HEDM作为固体推进剂组分的评价(Ⅰ):几种环状硝胺的计算研究

对近几年新合成的几个环状硝胺化合物的能量性能进行了计算分析,并与HMX作了比较,提出了评价其作为推进剂组分潜力的方法.初步分析结果表明,BCSDX和HNIW具有高能量密度的特点,是比较有希望的高能量密度材料.     

催化硝胺推进剂的热化学分析

研究了催化刑对HMX复合推进剂的作用部位和模式。加入硬脂酸铅(PbSt)后,推进剂燃速急剧增加。此种燃速增快现象类似于催化双基推进剂,即所谓的“超速燃烧”现象。仅当粘合剂本身氧含量较高时,HMX的超速燃烧现象才会发生。但HMX本身的燃速并不随PbSt的加入而增加。PbSt影响粘合剂的热分解过程,并在燃烧表面上产生含碳物质,喷射至气相的气体产物也由于催化剂的加入而发生变化。这时气体物质量的比接近于化学计量比,因而反应速率很可能增加。反应速率的增加又使反馈至燃面的热流量增大,并使推进剂燃速增加。     

高氯酸铵/硝胺复合推进剂中主氧化剂地位的确定

本文提出了高氯酸铵/硝胺复合推进剂在燃烧性能方面存在主氧化剂的概念,并利用建立的燃烧模型,从氧化剂燃烧单元对燃面能量的贡献,扩散距离的不同求解方法对燃速和压力指数计算结果的影响,以及硝胺含量与推进剂压力指数的关系三个方面探讨了确定主氧化剂的方法。经过分析,得知主氧化剂对推进剂燃烧性能起着重要影响,因此,调节高氯酸铵/硝胺推进剂燃烧性能的方法与调节只含主氧化剂推进剂燃烧性能的各种方法相同。     

HMX/RDX粒度对硝胺推进剂高低压燃烧特性的影响

采用水下声发射法测试推进剂药条不同压强下的燃速,按维也里公式r=bpn计算某压强段的压强指数n,研究了含不同粒度HMX、RDX的硝胺推进剂高低压燃烧性能。结果表明,在低压段(3~9 MPa),无论粒度大小,相对无硝胺推进剂配方,n值均降低;在高压段(15~20 MPa),推进剂n值与硝胺粒度呈指数关系,粒度越小,n值越低;含硝胺的推进剂存在一个压强点,其与硝胺粒度有关,低于该压强点时推进剂燃速是细粒度硝胺高于粗粒度硝胺的,高于该压强点则反之;对20 MPa下,推进剂燃速与硝胺粒度呈非线性二项式关系,粒度越大,燃速越大。     

催化剂对含细粒度HMX的硝胺推进剂高低压燃烧特性的影响

用水下声发射法测试推进剂药条不同压强下的燃速,按维也里公式r=bpn计算某压强段的压强指数,研究了催化剂辛基二茂铁(T27)、炭黑(C)和铬酸铅(Pr)不同含量及其复合使用对含细粒度HMX的硝胺推进剂高低压燃烧性能影响。结果表明,随着T27含量的提高,推进剂燃速相应提高,T27降低高压段压强指数,在低压段反而增大;C、Pr对推进剂的高压燃速影响不明显;随着C含量的增加,低压段压强指数降低,高压段先增加后降低,降低效果非常明显;Pr使低压段压强指数稍有降低,高压段压强指数反而升高;T27、C、Pr催化剂复合使用对高低压燃速无协同效应,对降低低压段压强指数无协同效应,在对降低高压段压强指数,具有协同效应,高压段压强指数可降低为0.359 9。     

铅盐、铜盐及其碳黑复合物对叠氮/硝胺推进剂燃烧性能的影响

研究了LA铅盐、GT铜盐及其碳黑复合物对硝胺/叠氮推进剂燃烧性能的影响。结果表明：GT铜盐可提高叠氮/硝胺推进剂的燃速,质量分数1%的GT铜盐能提高推进剂燃速1.5～2.4 mm/s;LA铅盐、GT铜盐及其碳黑复合物可降低叠氮/硝胺推进剂压强9～19 MPa下的压强指数,推进剂中加入质量分数3%的该复合催化剂,压强9～...     

近红外光谱测定NEPE胶组分含量

研究了近红外光谱测定NEPE胶中硝化甘油、丁三醇三硝酸酯、聚乙二醇含量的方法,采用相关系数、显变分析、间隔偏最小二乘法、遗传算法等方法选择波长,对相关实验条件和影响因素进行了研究.实验结果表明,数据平移处理可以有效改善样品吸光度与浓度之间的相关性;遗传算法选择波长优于相关系数法和间隔偏最小二乘法,显变分析不适合于本项研究;近红外光谱法快速测定NEPE胶组分含量的结果与标准分析方法的测定结果一致,两者相差小于1%;水分含量的变化、正常加热操作对NEPE胶组分含量测定的影响不明显.     

固体推进剂空隙含量的体积模量测定

本研究采用体积压缩系数测量来确定固体推进剂中因气体逸出而导致的内部空隙含量(空隙区)的变化。而且测定了复合改性双基(CMDB)、交联双基(XLDB)和硝酸酯增塑聚醚(NEPE)三种推进剂体内空隙形成的速率。发现在400mm立方体内空隙含量和体积压缩系数,同用X—射线的检查结果具有良好的一致性。在这三种推进剂中,采用70和80℃下的高温贮存来加速空隙的形成。其中CMDB推进剂显示出最高的空隙形成速率。最后,探讨了断裂力学在空隙形成研究中应用的最新进展。     

用详细化学动力学机理模拟固体推进剂组分燃烧的研究进展

针对未来固体推进剂燃烧模型的发展趋势,综述了近年来国外以详细化学动力学机理为基础建立的固体推进剂燃烧模型,并介绍了相关的理论公式和数值求解方法。模型可计算的燃烧特性参数包括燃速、压强指数、燃速温度系数、物种曲线、温度曲线、表面温度和火焰温度等。目前,模型已涉及到的物质包括硝胺类(RDX,HMX,CL-20,HNF)、叠氮类(GAP,BAMO,AMMO)、硝酸酯类(NG,NC,BTTN,TMETN,DEGDN)和硝酸盐类(ADN,AN)等。模型计算结果表明,预测的燃烧特性值与实验值比较一致,证明该机理可预测先进固体推进剂的燃烧特性和指导配方设计。但目前该类模型的主要局限是凝聚相内化学反应路径和反应速率以及凝聚相初生物种的确定问题。     

分子动力学及热分析方法研究CL-20与推进剂主要组分的相互作用

采用分子动力学模拟(MD)计算与差示扫描量热法(DSC)相结合,研究六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)与推进剂主要组分间的相互作用,用理论键长变化趋势分析实验结果。分子动力学模拟计算键长变化趋势结果表明,CL-20与黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)混合体系的引发键N—NO2键最大键长Lmax随温度升高显著的单调递增,且当CL-20与RDX、HMX共混后,键长普遍增大,更容易断裂分解;而CL-20与硝化棉(NC)、硝化甘油(NG)共混后各个键长均与单质状态下存在时的键长相比变化不大,一些键长均小于其单质状态下存在时的键长,推测CL-20与NG、NC键混合后稳定性较好,不易发生键的断裂分解。DSC结果表明,CL-20与RDX和HMX之间在大于156℃的较高温度条件下存在强烈的相互作用,CL-20与NG、NC之间没有明显的化学作用。     

气体浓度检测仪在推进剂检测中的应用

论述了气体浓度检测传感器类型和检测仪原理,介绍了检测仪设计方法.结合发动机试验,说明检测仪在推进剂运输、储存、试车等各环节的用途.     

固体火箭发动机模态分析中的推进剂建模研究

应用有限元软件Marc建立了某固体发动机有限元计算模型，对其中难以用有限元模型准确描述的推进剂，采用了两种简化建模方法。一种是仅仅考虑推进剂质量，忽略其刚度等属性，将推进剂简化为均匀附加在发动机壳体有限元模型节点上的集中质量；另一种是将推进剂作为几何实体，考虑其质量和刚度，建立推进剂实体模型。模态计算结果与试验比较表明：推进剂的壳体节点集中质量模型，能较好地模拟发动机的弯曲特性，由于忽略了推进剂刚度，对于呼吸振动特性的模拟不太理想；相比之下，推进剂的实体模型，由于同时考虑质量和刚度，对弯曲和呼吸振动特性的模拟较好一些。计算还表明，要逼近高阶振型，需要将推进剂弹性模量修正得更高一些。     

高能硼氢燃烧剂与固体推进剂常用组分相容性的DSC法研究

采用差示扫描量热法(DSC)和表观活化能变化率,研究了高能硼氢燃烧剂(十氢十硼酸双四乙基铵,BHN)与缩水甘油叠氮聚醚(GAP)、黑索今(RDX)、奥克托金(HMX)、3-硝基-1,2,4-3-己基铅(NTO-Pb)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、铝粉(Al,12.18μm)、镁粉(Mg,200～325目)、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)和N-脒基脲二硝酰胺盐(GUDN)等含能组分的相容性;同时,还研究了BHN与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,M=6 000)、聚乙二醇(PEG,M=10 000)、二异氰酸酯(N-100)、端羟基聚丁二烯(HTPB)、己二酸铜(AD-Cu)、2,4-二羟基苯甲酸铜(β-Cu)、邻苯二甲酸铅(φ-Pb)、炭黑(CB)、三氧化二铝(A12O3)、l,3-二甲基-1,3-二苯基脲(C2)、癸二酸二异辛酯(DOS)和高氯酸钾(KP)等惰性材料的相容性。研究结果表明,BHN与NTO-Pb、CL-20、A1、Mg、PET、PEG、N-100、HTPB、CB、Al2O3、C2、DOS和KP相容性较好,与GAP和HMX轻微敏感;AD-Cu、β-Cu和φ-Pb敏感,而与RDX、DNTF和GUDN不相容。由此可见,BHN与固体推进剂的主要组分相容性良好,可在HTPB/AP/Al体系的复合固体推进剂中应用。     

NEPE推进剂粘接界面迁移组分定性分析

应用气相色谱-质谱(GC-MS),采用不同的色谱实验条件,用二氯甲烷萃取,对NEPE推进剂/衬层/绝热层ф25 mm圆柱标准粘接试件粘接界面不同沸点的迁移组分进行了定性分析研究。研究结果表明,推进剂中迁移组分主要有增塑剂硝化甘油(NG)、丁三醇三硝酸酯(BTTN)、稳定剂AD和燃速催化剂辛基二茂铁(ODCI),这些迁移组分可向衬层和绝热层迁移;衬层中迁移组分为增塑剂癸二酸二辛酯(DOS),该组分只向绝热层迁移,不向推进剂中迁移。     

固体火箭发动机药柱点火过程结构可靠性的响应面法

结合响应面法与数值模拟方法,分析了药柱的结构动态可靠度。针对固体火箭发动机药柱有限元分析计算量大的问题,根据少量的试验点设计响应面,同时采用拉丁超立方(LHS)技术提高抽样效率,考虑药柱材料参数的随机性,引入极小化变换方法,计算了固体火箭发动机药柱结构的动态可靠度。结果表明,该方法精度较高、通用性强,能够满足工程应用的要求。     

固体火箭超燃冲压发动机补燃室构型的影响分析

针对不同补燃室结构参数对固体火箭超燃冲压发动机补燃室掺混燃烧性能的影响进行研究,分析各级燃烧室的长度与扩张角度对补燃室性能的影响。采用基于密度的二阶迎风格式对补燃室掺混燃烧进行模拟,湍流模型和燃烧模型分别采用SST k-ω模型和涡团耗散模型。结果表明,提高燃烧效率与降低总压损失是相互矛盾的;燃烧效率随燃烧室长度的增加而增大,随燃烧室扩张角度的增加而减小;总压恢复系数随燃烧室长度的增加而减小,随燃烧室扩张角度的增加而增大;一级燃烧室的结构参数对燃烧效率与总压恢复系数的影响最大。当补燃室的总长与出口面积一定时,以发动机的总体性能参数作为补燃室构型的优化目标,对一、二级燃烧室长度与一、三级燃烧室扩张角度进行优化。     

Recent progress in the prediction and analysis of the operation of solid rocket motors

The development of big segmented solid rocket motors during the nineties has been supported by an important progress in science and computational tools.

This progress is largely related to the solution of various technical problems in the design and processing of the propellant grains and their effect on the motor operation. It has been possible because of the enormous increase in the available computing power.

After a review of the main problems encountered (grain-flow coupling, motor trace shape prediction, pressure oscillations, slag deposit etc...) recent developments in modeling are described in two areas related to the analysis and prediction of motors operation. The first development couples the propellant surface burnback and pressure field computations during the whole operation of the motor: real tune geometry, pressure field and local burning rates are calculated in order to achieve a much more precise prediction of the motor trace. Pressure oscillations and instabilities are also predicted.

The second development is related to the influence of the process, through the rheology of the propellant on the combustion of the propellant. Rheology and particle segregation under shear may explain such effects as the so-called hump and knitlines effects. Experimental and modeling work in the field are described.