底排药快速烤燃特性的数值模拟

为了研究底部排气弹的热安全性,基于高氯酸铵(AP)/端羟基聚丁二烯(HTPB)底排药两步化学反应机理,建立了底排装置的二维非稳态烤燃模型。在外界加热速率为1,5,10 K·min~(-1)条件下,分析了底排装置的快速烤燃响应特性。结果表明,在上述加热速率下,底排药最先着火位置均靠近底排药外侧壁面附近。外界加热速率的变化对底排药着火位置的影响略小。随着加热速率的提高,底排药发生烤燃响应的着火时间呈指数型衰减。在1,5,10 K·min~(-1)加热速率下,AP/HTPB底排药发生烤燃响应的温度分别为579.4,574.0 K和573.5 K,加热速率对底排药的着火温度影响较小。     

星型装药固体火箭发动机烤燃特性

为研究星型装药的固体火箭发动机的热安全性问题,针对装填高氯酸铵/端羟基聚丁二烯（AP/HTPB）推进剂的火箭发动机开展烤燃数值研究。采用两步总包反应描述AP/HTPB的烤燃过程,建立三维烤燃模型对快速、中速和慢速加热速率下火箭发动机的烤燃行为进行数值预测。结果表明：升温速率对着火温度和着火延迟期有一定影响,对着火区域的中心位置、形状和大小有较大影响：在升温速率0.55~1.45 K/s快速烤燃工况下,着火位置紧邻推进剂右侧端面;在升温速率0.005~0.011 K/s中速烤燃工况下,着火区域均呈不连续点状圆环分布,着火点位于翼槽中线上;在升温速率2.4~3.3 K/h慢速烤燃工况下,着火点以翼槽中线呈对称两点分布;随着升温速率升高,着火位置向推进剂右侧端面移动;着火温度T_i与升温速率k呈二次函数关系,即T_i= 516.659 36- 1.267 8k+7.479 4k².     

端羟基聚醚推进剂慢速烤燃尺寸效应

为分析结构尺寸对端羟基聚醚推进剂发动机慢速烤燃响应特性的影响,开展了仿真计算研究。模拟不同直径和长径比发动机在慢速烤燃条件下的响应过程,分析慢速烤燃过程中推进剂的温度分布,以及反应温度、反应时间和反应位置随发动机直径和长径比的变化规律。建立一种基于图像处理的高温推进剂质量分布计算方法,计算慢速烤燃条件下发动机反应前推进剂的温度分布,并将其作为评价发动机慢速烤燃反应剧烈程度的参量。研究发现：直径大小对慢速烤燃响应时间和响应温度影响较大,长度影响较小;二者对反应位置影响都较大,随着尺寸和长径比的增大,反应位置向装药边缘移动,当尺寸较大时反应位置与壳体边缘的距离保持稳定;高温推进剂的质量占比随着长径比改变而发生变化,在装药量分别为5.5 kg、18.0 kg及44.0 kg烤燃件中,当装药直径在150~160 mm时,3种烤燃件发生反应前的高温推进剂占比最小。     

模块装药快速烤燃特性的数值预测

为了研究模块装药的热安全性,基于可燃药盒材料和单基药的化学反应机理,建立了模块装药的二维非稳态烤燃模型。在外界升温速率为1～10 K·min~(-1)下,分析了模块装药的快速烤燃响应特性。结果表明,模块装药最初的着火位置均是在靠近可燃药盒内壁面左右两侧的单基药中,点火区为两个环形响应区。随着升温速率的提高,环形响应区将从单基药内向药盒内壁面方向移动,但外界升温速率的变化对模块装药点火位置的影响较小。在1,6,10 K·min~(-1)升温速率下,单基药发生烤燃响应的点火温度分别为458.2,453.9 K和455.7 K,与文献中实验所测得的点火温度(443～463 K)基本吻合。外界升温速率的变化对模块装药发生烤燃响应的点火温度影响较小,但随着升温速率的提高,模块装药发生烤燃响应的点火时间呈指数型衰减。     

HTPE推进剂烤燃试验尺寸效应及数值模拟

以端羟基聚醚(HTPE)推进剂为研究对象,对不同尺寸的试验件开展了慢速烤燃和快速烤燃试验。利用Fluent软件对上述慢烤和快烤试验进行了模拟,分析了试验件响应时内部温度的分布情况。结果表明,各试验件慢烤试验响应温度无显著差异,但响应剧烈程度明显不同。小、中、大型试验件的响应温度分别为134.9,136.4,140.1℃,响应等级分别为燃烧、爆炸和爆轰。快烤试验均呈现出较为温和的响应结果,小、中、大型试验件的响应等级分别为燃烧、燃烧和爆燃。数值模拟表明,三种尺寸试验件慢烤试验的着火点位置略有差异,小型试验件着火点位于药柱中心点处,中型和大型试验件着火点分别位于其内孔壁喇叭孔上方和翼形孔上方。小型和中型试验件快烤试验的着火点位于其药柱和端盖夹角的环形区域,而大型试验件快烤试验在其壳体中段多处同时发生点火。固体发动机烤燃特性的试验研究中,对小型模拟试验件的合理化设计必须充分考虑药柱结构及尺寸大小对传热机制的影响。     

装药密度对钝化黑索今慢速烤燃特性的影响

为了提高传爆药在武器弹药系统中的安全性,利用自行设计的慢速烤燃装置,测定了钝化黑索今在不同装药密度下的慢速烤燃特性.实验结果表明:在慢速升温条件下,烤燃温度由主体炸药RDX的分解温度决定,并随着装药密度的减小,空隙率的增大,传爆药发生反应的剧烈程度增加.在装药密度为最大理论密度的80%～90%之间时,80%的烤爆输出能量最大.因此提高装药密度有利于降低传爆药的热易损性能.     

不同火焰环境下固体火箭发动机烤燃特性数值模拟

为了研究固体火箭发动机意外遇到火焰环境时的热安全性问题,以高氯酸铵/端羟基聚丁二烯（AP/HTPB）复合固体推进剂为装填对象,针对某种小型固体火箭发动机建立了二维烤燃简化模型。分别对800 K、1 000 K、 1 200 K火焰环境下固体火箭发动机的烤燃特性进行了数值模拟。计算结果表明,3种火焰环境下,AP/HTPB最初着火位置均发生在靠近喷管的药柱外壁一环形区域内;随着火焰温度的提高,着火延迟期快速缩短,着火温度逐渐增大;绝热层的绝热作用随着火焰温度的增大而增强;复合固体推进剂中AP首先发生缓慢分解时的温度随火焰温度的提高而增大。     

不同升温速率下模块装药慢速烤燃特性的数值模拟

为分析模块装药在外界热刺激下的热稳定性,开展了模块装药慢速烤燃特性的研究。建立模块装药慢速烤燃模型,在1.8 K/h、3.6 K/h和 7.2 K/h 3种升温速率下进行数值模拟计算。结果表明：在慢速烤燃条件下,升温速率较低（1.8 K/h、3.6 K/h）时,烤燃响应区域靠近中心传火管;升温速率较高（7.2 K/h）时,烤燃响应区域已不再靠近中心传火管的位置。由此可见,升温速率对模块装药着火时间和烤燃响应区域位置有较大的影响。随着升温速率的提高,着火时间变短,烤燃响应区域向单基药中心移动,烤燃响应区域由一个中心环形区域变成关于中心对称的两个环形区域,升温速率对烤燃响应区域的着火温度影响较小。     

装药密度对钝化黑索今快速烤燃特性的影响

为了提高传爆药在武器弹药系统中的使用安全性,选用钝化RDX为原料,对不同装药密度的烤燃弹进行快速烤燃实验。利用热电偶测量弹药壳体的反应温度,并用自行编制的软件应用到试验时间和温度的同步采集中,分析不同装药密度下钝化RDX的快速烤燃特性。结果表明,对于同一种传爆药,药量相同条件下,随着装药密度的增加,传爆药发生反应的时间增长,反应温度升高,而传爆药发生快速烤燃反应的剧烈程度却降低。因此提高传爆药的装药密度可以有效提高弹药的使用安全性。     

结构尺寸对固体燃料冲压发动机燃速影响的仿真研究

为研究结构尺寸对固体燃料冲压发动机燃速的影响规律,采用3阶单调迎风（MUSCL）重构方法,AUSMPW+通量分裂格式,k-w SST湍流模型,7组分3反应有限速率化学反应模型以及2阶矩湍流燃烧模型,编制了二维轴对称湍流燃烧仿真程序,研究入口直径、药柱直径、喷喉直径以及相似结构尺寸对燃速的影响规律。仿真结果表明：入口直径以及药柱直径影响较大,相似结构尺寸的影响相对较小,喷喉直径几乎没有影响;固体燃料冲压发动机结构尺寸影响燃速的主要机理是湍流黏性的变化以及火焰面位置的变化;突扩比对燃速起着关键的作用,燃速与突扩比近似呈线性关系。     

短切碳纤维对AP/HTPB底排推进剂力学性能的影响

为了提高高氯酸铵(AP)/端羟基聚丁二烯(HTPB)底排推进剂的力学性能,在原始AP/HTPB底排推进剂配方中添加质量分数分别为0.3%和0.5%的2 mm短切碳纤维。对含短切碳纤维的AP/HTPB底排推进剂进行静态单轴拉伸、压缩性能实验。用扫描电镜(SEM)进行试件断裂面微观分析。实验结果表明:添加质量分数为0.3%和0.5%的2 mm碳纤维的AP/HTPB底排推进剂的拉伸强度分别提高了11.7%和33.0%,压缩强度分别提高2.1%和7.8%。短切碳纤维分布在HTPB基体中。短切碳纤维与HTPB基体的黏结性能良好。新型含短切碳纤维的AP/HTPB底排推进剂的破坏主要由AP颗粒脱粘引发。短切碳纤维对HTPB基体中微裂纹的发展有抑制作用。显示短切碳纤维是良好的AP/HTPB底排推进剂的增强体。     

AP颗粒尺度对复合底排推进剂燃速的影响

为了解复合底排推进剂中AP氧化剂的含量及AP颗粒的大小对推进剂表观燃速的影响,利用一种综合燃烧模型,通过对燃烧过程的简化,计算了AP氧化剂不同粒径尺寸对底排推进剂燃速的影响,并和实验结果进行了比较.在此基础上,对不同AP含量的底排推进剂燃速进行了预测计算.结果表明,AP含量越高,底排推进剂的燃速越大;AP颗粒尺寸与底排推进剂燃速是非线性、非单调变化的关系.当AP粒径小于150μm时,AP颗粒尺寸越大,推进剂燃速越低;但AP粒径等于200μm时的推进剂燃速略高于150μm时的燃速.     

AP/HTPB老化复合底排推进剂热物性实验研究

为研究底排装置内底排药剂点火燃烧特性并提高数值计算准确性,用差示扫描量热仪(DSC)和热导仪对比研究了某155 mm底排弹用未老化和经自然老化(在密封塑料袋内室温保存20余年)的高氯酸铵(AP)/端羟基聚丁二烯(HTPB)底排药剂的比热容和导热系数。结果表明,老化底排药剂20℃·min-1升温时DSC曲线的最大吸热峰温度和最大放热峰温度分别为253.52℃和437.54℃。基于DSC曲线和多项式拟合法得到了40~180℃温区间的比热容与温度的依变关系。老化底排药剂的比热容平均值和导热系数分别为0.9868 k J·kg-1·℃-1和0.2292 W·m-1·K-1。未老化底排药剂的比热容平均值和导热系数分别为0.8887 k J·kg-1·℃-1和0.4020 W·m-1·K-1。与未老化药剂相比,老化药剂的比热容增大约11%,而导热系数减小约43%。     

Analysis of Micro-scale Flame Structure of AP/HTPB Base Bleed Propellant Combustion

A complex multiple flame stracture is formed dining the combustion of AP/HTPB base bleed propellant. The AP monopropellant flame is concentrated in a thin zone above the burning surface of AP mystal to maintain seK-sustained decomposition. Due to the low temperature near the burning surface, the diffusion between the decomposition products of AP and the pyrolysis products of HTPB occurs, and a partly pre-mixed diffusion flame stracture-leading edge flame （LEF） is formed. The effects of pressure, chemical reaction rate and AP particle size on diffusion flame structure in the ravage from 20 arm to 100 ann are discussed. The Peclet number increases from 6.64 at 20 ann to 21.91 at 100 ann when AP particle size is 140 μm. The high temperature zone is blown away from the burning surface because the convective transport rate increases with the increase in Peclet number. The chemical reaction rate is enhanced and the diffusion mixing is hlhibit ed as Damkolfler nunlber increases. The chemical heat release is more concentrated axed the chemical reaction zone becomes nan＇ow when Damkolfler nunlber changes from 330 at 20 ann to 4700 at 100 atm. When AP particle diameter is decreased to 60 μm, the diffusion time scale is reduced due to the reduced diffusion length scale. So the diffusion mLxing is enhanced a more pre-mixed flame is formed. The burning rate increases because the more pre-mixed     

AP/HTPB推进剂内孔形状对烤燃特性的影响

为了获得固体火箭发动机的推进剂内孔形状对烤燃特性的影响,针对装填高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)的圆形孔、星孔装药的固体火箭发动机,在基于Arrhenius定律的基础上,分别建立了对应的固体火箭发动机二维、三维非稳态烤燃模型。对上述两种装药结构的固体火箭发动机烤燃过程进行了数值模拟,分析了以上两种内孔形状对推进剂烤燃特性的影响。结果表明：固体推进剂的内孔形状在不同热载荷条件下的烤燃响应特性不同。快速烤燃条件下,内孔形状对固体火箭发动机的烤燃响应特征参数影响较小;在慢速烤燃条件下,推进剂内孔形状对推进剂着火延迟时间影响有限,对着火温度和着火位置则有显著影响。采用圆形孔装药时发生烤燃响应的着火温度较高,而采用星形孔装药时则较低;圆形孔装药时着火位置在推进剂头部内孔壁面附近,且随升温速率增大着火位置逐渐向端面移动,而星形孔装药时着火位置则位于推进剂中部的内孔壁面附近,且随升温速率的增大着火位置会出现跳跃性变化。     

HTPB/AP推进剂的慢速烤燃特征

介绍了弹药慢速烤燃试验方法和评判标准,初步分析了影响弹药慢速烤燃响应的因素。对国外在HTPB/AP推进剂慢速烤燃特性方面的研究进行了述评,研究表明,高氯酸铵热分解形成的多孔性形貌是导致AP基推进剂慢速烤燃响应剧烈的重要因素。在此基础上提出了改善HTPB/AP推进剂慢速烤燃响应的技术途径。     

AP/HTPB推进剂微尺度燃烧特性的数值分析

为研究高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)固体推进剂颗粒的微尺度燃烧特性,基于气固耦合,采用简化的两步总包化学反应动力学机理,建立了二维周期性三明治定常燃烧模型,采用FLUENT软件,数值分析了AP/HTPB的微观燃烧特性。结果表明,AP体积分数为0.75条件下,低压(0.4 MPa)时,AP/HTPB燃烧的总体火焰以预混燃烧为主,AP燃速低于HTPB燃速,随着压力升高,大于2.5 MPa时,火焰呈扩散结构,AP燃速高于HTPB燃速;压力越高,气相对固相的热反馈越强,耦合面上的温度和燃烧速率越高。气相的体积释放速率随着压力的增加而增加,放热区域收缩,相连的两个放热核心区分裂为两个独立的放热核心区。当燃烧压力不变(2.5 MPa),AP体积分数为0.7~0.95时,AP含量越小,则一个周期三明治单元中粘合剂HTPB的宽度相对越大,火焰面趋于分裂为两个狭长带状火焰面,温度随之递增。     

环境压力降低对底排二次燃烧影响的数值模拟

为了揭示高空低压环境下底排减阻率减小的机理,建立底排装置尾部流场的化学非平衡流数学物理模型。其中二次燃烧模型采用10组分25步反应的H₂-CO燃烧模型,运用统一算法的思路编程求解二维轴对称方程组,对底排尾部流场进行数值模拟。模拟结果和实验进行对比验证,基本吻合。在此基础上,对底排尾部流场以及燃烧特性进行数值预测,研究环境压力降低对底排尾部二次燃烧的影响。结果表明：二次燃烧对底部加能的贡献是热排气的6.4倍,是底排加能减阻的关键;随着环境压力的降低,模型尾部的环状回流区内H₂的燃烧效率逐渐降低,中间产物H逐渐增多,燃烧逐渐变得不充分,导致底排减阻率明显下降。