进剂中添加高能物质ＨＭＸ的ＨＭＸ／ＣＭＤＢ（复合改性双基）推进剂每单位质量所含能量对燃速的影响。用套罩式药条燃烧器研究了燃烧波结构。在双基推进剂中添加ＨＭＸ时，最终火焰温度增加，燃速下降。明确了最终火焰温度对燃速没有直接的影响。与此同时暗区温度下降，这是因为增加ＨＭＸ质量比时，燃烧表面的反应热减少，沸腾区内的反应变慢。暗区温度越高燃速越高，表示沸腾区内的反应加速，流向推进剂燃烧表面的热流束增加，从而燃速增加。     

含铝推进剂的燃烧效率

为了获得末级发动机用的优化推进剂,评定了推进剂配方变量对低燃速、含铝推进剂燃烧效率的影响,试验用推进剂的组分有过氯酸铵、铝、环四次甲基四硝胺(HMX)、端羟基聚丁二烯(HTPB)。经试验得到了铝聚集的尺寸、燃速及由高速摄影照片和小型发动机试验推导出的比冲。由比冲效率表示的燃烧效率有随燃速增加而提高的趋势,在低L条件下,当铝聚集尺寸减小时,比冲效率提高。铝聚集的程度依赖袋囊结构特性,随铝量的减少和袋囊中铝与细AP质量比的降低,聚集尺寸将减小。使用粗粒的HMX有缩小聚集尺寸的作用,其结果是减小了袋囊体积。HMX颗粒的大小对燃速没有影响,用粗粒HMX代替细粒HMX制做的推进剂,有可能在不改变设计方案的基础上提高火箭发动机的实测比冲。     

高能无烟改性双基推进剂中高压燃烧性能

研究了含铅盐、铜盐、炭黑等催化剂的高能无烟改性双基推进剂在中高压下(10～43MPa)的燃烧性能。结果表明,在高压下推进剂的燃速随压强的升高而大幅升高;在25MPa高能无烟改性双基推进剂燃速曲线出现拐点,燃速随压强升高而大幅提高;10～25MPa范围内燃速催化剂对推进剂的燃烧性能有明显影响,NI-Pb/NI-Cu/CB将推进剂燃速提高75.16%(10MPa),而在25～43MPa范围内燃速催化剂对推进剂燃烧性能的影响明显减弱。     

AMMO推进剂的燃烧

研究决定和控制一种高能叠氮聚合物燃速的物理化学参数,这种聚合物为叠氮甲基甲基氧杂环丁烷(AMMO),含有一个高能叠氮基团。热分解和燃烧特性的实验结果表明,AMMO的热分解过程分二个阶段,第一阶段为叠氮基裂开放出氮气,放热反应;第二阶段为第一阶段分解的残渣进行不放热的分解反应。AMMO的燃速约为聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂的50％,与双基推进剂相同;燃速的压力敏感度也与双基推进剂相同。燃烧波温度分布测定结果表明,从气相进入燃面的热反馈量随压力增大而增加,燃面温度及燃面附近的放热量随压力增大而减小。     

高能复合改性双基推进剂的燃速特性(Ⅰ)——基本推进剂的燃烧特性

为明确双基推进剂每单位质量所含能量影响燃速的物理特性量，研究了燃烧波结构。利用氮气加压的套罩式燃烧器燃烧推进剂药条试样，观察了火焰，测量了火焰的温度分布。明确了最终火焰温度对燃速没有直接影响。推进剂含能量即最终火焰温度增加时，暗区的温度增加，与此同时推进剂的燃速增加。这是因为含能量增加时沸腾区的ＮＯ２气体增加，反应加速，在推进剂燃烧表面的温度梯度即热流束增加，促使燃速增加。     

GAP推进剂的燃速特性

为了获得广阔的燃速谱,研究了缩水甘油叠氮聚合物(GAP)复合推进剂的燃速和火焰结构。将过氯酸铵(AP)、环四次甲基四硝胺(HMX)或三氨基硝酸胍(TAGN)的精细晶粒与GAP相混合以形成GAP推进剂。因为GAP是一种自身可维持燃烧的高能聚合物,所以GAP推进剂的燃速特性在本质上显然不同于通常的复合推进剂。测定的结果表明:GAP推进剂的燃速、压力指数、温度敏感系数和火焰结构在很大程度上依赖干添加的晶体浓度。这些观察到的燃烧速度特性与晶体粒子的浓度相关。     

高能复合推进剂的温度感度特性

高氯酸铵（ＡＰ）系复合推进剂具有在不含氧化铁时随粘合剂种类的不同在低温下出现不稳定燃烧，添加氧化铁时即便在低温下也可稳定燃烧的燃速温度感度特性。如ＡＰ／ＡＭＭＯ和ＡＰ／ＰＰＧ在燃烧表面形成熔解层的推进剂燃速的温度感度特性很高，添加氧化铁时温度感度有下降的趋势。不含氧化铁时燃速的温度感度随压力的上升而增加，而添加氧化铁的推进剂对压力的依赖性变小。分析气相反应与凝缩相反应的温度感度特性的结果证明，ＡＰ系复合推进剂不论有无氧化铁，在低温领域燃烧表面附近的凝缩相反应决定速率。但是粘合剂成分对燃烧表面附近气相反应的温度感度影响也很大，而且对燃速的温度感度也有影响。     

AP/AMMO推进剂的燃速特性

用套罩式药条燃烧试验装置研究了AMMO(叠氮甲基-3′甲基氧杂环丁烷)作高氯酸铵基推进剂的粘合剂时推进剂的燃烧特性。实验证明,使用平均粒径为200μm的高氯酸铵(AP)基推进剂在初始温度为298K、压力为2.0MPa时燃速约为6.3×10~(-3)m/s,压力指数较低为0.16。当有1/3的AP平均粒径为63μm时,在同样温度和压力下推进剂燃速可达13×10~(-3)m/s,压力指数也增加为0.5。用这种小颗粒AP的推进剂在压力为2.0MPa时温度敏感系数为0.31％/K。     

含燃速调节剂的AP/HTPB推进剂的燃烧特性

研究了Fe_2O_3、亚铬酸铜(CC)、LiF和CaCO_34种燃速调节剂及含有这些添加剂的推进剂的负压火焰.在负压下存在一个暗区,该区随压力下降和AF粒径变小而变厚。加有FEe_2O_3的推进剂存在一个没有气相火焰的发烟表面。含有燃速催化剂在负压下燃烧所得积烟表明:重燃料分子随AP粒子变细而下降.加入Fe_2O_3或CC.低压爆燃限降低.而加入LiF和CaCO_3则增加。当LiF和CaCO_3高于一定含量时.减小AP粒径会进一步降低燃速.低于一定含量时会起增速作用,直到某一压力时,则又降速。添加剂类型不同会影响燃烧表面形态发生变化的压力。     

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。     

纳米邻苯二甲酸铅的制备及其对双基推进剂燃烧催化的研究

以邻苯二甲酸氢钾和乙酸铅为原料,采用超声液相分散沉淀法制备了纳米邻苯二甲酸铅粉体。研究了反应温度、反应物浓度以及分散剂用量对配合物粒径的影响。在反应物浓度为0.4mol·L-1、反应温度为10℃、分散剂用量为8%(v/v)时,制得平均粒径为43nm的纳米邻苯二甲酸铅。通过研究纳米邻苯二甲酸铅对双基推进剂燃烧的催化作用,发现纳米邻苯二甲酸铅在2～22MPa范围内能提高双基推进剂的燃速,且使双基推进剂在6～10MPa范围内出现较强的麦撒燃烧效应。与普通邻苯二甲酸铅催化剂相比,纳米邻苯二甲酸铅使双基推进剂燃速高于含普通邻苯二甲酸铅的双基推进剂的燃速,且在6～10MPa范围内压力指数更低。     

AN／AP系复合推进剂的燃速及点火特性

在高氯酸铵（ＡＰ）系复合推进剂中混入硝酸铵（ＡＮ）时燃速下降且点火滞后时间增加。利用这种推进剂以初始温度为参数求出了燃速与卢、火滞后时间。ＡＰ系复合推进剂与ＡＮ系复合推进剂燃速的温度感度并无大差别，其值约为０．２％～０．３％／Ｋ。燃速的压力指数有随混合量增加而减少的趋势。点火滞后时间的温度感度可取－０．５％～－１％／Ｋ的小值，与燃速的温度感度同样因混合ＡＮ引起的变化很小。增加推进剂的初始温度时点火滞后时间减少，物理点火滞后时间无变化，主要是化学声、火滞后时间受影响。     

HMX含量对丁羟四组元推进剂团聚及凝聚相燃烧产物的影响

奥克托今（HMX）作为含能材料在能够提高推进剂能量性能的同时可改变推进剂的燃烧过程,广泛用于固体推进剂中。为了研究HMX含量对推进剂点火、燃烧、团聚和凝聚相燃烧产物特性的影响,采用推进剂燃面拍摄、激光点火以及凝聚相燃烧产物收集方法对HMX含量在0%~10%范围内的典型四组元推进剂进行试验研究。结果表明：随着HMX含量由0%增加到10%,推进剂的点火延迟时间由191 ms增加到286 ms,推进剂的燃速和压强指数均减小,凝聚相燃烧产物的体积平均粒径D₄₃由48.1 μm增加到138.3 μm。含10%HMX的推进剂燃面上铝的团聚程度最大,而含8%HMX的推进剂凝聚相燃烧产物中活性铝的含量最高。     

包覆前后ACP对高燃速改性双基推进剂高/低压强段燃烧性能的影响

为改善含快燃物ACP(一种以二价铜胺络离子为阳离子的高氯酸盐)高燃速改性双基推进剂的燃烧性能,利用液相沉积法制得聚合物包覆ACP。采用热重分析研究了ACP及包覆ACP的热分解性能;以ACP及包覆ACP作为添加剂,对改性双基推进剂(CMDB)在低压段(3～9MPa)和高压段(11～20.5MPa)燃烧性能进行了对比实验研究。结果表明:ACP及包覆ACP热分解过程均可分为四个阶段,其总失重分别为90.70%和76.22%;在CMDB推进剂中添加ACP及包覆ACP均可提高推进剂的燃速,高压段的燃速压力指数降低,低压段的燃速压力指数增大。含包覆ACP的推进剂在低压段和高压段的燃速压力指数要比纯ACP的低0.1左右。     

硝铵／铝系复合推进剂的燃烧机理

研究了在硝酸铵（ＡＮ）系复合推进剂中添加高氯酸铵（ＡＰ）和铝时的燃烧特性．在ＡＮ系复合推进剂中添加ＡＰ时燃速增加，压力指数几乎不变．热分析结果显示，ＡＮ颗粒与ＡＰ颗粒分别独立分解．燃烧波的温度分布测量结果证明，由于添加ＡＰ，燃烧表面附近的气相温度梯度增大，从气相向燃烧表面的热流量增加．由于热流量的增加引起燃速增加．铝的燃烧效率随ＡＰ添加量的增加而增加，当ＡＰ添加量达４０％（ｗｔ）时燃烧效率急增．     

高能复合推进剂的燃烧机理——高能粘合剂的效果

研究证明，ＡＰ系复合推进剂的粘合剂中能量越高燃速也越高。在本试验压力范围内供试验用的推进剂出现燃烧中断，当粘合剂中ＡＭＭＯ含量为８０％以上时，在４ＭＰａ压力下燃烧中断，并有推进剂的绝热火焰温度越高燃速越高的趋势。推进剂的燃烧热显示，在粘合剂中ＡＭ－ＭＯ含量在８０％以下时，ＡＭＭＯ含量越多燃烧热越高，而燃烧热越高绝热火焰温度也越高。推进剂的燃烧热越高燃速也越高。已知叠氮化聚合物单体燃速的速率决定阶段是凝缩相反应，本研究证明，在ＡＰ系复合推进剂中从气相到燃烧表面的热流束影响推进剂燃速的速率决定阶段。