原子氢推进剂研究进展

与通常的氢氧发动机相比,采用原子氢推进剂可以使比冲提高几百秒。通过介绍运载火箭采用原子氢推进剂的发展前景、原子氢推进剂火箭的起飞质量和干重,以及原子氢推进剂火箭设计的最佳方案,在比较宽的混合比范围、固氢颗粒中原子态含量范围、液氦载体含量范围估算火箭发动机性能,可以得到混合比为0时,作为单元推进剂的火箭起飞质量最低。原子氢推进剂以其优良的比冲性能给航天运载器带来质的飞跃,但对低温技术提出挑战。     

含RDX的硝胺丁羟推进剂能量特性研究

采用最小自由能平衡流法对RDX/AP/Al/HTPB推进剂能量特性进行了理论计算。通过BSF165mm和BSF315mm发动机点火试验,研究了RDX含量、燃烧室压强对RDX/AP/Al/HTPB推进剂能量特性的影响规律。根据理论计算和发动机试验结果,对配方进行了优化设计,与某型号760mm全尺寸发动机的实测结果对比,其实测比冲高达2428.1N·s·kg-1(pc=6.86MPa),验证了RDX的加入对RDX/AP/Al/HTPB推进剂比冲有较突出贡献。     

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。     

推进剂组分及组分公差对火箭弹距离散布的影响

比冲散布是直接影响距离散布的一个主要因素，如何减小比冲散布呢？通过推进剂组分及组分公差对比冲散布的影响研究，本文提出了三种途径，一是极值配方法；二是公差调整法；三是综合方法。计算实际比冲所用软件可完成火箭发动机平衡流和冻结流性能参数的计算，其基本数学模型是Ｇｉｂｂｓ自由能或Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ自由能量小，并考虑了两相流损失、扩张损失、热损失、化学动力损失、边界层损失等对比冲的修正。     

固体推进剂装药的可靠性:力学模拟发动机的设计和试验

固体推进剂装药可靠性主要根据其力学特性进行评估。全尺寸推进剂装药的测试通常是困难的,费用也较高。本文提出了用一种特殊的、价格低的小尺寸发动机代替全尺寸发动机进行测试的新方案。这样就可以在类似推进剂装药(含88％固体CTPB)的条件下,测试推进剂的力学性能。在不同的载荷(由于温度循环和/或压力的原因)下,已经对许多模拟发动机进行了试验,并取得了试验结果。还进行了理论计算的初步分析。本文是固体装药结构可靠性分析的一部分,其他部分另文叙述。     

2000年固体推进剂的主要发展目标

根据未来战术火箭、导弹技术发展的趋势，认为低特征信号推进剂、钝感推进剂、触变（胶质）推进剂、单室双（多）推力发动机装药和多脉冲发动机装药等技术是２０００年固体推进主要发展目标。预计这些推进剂及装药的发展和应用将对未来的火箭导弹武器提高生存机动攻击能力及增大射程有明明的效果。     

A~3NPL推进剂的燃烧

在过氯酸铵(以下简称AP)系推进剂的燃气中,含有大量的酸性氯化氢(HCI)。降低燃气中的这种有害气体甚为必要。本文探讨了硝酸铵(以下简称AN)作为推进剂氧化剂的实用性。硝酸铵推进剂价格低廉,燃气中不含有害物质。AN系复合推进剂的缺点是比冲低,在理论上添加金属铝可以提高比冲。为了提高点火性能及燃烧效率,在本研究中还探讨了由AN、AP、AI组成的推进剂的燃烧特性。这种称为A~3 NPL推进剂的燃烧特性,可以借助AN、AP、AI的不同添加量来调节。小型火箭发动机的燃烧实验结果表明:(1)AN系复合推进剂中添加的AI在燃烧室内熔融成层状物附着于喷管内壁,不能完全燃烧,致使比冲下降;(2)用AP取代AN系复合推进剂中的部份AN,可以提高AI的燃烧效率和增加比冲,并大幅度减少燃烧产物中的酸性气体。     

再生冷却电弧加热发动机性能研究

采用再生冷却技术设计了一种新型电弧加热发动机。介绍了发动机的本体结构、实验系统、参数测量系统及小推力测量系统。采用氩为推进剂,在真空室中进行了发动机的性能实验。电弧加热发动机的比冲大约为1372～1764m/s,其比冲随流量的增大而减小,随功率的增大而增加;发动机效率大约为30%～57%,其效率随流量的增大而增大,随功率的增大而减小。     

含六硝基六氮杂异伍尔兹烷的NEPE固体推进剂能量水平分析

利用怀特最小自由能法和CAD软件对纯NEPE/CL-20与NEPE/HMX进行对比,其能量特性计算结果表明,当体系固含量为73%～80%时,含CL-20和HMX粘合剂体系比冲分别为2 561.1N·s/kg、2 462.1N·s/kg,前者比后者提高了近4%,而体系密度比冲的增幅相差更大,前者比后者提高7%以上,这对提高战术导弹射程有利.而从燃烧产物对比分析来看,CL-20在固体推进剂尤其是在高能低特征信号推进剂中很有应用价值.     

影响高氯酸铵复合推进剂压力指数的原因分析

为提高推进剂的比冲正在选用各种新型物质。这类物质的压力指数(r指数)较高,根据火箭发动机设计和稳定燃烧的需要,提出了控制压力指数的方法。用现有高氯酸铵系复合推进剂,就其组分和燃烧条件用实验和理论计算的方法,分析了影响压力指数的原因,并对其影响压力指数的程度进行比较。     

固体火箭发动机比冲估算及界面程序实现

依据某推进剂热力计算结果和基于FLUENT软件平台的固体火箭发动机燃烧室和喷管两相流流场仿真得到的相关参数,根据比冲计算的相关理论,利用MATLAB图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)软件编制了发动机比冲预估算程序,利用该程序对某型号固体火箭发动机的比冲进行了预估。预估结果与实验值对比表明,该程序可以对发动机比冲进行较准确和快速的估算。     

低冰点推进剂对液体火箭发动机性能影响研究

针对低冰点推进剂在液体火箭发动机性能研究中的重要性,对使用MON25/DT3组合的低冰点推进剂液体火箭发动机的启动过程及稳态过程进行研究.建立了发动机系统的数学模型,采用Matlab/Simulink构造系统的仿真模型.根据仿真结果比较和分析了不同初温的推进剂对燃烧室压强、发动机比冲和推力等各方面性能的影响,得出了这三个参量与推进剂初温的拟合关系式.     

基于AP预处理技术的粉末推进剂性能

为了提高高氯酸铵(AP)粉末推进剂的长期贮存性和高效燃烧性,利用预处理技术对AP粉末进行包覆团聚,改善其表面特性。采用吉布斯最小自由能法计算Al/AP粉末火箭发动机的能量特性,利用预处理实验分析端羟基聚丁二烯(HTPB)对AP粉末的装填密度、吸湿性能和热分解特性的影响,并进行密闭燃烧器点火实验,研究氧燃比和装填量对Al/AP粉末推进剂能量特性参数的影响规律。结果表明:AP的最佳预处理材料配比为添加10%HTPB,且在氧燃比为3∶1时,Al/AP粉末火箭发动机的理论比冲最高达262.1s;一定范围内,随着氧燃比的增加,粉末推进剂的能量特性参数均有所增加;在氧燃比相同条件下,单位质量粉末推进剂成气量基本相同,随着粉末装填量的增加,燃温和特征速度均有所提高。     

基于喷管结构参数公差的纵向距离散布

比冲是评价固体火箭发动机能量特性的综合因子,其与固体推进剂配方组成及发动机设计参数有关,对射程具有较大的影响。该文结合某远程TG-300发动机结构参数,针对喷管喉径、扩张半角和膨胀比的制造公差,研究了这些参数对比冲散布及纵向距离散布的影响。结果表明,喷管喉径制造公差对比冲的影响相对较大,扩张半角次之,膨胀比的制造公差对比冲影响较小; 这些公差应当在加工过程中合理控制。该文所得结果可对固体火箭发动机结构设计提供参考依据。     

含2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐的推进剂能量特性计算

采用最小自由能法,在标准状态下(膨胀比为70/1),计算了含2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐(HADNMNT)的丁羟复合推进剂和改性双基推进剂的能量特性。理论计算可知,HADNMNT单元推进剂的密度比冲为4936.4 N·s·dm-3,高于黑索今(RDX),低于奥克托今(HMX)和六硝基氮杂异伍兹烷(CL-20);利用HADNMNT完全取代高氯酸铵(AP)后,丁羟复合推进剂的比冲提高了428.7 N·s·kg-1;绘制了HADNMNT与RDX、Al组成的丁羟复合推进剂的等比冲三角图,直观的反映了比冲与配方的关系,HTPB、HADNMNT、RDX及Al的含量分别为10%、60%~62%、14%~16%以及14%~15%时,获得推进剂的最高理论比冲为2778.9 N·s·kg-1。利用HADNMNT完全取代RDX后,改性双基推进剂的比冲为2522.9 N·s·kg-1:通过添加Al并调节HADNMNT与Al在改性双基推进剂中的含量,获得推进剂的优化配方为:NC 25%,NG 33%,HADNMNT 11%,Al 20%,DINA 3.5%,其他助剂7.5%,其理论比冲为2598.5 N·s·kg-1。     

固体火箭冲压发动机无喷管助推器性能分析

采用一维准定常方法,对整体式固体火箭冲压发动机的无喷管助推器内弹道进行了计算.计算结果表明,随着燃面的推移,燃烧室压强下降很快,而推力增大;助推器比冲偏低;对于高燃速固体推进剂,燃速沿通道降低,固体装药通道燃烧成先收缩再扩张的形状.     

含5-氨基四唑硝酸盐(5-ATEZN)推进剂的能量特性

利用最小自由能法,在标准条件(燃烧室压力pc:喷管出口处压力pe=70∶1)下,计算了含5-氨基-四唑硝酸盐(5-ATEZN)推进剂的能量特性。结果表明,5-ATEZN单元推进剂的比冲为2371.38 N·s·kg-1,与黑索今(RDX)及奥克托今(HMX)单元推进剂接近,且5-ATEZN的氧平衡(-10.8%)远高于RDX及HMX。用5-ATEZN取代粘合剂端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂中的高氯酸铵(AP)和RDX时,推进剂比冲和特征速度均降低;而用5-ATEZN取代GAP推进剂中的AP时,推进剂比冲和特征速度随5-ATEZN含量增多呈抛物线形变化,最高比冲可达2580.62 N·s·kg-1,与原配方相比提高17.93 N·s·kg-1。同时由于5-ATEZN不含氯元素,对降低推进剂的特征信号十分有利。因此,用5-ATEZN取代适量AP是实现GAP(聚叠氮缩水甘油醚)推进剂高能化和少烟化的一个可行途径。     

基于概率神经网络的自行火炮发动机状态监控系统

为有效发挥自行火炮发动机效率,减少对发动机寿命的影响,建立了自行火炮发动机状态监控模型。分析了概率神经网络结构和训练算法,以某型底盘所采用的12150L型发动机为例,选取发动机状态监控有效性指标,通过多种状态数据的引入和量化,评测发动机实时工作情况。结果表明:该模型能成功对故障进行分类,分类速度快,能有效进行自行火炮发动机状态监控,进一步提高状态监控准确率和实用程度。     

GAP/NC交联改性双基推进剂能量及烟雾特性计算研究

利用推进剂能量特性计算程序,计算了以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)改性单基球形药为粘合剂的GAP/硝化棉(NC)交联改性双基推进剂的能量性能。以燃烧产物中Al_2O_3、HCl的含量评价其烟雾特性。结果表明,随着增塑剂端叠氮基聚叠氮缩水甘油醚(GAPA)含量的增大,理论比冲先增加后降低。随着粘合剂中GAP含量的增加,理论比冲降低,燃烧温度降低;而且增塑比越小,降低的幅度越大。GAPA含量和GAP含量对推进剂的烟雾特性影响不大。采用4,4'-二硝基-3,3'偶氮氧化呋咱(DNAF)取代AP后,在固体含量为60%,推进剂理论比冲在2600 N·s·kg~(-1)时,其燃烧产物与AP配方相比,N_2含量增加了44%,Al_2O_3含量下降了67%,HCl含量降为0,说明GAP/NC推进剂是一种具有高能量、低特征信号的重要推进剂。     

激光化学微推进推力性能的实验研究

影响激光化学微推进推力性能的主要因素为激光和推进工质的参数。对不同厚度的自研制双基药复合工质进行了推力性能的实验研究。实验中,激光焦斑为50 μm,激光功率密度为4.74×10⁴ W/cm². 实验发现随着工质厚度的增加,工质的冲量耦合系数有渐增的趋势,而比冲有渐减的趋势。将激光功率提高近1倍,选用功率为1.80 W的半导体激光器,25 μm厚的双基药复合工质的冲量耦合系数和比冲分别达到了130.8 dyne/W和493.0 s,此时,名义上的激光能量利用率高达316.4%,是聚氯乙烯（PVC）工质的6.46倍,化学能的释放更加充分。