不同升温速率下AP/HTPB底排装置慢速烤燃的数值模拟

为研究在不同升温速率下高氯酸铵(ammonium perchlorate, AP)/端羟基聚丁二烯(tydroxyl-terminated polybutadiene, HTPB)底排装置的慢速烤燃特性,建立AP/HTPB底排推进剂二维轴对称非稳态传热模型和两步化学动力学反应模型。在不同升温速率下,分析底排装置的慢速烤燃响应特性。计算结果表明:在慢速烤燃的条件下,烤燃响应点发生在底排药柱与空气腔的接触面左侧,升温速率对底排药柱的着火延迟时间和烤燃响应点位置有较大影响。随着升温速率的提高,着火延迟时间变短,烤燃响应点向中心侧移动。升温速率对烤燃响应点的着火温度影响较小。     

主控提前点火对复合推进剂慢速烤燃响应的影响

为研究主控点火对复合推进剂慢速烤燃响应特性的影响,设计并开展了典型复合推进剂装药慢速烤燃实验,结合数值计算和推进剂热分解失重及形貌演化过程,探讨了点火前推进剂内的温度分布情况及推进剂细观结构热损伤规律。研究发现:针对复合推进剂装药的慢速烤燃,在推进剂发生自热点火前温度较低时进行主控点火可以有效降低反应剧烈程度;随着加热温度的升高,推进剂中部分组分发生分解,导致推进剂内部温度高于壳体温度,同时推进剂中粘结剂及AP的分解会导致推进剂装药形成多孔状的结构,在点火后更易导致对流燃烧,加剧反应烈度;当壳体温度仅138 ℃时,推进剂温度最高点达到150 ℃,最高点首先出现在靠近喷管的尾部,考虑到粘结剂及AP部分分解导致的孔隙结构会加剧反应的响应烈度,主控点火温度应设定在138 ℃以下。     

基于光学诊断的某新型含铝推进剂燃烧特性分析

为探究某新型含铝固体推进剂燃烧特性和规律,在模拟固体发动机的高压条件下,采用可调功率激光器结合高速摄影、发射光谱等光学诊断技术对该新型含铝固体推进剂开展了系统的点火及燃烧过程研究。通过对该推进剂的点火延迟、退移速率、燃烧温度以及团聚物颗粒尺寸的定量测量和分析,明确了该推进剂的点火延迟量级;证实此推进剂的退移速率严格遵循Summerfield燃速公式;判断出其最高燃烧温度高于3 300 K,且随压力增大而升高;通过对燃烧过程中发光凝聚相产物面积的量化分析得出推进剂产物中团聚物粒径尺寸受环境参数的影响规律。     

不同升温速率下复合药柱烤燃实验与数值模拟研究

为了研究不同升温速率下复合炸药JO-9159/JB-9014烤燃实验的热反应规律,建立了复合炸药的烤燃模型,利用有限元程序LS-DYNA3D对不同结构的复合药柱在烤燃过程中的热响应情况进行了数值模拟,并利用实验进行了验证,结果显示模拟结果可信。利用已建立的模型对5 K/h、3 K/min和10 K/min等3种不同升温速率下复合药柱烤燃过程进行了数值模拟,结果表明:升温速率和装药结构的不同对复合药柱的点火时间和位置有较大影响,随着升温速率的增大,点火时间变短,点火位置由药柱的中心处逐渐移至药柱的两端边缘,升温速率较小时,复合药柱的热安定性取决于内部高能炸药的特性,升温速率较大时,复合药柱的热安定性与单一钝感药柱性能近似。因此,只有在较大的升温速率下,钝感炸药内部嵌入高能炸药才能既提高整体药柱的威力,又保证其具有较好的热安定性。     

氧化性粘合剂夹层三明治推进剂模型细观燃烧数值分析

复合固体推进剂在细观层面上呈现准周期性阵列,取推进剂基本"胞元"建立周期性三明治模型,可简化细观结构建模,又能反映复合推进剂燃烧的本质特征(如异相界面、多重火焰相互作用等).由于实际推进剂中氧化剂颗粒的粒径分布较广,纯粘合剂三明治模型只能计算单尺寸氧化剂颗粒分布情形.本文采用隐式颗粒建模方法,引入氧化性粘合剂夹层三明治推进剂模型表征AP/HTPB双模推进剂,考虑细氧化剂AP颗粒对细观燃烧规律的影响.通过数值实验,分析氧化性粘合剂三明治模型的火焰结构与燃面型面、燃面特性及燃速特性,并与纯粘合剂三明治推进剂细观燃烧规律进行对比分析.     

高温下带金属壳PBX炸药低速撞击敏感性数值模拟

炸药撞击感度和热安全性是评价炸药安全性能的重要指标。为了对高温下炸药撞击敏感性变化规律进行可靠预测,本文中通过数值模拟,研究不同预加热温度下带壳PBX炸药装药在小弹丸低速撞击下的热力学响应,得到炸药点火前至点火阶段局部高温区的位置、形态、温度和应变随时间在炸药中分布的变化。结果显示,炸药发生点火的撞击阈值速度与烤燃温度的关系并非单一随温度升高而降低,而是在加热至348.15 K时达到最高;根据温度和应力应变云图分析可得,随着烤燃温度的提高,炸药强度下降,PBX炸药装药局部高温区快速升温的主导因素由局部剪切变为压缩。热软化对炸药的撞击敏感性起重要作用。     

基于UCM模型的B炸药慢烤泄压结构的作用分析

为了探究热刺激作用下泄压结构对熔铸炸药点火时间及点火前内部物理场变化的影响,设计了有/无泄压结构烤燃弹的内部多点测温慢烤对比试验。基于炸药通用烤燃模型（universal cookoff model, UCM）,建立了炸药熔化后受浮升力驱动流动,反应速率随压力、反应进程等变化的B炸药烤燃计算模型,对有/无泄压结构烤燃弹的炸药在升温过程中的温度场及内部压力变化等情况进行了数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明:慢烤条件下,烤燃弹内部压力呈先缓后急上升趋势;有泄压结构烤燃弹在结构作用前的压力变化趋势与无泄压结构的一致,泄压结构的作用会使炸药自热反应速率骤然降低,炸药内部温度下降,自热反应速率降低和产物气泡驱动的对流共同导致了点火时间的延后;由于对流的作用,炸药点火点都在弹体顶部区域。     

固体火箭发动机燃烧室光弹性分析

本文运用光弹性法研究了某型固体火箭发动机燃烧室内端燃型药柱和星柱型药柱两种形状的固体复合推进剂的残余应力场,测定了光弹材料的弹性模量、泊松比、线胀系数、材料条纹值和冻结温度,获得了光弹材料在压应力和温度应力下的等差线条纹图,分析了应力分布情况.     

冲击载荷下HTPB推进剂的热耗散

为了研究HTPB推进剂在冲击载荷下的能量耗散规律,结合分离式霍普金森压杆(SHPB)搭建了红外测温系统。该系统响应速度快,可同步获取冲击实验中HTPB推进剂表面的温度变化。结果表明,HTPB推进剂受载后表现出黏-超弹特性,并且在高速变形中试件经历了温度的显著升高。在黏-超弹性本构模型的基础上引入温度项,考虑了热软化效应,更加准确地描述了HTPB推进剂在高应变率变形下的热力学响应,可对复合固体推进剂在冲击载荷下的热力耦合分析提供参考。     

药量和升温速率对DNAN基熔铸炸药烤燃特性的影响

为了研究不同药量和升温速率条件下DNAN基熔铸炸药的慢速烤燃特性,自行设计了烤燃实验装置,采用多点测温烤燃实验方法,分别在1和0.055℃/min两种升温速率下进行了不同状态装药量的烤燃实验,分析了熔铸混合炸药的热反应特征。结果表明,装药量和升温速率共同影响烤燃弹的响应特性。相同烤燃弹在0.055℃/min升温速率下比在1℃/min升温速率下加热响应会更剧烈;烤燃弹的放置姿态及端盖厚度会影响烤燃弹的响应剧烈程度。     

B炸药慢速烤燃过程的流变特性

为进一步探究熔铸炸药在烤燃过程中内部各物理场的变化情况,以B炸药为研究对象,完整地建立了基于Bingham流体模型的B炸药黏度计算模型并应用于慢速烤燃的数值模拟。通过数值模拟得到了B炸药在整个升温过程中上中下3个内部测点处的温度变化曲线并以烤燃试验加以验证,观察了弹体内部温度场与对流场的变化特点。结果表明:升温速率为1 ℃/min时,B炸药相变后逐渐开始流动,内部的温度场分布也随之改变,炸药出现自热反应与最终响应的区域都在弹体上部;升温速率为0.055 ℃/min时,炸药相变后内部很长时间内仍表现出类固相温度场的分布特点,当炸药出现自热反应后,才逐渐开始流动,温度场也逐渐转变为典型的液相温度场,炸药最终响应点在弹体上部,但最早出现自热反应的区域在弹体中心。     

Numerical modeling of the processes within the combustion chamber of a solid propellant rocket engine during the stabilization of the design operation mode

Comprehensive numerical modeling of the processes occurring in the combustion chamber of a solid propellant rocket engine during the stabilization of the design operation mode is performed. The self-consistent problem considered includes nonstationary operation of an ignition device, warmup and ignition of a solid propellant charge followed by its nonstationary burning, nonstationary threephase homogeneous-heterogeneous flow of the combustion products in the combustion chamber, in the nozzle, and behind the engine nozzle unit, engine depressurization, and nozzle unit plug blowing-out. The results of the calculations are presented.     

含RDX四组元HTPB固体推进剂的冲击起爆特性研究

为了研究含RDX四组元HTPB固体推进剂的冲击起爆行为和在低温条件下的适应性,在常温和低温条件下,对该固体推进剂进行了冲击加载拉氏分析实验。采用锰铜压力计测量了推进剂中不同位置处的压力变化历程,采用电离探针测量了固体推进剂的爆速。分析了固体推进剂的爆轰成长规律,获得了推进剂的临界起爆压力、爆速、爆压和爆轰成长距离等爆轰特征参量。通过对比不同条件下的特征参量发现,低温对固体推进剂的冲击起爆特性影响较小。此外,还对固体推进剂的冲击起爆过程进行了数值模拟,标定了固体推进剂点火增长模型的反应速率方程参数和推进剂的未反应JWL状态方程参数。     

Ignition of solid propellants

At present, the study of solid-propellant ignition is of particular interest owing to the adoption of hybrid motors [1–3]. The status of experimental and theoretical research in this field can be evaluated on the basis of the rather extensive survey of American papers in [2]. It is noteworthy that a common deficiency in available references is the absence of exact ignition criteria; in most cases the propellant is assumed to have ignited when its surface temperature reaches a prescribed level (gasification temperature), or when the rate at which the temperature increases with time at the propellant surface is sufficiently high. Exact criteria for this rate, however, are not given. In this article, we present ignition criteria for solid propellants and these are based on a diffusion-burning model. It is shown that for a diffusion flame to exist above the propellant surface, two conditions must be satisfied simultaneously: 1) the propellant surface temperature must equal the gasification temperature for that propellant and 2) the temperature gradient at the surface must be smaller than some value which depends on the kinetics of the chemical reaction in the diffusion flame and on the rate of oxidizer input to the propellant surface during burning.Two ignition techniques are examined as examples: ignition by hot gases or radiant heat flow and ignition by means of an active film which reacts with a cold oxidizer; the film is applied to the propellant surface prior to ignition.     

???????????????·??????????????

依据膏体推进剂火箭发动机设计和膏体推进剂管道流动实验需求,提出了一种新型膏体推进 剂供给系统方案. 该方案以变频电机作为驱动力,螺杆/螺母、减速器等作为传动部件,可以 满足实验中对流量精确控制的要求. 利用该供给平台进行了膏体推进剂替代物-丁羟(端羟 基聚丁二烯)的管道流动实验,测得了压力与流量的关系曲线. 以非牛顿流体流动理论为基 础,分析了丁羟管道流动实验结果,得出的黏度数据与文献吻合,初步验证了该供给方案的 可行性以及原理性平台各项参数的正确性.