提高含硼富燃料推进剂能量的技术途径

为提高含硼推进剂的能量,在确定基础配方的情况下,采用热力学计算软件,计算了含硼富燃料推进剂的理论能量,讨论了提高含硼富燃料推进剂能量的技术途径。计算结果表明,当推进剂中其他组分含量一定时,增加硼含量、减少AP含量或以HTPB代替BAM O/THF黏合剂,可提高含硼富燃料推进剂的比冲。发动机试验结果表明,在配方中添加质量分数5%~8%的镁粉,推进剂的一次喷射效率大于98%,细粒度硼粉和F类化合物可以提高该推进剂的比冲,而添加F 3化合物可将比冲提高到9 502N.s.kg-1。     

Zr/Al基高能固体推进剂的能量特性分析

为探究锆粉含量对高能推进剂能量特性的影响规律,利用热力学计算软件CEA分析了不同锆含量的Zr/Al基NEPE推进剂和Zr/Al基叠氮高能推进剂的能量特性;通过计算这两种推进剂的燃烧温度、密度、比冲和密度比冲等能量特性参数,得到了锆含量对推进剂能量特性参数的影响规律,并将结果与ZrH_2/Al基高能推进剂进行对比分析。结果表明,随着Zr含量增加,NEPE推进剂的燃烧温度和比冲均呈下降趋势,密度比冲持续上升,但考虑推进剂的能量特性和高燃温条件下的不稳定燃烧,认为在推进剂中添加质量分数3%～5%的Zr粉较适中;随着Zr含量增加,叠氮高能推进剂的燃烧温度和比冲呈现先增后减的趋势,且分别在Zr粉质量分数为6%和3%左右达到最大值,推进剂密度比冲持续上升。ZrH_2/Al基推进剂的能量性能低于Zr/Al基推进剂的。     

3,3′-二硝基氧化偶氮呋咱的合成及性能

以3，4－二氨基呋咱为起始原料合成无氢含能化合物3，3′－二硝基氧化偶氮呋咱（DNOAF），利用IR、NMR、MS和元素分析鉴定了其结构。通过计算得出，DNOAF的标准生成焓为640kJ/mol，爆速D＝9390m/s，爆压Pcj＝40．5GPa。按照以20％DNOAF取代NEPE推进剂中的HMX计算，复合推进剂的比冲为269．2s^－1（以HNIW取代则为268．7s^－1）。     

呋咱含能化合物的合成及其衍生物反应研究进展

阐述了二肟脱水和氧化呋咱还原2种构建呋咱环的主要方法,以及氨基取代呋咱衍生物、硝基取代呋咱衍生物和氰基取代呋咱衍生物的反应;列举了几种典型的呋咱含能化合物如二硝基呋咱(DNF)、二氨基偶氮呋咱(DAAF)、3,4–双(4′–硝基呋咱–3′–基)氧化呋咱(DNTF)、呋咱醚类化合物(FOF–1,FOF–2,FOF–13)和稠环类呋咱含能化合物(MNOTO、4,5,9,10–四硝基–1,4,5,8–四氮杂氢化萘(2,3,–6,7)并双呋咱)的合成方法及性能。     

含团聚硼富燃料推进剂的能量特性及燃烧性能

用最小自由能计算程序计算了含硼富燃料推进剂的能量性能,探讨了不同压力时硼粉的质量分数对富燃料推进剂能量性能的影响,采用靶线法和化学滴定法研究了富燃料推进剂的燃烧特性和燃烧残渣中硼粉的燃烧效率。结果表明,随着硼粉含量的增加,推进剂的能量增大;大粒径的团聚硼对富燃料推进剂的燃速和压强指数影响较大,随着团聚硼含量的增加,推进剂的燃速提高;含硼富燃料推进剂中的硼粉燃烧后单质硼和硼化物的摩尔比发生了明显的变化,无定形硼粉经团聚后燃烧效率明显提高。     

不同压强下CL-20改性双基推进剂的能量释放规律

采用最小自由能法用REAL计算了不同压强下含CL-20、RDX、Al改性双基推进剂的比冲和燃烧温度,并分析了比冲随压强的变化规律。结果表明,随着压强的增加,推进剂在低压下比冲的提高幅度较大,高压下提高幅度较小。当压强由2.MPa增至4MPa时,含CL-20、CL-20/RDX、CL-20/A1改性双基推进剂比冲增幅大于6%;从18MPa增加到20MPa时,比冲的增值小于1%。与添加RDX相比,添加CL-20或Al后,推进剂在低压区的比冲随压强的增加增幅增大,说明添加CL-20或A1更有利于提高低压下推进剂的能量释放。     

含TKX-50推进剂能量性能及特征信号研究

为考察含TKX—50(1,1′—二羟基—5,5′—联四唑二羟胺盐)推进剂能量性能及特征信号,理论计算不同含量TKX—50分别取代硝胺炸药、AP(高氯酸铵)、Al时推进剂能量变化,通过理论及试验研究含TKX—50推进剂燃烧产物烟雾状况。结果表明:TKX—50取代硝胺炸药时,随TKX—50含量增加,推进剂密度及比冲均呈上升趋势;取代AP时,随TKX—50含量增加,推进剂密度呈下降趋势,比冲先上升后下降;取代Al时,随TKX—50含量增加,推进剂密度及比冲均呈下降趋势;随TKX—50含量增加,AP、Al含量降低,推进剂可见光透过率、红外光透过率、激光透过率均呈上升趋势,从而在保证能量的同时可降低推进剂特征信号。     

3,4-二氨基呋咱及其高能量密度衍生物合成研究进展

呋咱类化合物因能量密度高、综合性能好、可作为炸药和推进剂等广泛应用于军事领域.3,4-二氨基呋咱(DAF)作为重要的前体化合物,其大规模合成为呋咱类高能量密度衍生物的应用奠定了基础.本文首先介绍了DAF的合成工艺及其氧化机理,并综述了以其为中间体得到的氧化物、大环、长链和稠环化合物的国内外合成方法及性能,表明呋咱类化合物爆轰性能优良,具有潜在应用前景;但是,不少硝基取代或多呋咱环衍生物存在安定性差、感度高的缺点.据此,提出设计合成新型钝感高能呋咱衍生物是解决上述不足的有效方法;DAF的合成工艺研究及增大呋咱类化合物开发力度是未来的发展重点.     

AlH_3固体推进剂能量性能的理论研究

根据最小自由能原理,利用ramj能量计算软件研究了AlH_3对Al相对含量、CL–20(六硝基六氮杂异伍兹烷)对AP(高氯酸铵)相对含量和黏合剂体系增塑比等因素对AlH_3固体推进剂能量性能的影响规律。结果表明:当推进剂其他组分含量一定时,随AlH_3对Al相对含量的提高,推进剂的氧系数、理论比冲升高,但密度、燃温和燃气平均相对分子质量降低;随CL–20对AP相对含量的增加,推进剂的密度和理论比冲升高,但氧系数和燃气平均相对分子质量降低,燃温先升高后降低;随黏合剂体系增塑比的提高,推进剂的氧系数、密度、理论比冲、燃温和燃气平均相对分子质量均增加。在上述影响规律的基础上,通过系统计算,发现当推进剂配方的w(含能固体)为72%,黏合剂体系增塑比为2.8,推进剂理论比冲≥2 744 N·s/kg时,推进剂的密度随w(Al+AlH_3)的增加先增加后降低,并在w(Al+AlH_3)为19%时达到最大值1.759 g/cm~3。此外,提高配方含能固体含量或提高黏合剂体系增塑比可进一步提高推进剂的最大密度。     

含ADN推进剂的能量特性及综合性能

为研究含二硝酰胺铵(ADN)推进剂的能量、安全、贮存及燃烧性能,根据最小自由能原理计算了含ADN推进剂的能量特性参数,采用密闭爆发器及靶线法测试其爆热及燃速,并对其吸湿性及感度进行了研究。结果表明,含ADN/Al/HMX、ADN/Al/CL-20、ADN/AlH3/HMX和ADN/AlH3/CL-20推进剂的标准理论比冲分别为2 675~2 685、2 677~2 686、2 801~2 810和2 803~2 812N·s·kg-1,采用硝酸酯增塑的惰性聚醚黏合剂体系可制备出固化正常、结构致密的含ADN推进剂。随着推进剂配方中ADN含量的增加,推进剂的爆热、吸湿性、燃速和压强指数增大,摩擦感度和撞击撞击提高,密度略有降低。     

含1,1–二氨基–2,2–二硝基乙烯推进剂的能量特性参数计算研究

利用国军标方法及CAD系统软件,在标准条件(pc∶p0=70∶1)下,计算了含1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)的各类推进剂的能量特性参数,分析了氧化剂(AP、RDX、CL-20)及黏合剂(HTPB、PET、GAP、PBAMO)等成分对FOX-7推进剂能量特性的影响。结果表明,将AP加入HTPB/FOX-7推进剂配方中取代FOX-7可有效改善氧条件,有利于推进剂能量的提高。在黏合剂含量较低(质量分数<8%)的推进剂体系中,使用惰性黏合剂有利于提高推进剂的能量;而在黏合剂含量较高(质量分数>10%)的推进剂体系中,使用含能黏合剂提高推进剂能量的幅度优于惰性黏合剂,且GAP优于PBAMO。用FOX-7取代NEPE推进剂中的AP,推进剂最大理论比冲可达2 567 N.s/kg。由GAP/FOX-7/RDX组成的无烟推进剂,在很宽的范围内都可以达到2 400 N.s/kg以上的理论比冲值。     

纳米镍粉对Al-CMDB和CL-20-CMDB推进剂燃烧性能的影响

为了研究粒径为50nm的纳米镍粉(nano-Ni)对含Al改性双基(Al-CMDB)推进剂、含六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)改性双基(CL-20-CMDB)推进剂燃烧性能的影响,通过吸收-压延的方法制备了推进剂样品,用靶线法测试了推进剂的燃速,并计算了压强指数。通过电镜扫描、火焰照片、燃烧波、熄火表面形貌及元素分析和DSC分析了纳米镍粉对Al-CMDB推进剂燃烧性能影响的原因。结果表明,在Al-CMDB推进剂中加入nano-Ni可大幅度提高推进剂燃速,降低推进剂的压强指数;当加入质量分数0.7%的nano-Ni时推进剂10MPa的燃速达到35.59mm/s,8~20MPa压强指数从0.43降低至0.17,15~20MPa出现麦撒效应。在CL-20-CMDB推进剂中加入质量分数0.5%的nano-Ni能明显提高推进剂的中低压(4~10MPa)燃速,8~20MPa压强指数约为0.01,15~20MPa出现麦撒效应。     

含3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼盐推进剂的能量特性计算

为评价新型高氮化合物3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼盐(HDNAT)作为固体推进剂组分的应用潜力,采用NASA-CEA软件,在标准条件下(pc∶p0=70∶1),计算了含HDNAT的丁羟推进剂(HTPB)、聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂和改性双基推进剂(CMDB)的能量特性。绘制了HTPB/Al/AP/HDNAT推进剂(金属Al的最大质量分数为20%)的标准理论比冲Isp、特征速度C*、燃烧温度Tc、燃气平均相对分子质量Mw的等性能三角图。结果表明,HDNAT单元推进剂的比冲为2 533.0N·s/kg;在HTPB推进剂中,当HDNAT质量分数为50%时,Isp最大为2 658.0N·s/kg,较基础配方提高了326.6N·s/kg;在GAP推进剂中,当HDNAT质量分数为30%时,Isp最大为2 529.0N·s/kg,较基础配方提高了252.7N·s/kg;在CMDB推进剂中,当HDNAT质量分数为27%时,Isp最大为2 593.1N·s/kg,较基础配方提高了57.3N·s/kg。     

Effects of an Organic‐inorganic Nanocomposite Additive on the Combustion and Erosion Performance of High Energy Propellants Containing RDX

A nanocomposite microsphere consisting of solid paraffin, nano‐TiO₂, nano‐BN, zeolitic imidazolate framework‐67 particles and polymethyl methacrylate was prepared and applied as a functional additive for high energy propellants (with about 23 wt % RDX) to reduce the barrel erosion and improve its combustion performance as well. High energy propellants modified with the nanocomposite were manufactured by a solvent extrusion technique. According to the scanning electron microscope and differential scanning calorimetry results, there exists a good compatibility between the nanocomposite and propellant matrix. The energy and combustion performance as well as erosion of the modified propellants were studied by a closed bomb test and an erosion tube device, respectively. Results showed that compared with the unmodified propellant, both the erosion and energy performance of modified high energy propellant gradually decreased with the increase of nanocomposites contents. When the content of nanocomposites was 5.1 %, the erosion mass of the modified propellant reduced to 37.0 % while the propellant force only decreased 5.7 %, indicating that the nanocomposite has enormous ability to improve gun erosion resistance while barely affect energy performance of propellant. Furthermore, the closed bomb burning curves of the samples showed that addition of nanocomposites to propellant matrix could prolong the combustion time, efficiently inhibit the initial generation rate of combustion gas, and further achieve the progressive burning of the propellants.     

AP/Al/SMX/HTPB四组元推进剂能量特性的理论研究

采用推进剂性能评估软件(PEP),计算和比较了2,3-二羟甲基-2,3-二硝基-1,4-丁二醇四硝酸酯(SMX)和HMX取代高氯酸铵/铝粉/丁羟黏合剂(AP/Al/HTPB)推进剂中AP对配方能量性能的影响。用高温化学平衡计算代码模拟计算了AP/Al/SMX/HTPB和AP/Al/HMX/HTPB复合固体推进剂的能量和标准发动机工作过程。结果表明,与HMX相比,SMX能在更大的配比范围内提高HTPB推进剂的能量水平。在质量分数14%HTPB、18%Al的配方中,SMX能有效将推进剂的平衡流比冲提高到2 622.5N·s/kg,比HTPB三组元能量优化配方高27.5N·s/kg。在质量分数14%HTPB、15%Al的配方中,SMX取代AP后,比冲最高可达2 634.2N·s/kg,比HTPB三组元能量优化配方高39.2N·s/kg。在质量分数15%Al、HTPB质量分数为12%和10%的配方中,SMX质量分数可分别达到45%和65%;最高比冲可分别达到2 652.9和2 679.3N·s/kg,比HTPB三组元能量优化配方分别高57.9和84.3N·s/kg。在不含Al或Al含量很低的配方中,SMX可取代全部AP。     

储氢合金/AP/HTPB推进剂的热分解性能

采用TG-DTG、DSC以及动力学分析方法研究了储氢合金/AP/HTPB推进剂的热分解性能。结果表明,相对于Al/AP/HTPB推进剂,储氢合金/AP/HTPB推进剂的热分解温度降低,放热量提高;A20/AP/HTPB推进剂的凝聚相反应程度提高2.44%,第二、三温区的热分解活化能(Kissinger法)分别降低4.06%和22.63%;A30/AP/HTPB推进剂的凝聚相反应程度提高10.61%,第二、三温区的热分解活化能(Kissinger法)分别降低30.89%和38.87%。储氢合金对AP/HTPB推进剂的热分解有催化作用,并且该催化作用随着储氢合金中Mg0.45Ni0.05B0.5Hx含量的增加而增强。     

CL-20基高能低特征信号推进剂性能初探

开展了CL－20含量对推进剂能量性能、安全性能、燃烧性能的影响研究,研究结果表明：随着CL－20含量增加,推进剂理论比冲、密度、爆热增加,推进剂药浆、药块机械感度（冲击感度和摩擦感度综合考虑）增加,推进剂的燃速增加,含CL－20的推进剂配方的静态压强指数均低于不含CL－20的推进剂配方的压强指数。CL－20含量相同时,以NG／TEGDN为增塑剂的推进剂压强指数与以NG／BTTN的相当。     

Preparation and Properties of Boron‐Based Nano‐B/NiO Thermite

Boron particles have several major burning problems, such as incomplete combustion, poor ignitability, and a complex burning process in solid propellants. It is documented that the low ignitability and combustion efficiency of boron are caused by the oxidation of its surface. In order to improve the combustion efficiency of boron particles, a precipitation method was employed to prepare nanometer‐sized NiO and coat it on boron particles. The morphology and coating results of the B/NiO nanocomposite thermite were characterized using different approaches such as SEM, X‐ray Diffraction (XRD), and EDS. The results indicated that the boron particles were well distributed and coated completely by nanocomposite NiO. The B/NiO nanocomposite thermite reaction process was tested by TG‐DTA. The results showed that the reaction temperature of B/NiO particles is about 30 °C lower than that of boron particles. The B/NiO thermite and boron powder were added to Mg/PTFE propellant to be measured for their respective combustion performance. The results showed that the burning rate of the B/NiO‐Mg/PTFE propellant increased by 22.8–25.2 %, mass burning rate by 26.7–30.8 %, and combustion temperature increased by 8–56 °C compared to the B‐Mg/PTFE propellant. The above results indicate that NiO coating of boron particles has a significant effect on the combustion behavior and increases the combustion performance of the propellant compared with uncoated particles.     

CL-20/CMDB推进剂的宽温力学临界转变特性

采用螺压工艺制备了不同CL-20含量的高能复合改性双基推进剂(CL-20/CMDB),分析了其微观形貌、密度及宽温力学性能,并通过热形变和低温冲击试验分析高、低温力学临界转变特性。结果表明,制备的CL-20/CMDB推进剂内部微观形貌良好,结构相对密实,力学性能优良,CL-20质量分数为45%的S-3高能配方推进剂,密度可达1.777g/cm³,-40℃断裂伸长率可达6.53%,50℃的抗拉强度可达2.08MPa,其高温热形变和低温冲击特性曲线在-40~50℃存在明显的突变现象,说明CL-20/CMDB推进剂在使用温度范围内存在高、低温力学临界转变;进一步通过外切线法来确定力学曲线中的临界转变点,则高固含量的S-3配方软化临界转变点温度(T_s)和脆化临界转变点温度(T_b)分别为42.06℃和-47.75℃。     

空气电弧等离子体作用下发射药的燃烧特性

为了研究发射药等离子体点火作用机理,用扫描电子显微镜研究了不同强度电弧放电等离子体揭示的3种制式发射药及新型ETPE发射药在等离子体作用后的燃烧表面变化规律,得到等离子体点火后发生燃烧反应的质量.结果表明,电弧等离子体输入电能对发射药的点火有着重要影响,随着输入电能的增加,参加反应的发射药质量逐渐增加.ETPE发射药燃烧表面与常规制式发射药燃烧表面有较大差别.发射药对电弧等离子体的相对敏感程度不同,双基发射药最强,ETPE发射药最弱.