饱和碳氢系固体推进剂的热分解与燃烧特性

探讨了使用新的饱和碳氢系粘合剂ＨＨＴＰＩ的推进剂与使用粘合剂ＨＴＰＢ系推进剂的热分解与燃烧特性。ＨＨＴＰＩ系推进剂产生热分解反应的温度比ＨＴＰＢ系推进剂的约低２０℃～３０℃。ＨＨＴＰＩ为吸热分解,而ＨＴＰＢ环化或交联反应显示出放热性。随着ＡＰ含量的增加,ＨＨＴ－ＰＩ系推进剂的放热量也增加,接近ＨＴＰＢ系推进剂的放热量。根据热分解与燃烧中断后表面物质分析可知,在热分解的初期阶段,首先是ＨＴＰＢ的双键急剧减少,同时大部分氨基甲酸乙酯键分裂,由于环化与交联反应而变为焦油状。另一方面,ＨＨＴＰＩ的特征是侧链甲基相连的第３级碳原子与主链中相邻的碳原子之间的键断开,变为液状。从火焰传播试验可知,用ＨＨＴＰＩ系推进剂时,ＡＰ含量少的试样,由于覆盖表面的液状聚合物的影响而不能持续燃烧,而接近最高装填密度的ＡＰ为８０％时可以持续燃烧,并可达到与ＨＴＰＢ系推进剂同样的火焰传播速度。     

含纳米金属粉高能推进剂热分解性能和燃烧火焰结构分析

对分别含有纳米铝粉、纳米镍粉的高能推进剂热分解性能和燃烧火焰结构进行了研究。结果发现,纳米铝粉、纳米镍粉随着温度的升高逐步改善推进剂的分解特性,纳米铝粉、纳米镍粉在推进剂中倾向于单个粒子燃烧,释放出热量改善高能推进剂燃烧效率。     

含球形硼粉CMDB推进剂的燃烧特性

用燃速测试、扫描电子显微镜(SEM)、光电子能谱仪(EDS)和单幅照相技术对比研究了含球形硼粉和Al粉改性双基推进剂(CMDB)的燃烧性能、熄火表面和火焰结构。结果表明:用等质量的球形硼粉替代Al粉,可降低推进剂燃速和凝聚相热分解的剧烈程度,同时推进剂压强指数增大,凝聚相热分解放热量减少,且其熄火表面上存在大量球形硼粉及其燃烧产物熔联、凝聚形成的球状物。     

ZrO2和ZrB2在螺压双基推进剂中的应用

研究了ZrO2和ZrB2对螺压NC/NG/炭黑和铜盐/铅盐/其它助剂(57.0/33.0/0.7/2.0/7.3)混合物制成的双基推进剂燃烧性能的影响,用稳态燃烧火焰照片和燃烧区温度波分布揭示了它们的作用机理。结果表明,分别采用ZrO2和ZrB2代替部分铅铜催化剂后,推进剂7 MPa下的燃速最大可增加73%和41%,其低压燃烧平台移向7 MPa以上,并拓宽至13 MPa。并且随着ZrO2和ZrB2粒度的减小,催化推进剂的燃烧速度增大,表明ZrO2和ZrB2对螺压双基推进剂的燃烧有良好的催化效果。     

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。     

镁铝金属粉对含硼富燃推进剂燃烧性能及硼氧化效率的影响

为了确定镁铝金属粉对含硼富燃推进剂燃烧性能和硼氧化效率的影响,用靶线法测定三种配方含硼富燃推进剂在0.5,1.0,1.5 MPa三种压力条件下的燃速,采集相应的燃烧残渣,用化学分析法测定了三氧化二硼(B2O3)和总硼(B)含量,计算出硼的氧化效率。实验结果表明,镁粉含量对推进剂燃烧性能有明显影响。推进剂中B的含量为30%,并固定其他组分,金属粉含量为6%,改变镁粉和铝粉比例,镁粉0%,3%,6%,相应铝粉为6%,3%,0%。当镁粉含量较高时,推进剂燃速较高,压力指数也较高;镁粉含量低时,燃烧残渣中B2O3含量较高,而镁粉含量高时,燃烧残渣中B2O3含量较低;且随着压力的增高,残渣中B2O3的含量降低;硼的氧化效率随镁含量的增高和压力升高而降低。镁粉可抑制硼的氧化反应,使硼氧化效率降低,提高推进剂燃速和压力指数。     

底排点火药配方设计与性能测试研究

根据底排点火具的工作环境,利用热力学计算软件CEA2设计了5种点火药配方,测量了这5种配方的燃烧速度、火焰大小、燃烧温度、放热量,进行了半密闭爆发器实验,比较了几种配方的燃烧性能.结果表明:氧化剂含量在45%时,点火药燃烧时有较高的燃烧温度和放热量;以硝酸钾为氧化剂的配方燃烧时的火焰面积和放热量大于以硝酸钡为氧化剂的配方.适合于底排弹点火用的烟火药剂较优配方是:硝酸钾、镁粉、锆粉、氟橡胶的质量比为45:30:25.5.     

含能纤维素凝胶推进剂体系燃烧特征与稳定性

以羧甲基纤维素甘油醚硝酸酯(CMNGEC)为含能胶凝剂,通过配方设计,得到多组分凝胶推进剂体系。采用平板燃烧测试、热重-微商热重和差示扫描量热法,高速离心稳定性实验分析了新型凝胶推进剂体系的燃烧火焰特征、燃烧残渣量与体系稳定性。结果表明,CMNGEC凝胶推进剂体系燃烧具有周期性的膨胀、破裂、喷射及胶凝剂燃烧四个过程,燃烧残渣比Si O2凝胶推进剂体系少,其热分解可分成液体组分挥发、CMNGEC热分解和高氯酸铵热分解三个阶段。当CMNGEC胶凝剂含量达到3%,凝胶推进剂体系在670,2000,7000 g高速离心30 min条件下稳定,液体析出率均小于1%。     

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。     

燃料组分对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

对含不同金属添加剂(镁、铝及镁铝合金)、不同硼粉粒度及硼粉含量的含硼富燃料推进剂分别进行了爆热(Qv)、燃烧温度(Tf)和成气率(η)测试,对比研究了金属组分对含硼富燃料推进剂燃烧性能的影响。结果表明:镁比铝能提高含硼富燃料推进剂的爆热值、燃烧温度和成气率;镁铝合金比镁更能降低含硼富燃料推进剂爆热及燃烧温度,且提高推进剂燃烧的成气率;当硼粉粒度较粗或较细时,含硼富燃料推进剂的爆热及燃烧温度均较高,而成气率较低,硼粉粒度适中时,推进剂的爆热值及燃烧温度均较低,而成气率较高;硼粉含量增大(氧化剂AP的含量减小),含硼富燃料推进剂的爆热、成气率均降低,而燃烧温度升高。     

底排点火具在大气中燃烧火焰扩展特性

底部排气弹射程和纵向密集度与点火具的工作性能密切相关。采用高速录像系统和红外热像仪研究了大气环境中,镁/聚四氟乙烯(MT)(Mg/PTFE 45/55、Mg/PTFE 55/45、Mg/PTFE 61/39)、硝酸钡(Ba(NO_3)_2)和氢化锆/氧化铅(ZrH_2/PbO_2 40/60)五种点火药剂在不同点火具孔径(6.5,8mm)下的燃烧扩展特性,并测得七种点火具的火焰温度场分布。在实验基础上,以基于内节点的有限体积法对MT点火具的燃烧射流场进行三维数值模拟,分析了不同MT质量比和点火具孔径下点火具在大气中的燃烧特性参数分布规律。实验和数值结果表明:ZrH_2/PbO_2点火具会破坏底排推进剂的"平行层"燃烧规律;提出以点火面积有效因子表示推进剂点火面积的有效程度,并结合点燃时间综合评估点火具的点火性能,发现MT质量比为61∶39,孔径为8mm的点火具性能最优;点火具火焰最高温度区均位于喷孔的势流核上方;镁质量分数为0.45~0.61时,镁含量越小,MT点火具燃烧场中火焰温度越高,镁含量一定,点火具孔径为6.5,8mm时,较大孔径有较强烈燃烧场热对流,较高中心轴向温度,较大温度梯度。     

镁基储氢材料对AP/Al/HTPB复合固体推进剂性能的影响

用差示扫描量热仪（DSC）研究了镁基储氢材料（Mg2NiH4,Mg2Cu—H和MgH2）对高氯酸铵（AP）及AP／Al／HTPB复合固体推进剂热分解性能的影响。结果表明,含量5％的镁基储氢材料对AP热分解过程具有明显的催化促进作用。含量1．3％的镁基储氢材料可以降低AP／Al／HTPB复合固体推进剂热分解过程的热分解温度,使分解热明显增加,表现出显著的增强促进作用。燃速测定结果表明,在8MPa下,含量1．3％的Mg2 NiH4,Mg2Cu—H和MgH2可以分别使AP／Al／HTPB复合固体推进剂的燃速提高3．5％、14．4％和13．9％。镁基储氢材料对AP和AP／Al／HTPB复合固体推进剂热分解的作用效果与其含氢量有关,MgH2的含氢量大,作用效果好。镁基储氢材料主要通过催化AP／Al／HTPB复合固体推进剂中AP的热分解,表现出对AP／Al／HTPB复合固体推进剂热分解具有较好的催化效果。     

一种含能硝基化合物对低燃速低燃温双基推进剂性能影响

为进一步降低低燃速低燃温双基推进剂的燃速、燃温,对一种含能硝基化合物的降温、降速效果进行了实验研究,设计了系列含无机铅盐、有机铜盐及过渡元素金属催化剂的双基配方。通过燃速测试及高压差示扫描量热法(PDSC)研究上述推进剂的燃烧性能和热分解特性。含该硝基化合物的推进剂DSC曲线呈三峰放热,放热峰峰温分别在200℃、280℃、350℃左右,第三峰不明显。结果表明:该含能硝基化合物能有效降低推进剂的燃速、燃温,但使推进剂的压强指数增大,而加入催化剂能改善推进剂的燃烧性能,使压强指数降低,分解放热量也降低。     

环境氧含量和压力对铝镁贫氧推进剂燃烧性能的影响

为研究不同海拔处大气氧含量(氧体积分数)变化对铝镁贫氧推进剂燃烧特性的影响,采用激光辐射点火,使用高速摄影仪记录推进剂的点火与燃烧过程,并利用红外测温仪测量推进剂的表面温度及火焰温度,研究了环境氧含量与压力对推进剂的点火过程、火焰温度和燃速的影响。结果表明,环境气体氧含量高于推进剂热解产物中氧含量时,点火气相化学反应主要发生在推进剂热解产物与环境气体的扩散区,初现焰远离推进剂表面,但随着压力增加,扩散区与推进剂表面之间距离减小;火焰温度与环境氧含量和压力线性正相关;压力与环境氧含量增加时,铝镁贫氧推进剂燃速增加,压力和环境氧含量对铝镁贫氧推进剂燃速的影响符合B数理论,压力是影响推进剂燃速的主要因素,但随着压力增加,压力对燃速的影响相对减小,压力从0.1 MPa增加到1.5 MPa时,压力和环境氧含量的燃速敏感系数比从200下降到40。     

降低丁羟高燃速推进剂机械感度研究

为了降低丁羟高燃速推进剂机械感度,考察了液体二茂铁燃速催化剂(EMT)含量、氧化剂高氯酸铵(AP)粒径及配比等对丁羟高燃速推进剂机械感度的影响,并通过差示扫描-热重(DSC-TG)热分析研究了AP/EMT体系热分解特性与机械感度的相关性。结果表明,细AP含量增加或细AP粒径减小时,推进剂药浆的摩擦感度和撞击感度均呈增加趋势;EMT提高了AP的高温分解反应速率常数和分解热,是含EMT的高燃速推进剂机械感度升高的微观原因,降低EMT含量,可以降低推进剂的机械感度;胺盐类降感剂GZJ-01和导电态聚苯胺降感剂DBJ-01对降低丁羟高燃速推进剂的机械感度无协同效应;细AP包覆和采用铜盐燃速催化剂(GRCJ)取代EMT均可以降低丁羟高燃速推进剂的机械感度。     

碳纳米管(CNTs)对Al-CMDB推进剂燃烧性能及力学性能的影响

为了研究碳纳米管(CNTs)对含Al改性双基(Al?CMDB)推进剂燃烧性能和力学性能的影响,采用吸收?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;测试了推进剂样品在高低常温时的拉伸强度及延伸率。通过扫描电镜、火焰照片、燃烧波、熄火表面形貌及元素分析和DSC分析了碳纳米管影响Al?CMDB推进剂燃烧性能的原因。结果表明,在Al?CMDB推进剂中加入0.7%碳纳米管在6～20 MPa可提高推进剂的燃速,其中6 MPa下燃速提高最多,为4.98 mm·s~(-1);6～20 MPa下压强指数从0.57降低为0.45。管径10～20 nm的碳纳米管能提高Al?CMDB推进剂高低常温的拉伸强度及延伸率。碳纳米管对推进剂的热分解峰温影响不明显,但可使推进剂分解放热量增加。     

镁/聚四氟乙烯红外诱饵剂燃烧速度的计算

分析了镁／聚四氟乙烯红外诱饵剂燃烧的过程与控制步骤,建立了燃烧模型,确定了燃烧速度的计算方法;根据分析结果可知,聚四氟乙烯气化分解和分解产物向熔化的镁内部扩散决定着药柱的燃烧速度;根据计算结果可知,在聚四氟乙烯粒度远小于镁粒度的条件下,燃烧速度随着镁粒度的减小和比表面积的增大而提高;最后利用实验对计算结果进行了验证。     

ETPE发射药与RGD7硝胺发射药燃烧性能及热行为的对比研究

用密闭爆发器实验、差示扫描量热法(DSC)和扫描电子显微镜(SEM)研究了3,3-二叠氮甲基氧丁环/3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环(BAMO/AMMO)基含能热塑性弹性体(ETPE)发射药和RGD7硝胺发射药的燃烧性能及热行为。结果表明:与RGD7硝胺发射药相比,ETPE发射药燃烧时间较长,燃速较低,燃速压力指数n大于1,而RGD7硝胺发射药燃速压力指数小于1。对于RGD7硝胺发射药,RDX的熔融吸热峰(204.8℃)不明显,且分解放热峰(240℃)滞后于硝化棉/硝化甘油(NC/NG)(194℃),而ETPE发射药中poly(BAMO/AMMO)分解温度(263℃)高于RDX(240℃)。ETPE发射药和RGD7硝胺发射药的不同燃烧性能归因于发射药中主组分的不同热行为。     

铝粉粒度对含铝推进剂燃烧特性的影响

研究了铝粉粒度对焦点铝推进剂铝粉凝聚行为和燃烧速度的影响，实验和理论分析表明：增在铝粉粒度有利于减小铝粉凝聚程度，而小粒度的铝粉可以改善其点火与燃烧特性。另外，由于铝粉粒度对推进剂燃面的热效应影响，在低燃速推进剂中随铝粉粒度增大燃速降低；在高燃速推进剂中随铝粉粒度增大燃速升高；所以，合理使用铝粉粒度对研制固体推进剂主是至关重要的