旋转条件下AP/HTPB二维火焰结构的数值分析

为了研究底排推进剂高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)旋转条件下微尺度燃烧特性,建立了AP/HTPB二维周期性三明治定常旋转燃烧模型,气相采用两步总包反应,耦合气固热边界层,拟合旋转动量,并对燃烧压力为0.1～5 MPa,转速0～10800 r·min~(-1)条件下的二维火焰结构进行了数值模拟。结果表明,转速在10200 r·min~(-1)的工况下,当燃烧压力为0.1～0.5 MPa时,火焰呈预混燃烧特性;当燃烧压力为0.5～3.5 MPa时,火焰呈现扩散、预混燃烧双重特性;当燃烧压力大于3.5 MPa时,形成狭长的扩散化学反应带。分别针对不同燃烧压力和不同转速下的稳态燃烧过程进行了数值分析,得知气相火焰偏转角与压力呈线性正相关;转速在0～10200 r·min~(-1)之间时气相火焰偏转角与转速呈线性增长,但是当转速在10200～10800 r·min~(-1)时,气相火焰偏转角与转速近似呈指数增长。燃面平均雷诺数的变化趋势与气相火焰偏转角度基本一致,因此可以通过燃面平均雷诺数来描述旋转与压力对气相火焰偏转角度的影响。     

脉冲点火射流与高氯酸铵/端羟基聚丁二烯固体推进剂耦合燃烧的试验研究及数值模拟

为了研究高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)在底部排气药柱二次点火过程中的耦合振荡燃烧,建立了AP/HTPB二维三明治燃烧模型,气相区采用二步总包反应,使用用户自定义函数模拟点火射流的作用。在AP/HTPB与点火具的耦合燃烧试验背景下,进行了点火射流频率在125~500 Hz、热流密度峰值在1.9~3.9 MW/m²工况下的数值模拟。模拟结果表明：在振荡燃烧初始阶段,气相热反馈相对于点火射流作用较弱,由于点火射流的主导作用使得X组分（NH₄ClO₄）呈现周期性变化;由于气相温度上升,气相热反馈相对于点火射流作用较强,AP/HTPB燃烧逐渐稳定;点火射流热流密度的提高对AP/HTPB振荡燃烧有显著抑制作用,点火射流频率的提高对AP/HTPB振荡燃烧抑制作用较弱。     

少烟富燃复合推进剂低压燃烧特性（英）

在0.1MPa到1MPa的低压范围内,实验研究了一系列特定的HTPB/AP富燃复合固体推进剂的燃烧特性。研究表明：高压、高AP浓度和较小的AP粒子尺寸能促进稳定燃烧,提高燃速和燃烧效率,降低点火温度。加入亚铬酸铜（CC）作为增速剂能提高整个压力范围内的燃速,加入6%CC可降低推进剂点火温度16%,燃烧效率可达96%,而没有添加CC的推进剂配方燃烧效率为31%~73%。研究表明,在极低的压力下Vieille燃速公式对此系列推进剂仍然适用。     

少烟富燃复合推进剂低压燃烧特性(英文)

研究了HTPB/AP富燃复合固体推进剂在0.1～1 MPa下的燃烧特性。结果表明,高压、高AP浓度和较小的AP粒子尺寸能促进稳定燃烧,提高燃速和燃烧效率,降低点火温度。亚铬酸铜(CC)作为增速剂能提高整个压力范围内的燃速,6%CC可降低推进剂点火温度16%,燃烧效率可达96%,而未添加CC的推进剂配方燃烧效率仅为31%～73%。研究表明,在极低的压力下Vieille燃速公式对此系列推进剂仍然适用。     

高能复合推进剂的燃烧机理——高能粘合剂的效果

研究证明，ＡＰ系复合推进剂的粘合剂中能量越高燃速也越高。在本试验压力范围内供试验用的推进剂出现燃烧中断，当粘合剂中ＡＭＭＯ含量为８０％以上时，在４ＭＰａ压力下燃烧中断，并有推进剂的绝热火焰温度越高燃速越高的趋势。推进剂的燃烧热显示，在粘合剂中ＡＭ－ＭＯ含量在８０％以下时，ＡＭＭＯ含量越多燃烧热越高，而燃烧热越高绝热火焰温度也越高。推进剂的燃烧热越高燃速也越高。已知叠氮化聚合物单体燃速的速率决定阶段是凝缩相反应，本研究证明，在ＡＰ系复合推进剂中从气相到燃烧表面的热流束影响推进剂燃速的速率决定阶段。     

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。     

高燃速丁羟推进剂燃速可调节性研究

在一维气相稳态反应流模型的基础上,分析了催化剂对丁羟推进剂热分解的影响,采用归纳和假说相结合的方法建立了丁羟推进剂催化燃烧模型,定量研究了细粒度AP质量分数和催化剂质量分数对高燃速丁羟推进剂燃速及压力指数的影响.结果表明,在7～12 MPa实验务件下,不同细粒度AP质量分数下的燃速理论预示结果和不同质量分数催化剂下的燃速模拟计算结果都能与实验结果吻合较好,误差在7.0%以内,为配方研究人员提供了定量化调节燃速的预示方法.     

纳米Ｃu/CNＴs对AP/HTPB推进剂热分解与燃烧的催化研究

以碳纳米管为载体,采用液相还原沉积法制备了纳米Cu/CNTs复合催化剂,并用SEM、XRD和XPS对其结构和成分进行了表征。研究了纳米Cu/CNTs对AP/HTPB推进剂热分解和燃烧过程的催化作用,结果表明：纳米Cu/CNTs能显著降低AP] HTPB推进剂的热分解峰温,并使总表观分解热明显增大,且对AP/HTPB推进剂燃烧有良好的催化效果,能显著提高推进剂的燃速,降低压强指数。初步探讨了纳米Cu／CNTs催化AP] HTPB推进剂热分解和燃烧过程的作用机理。     

粗AP形貌缺陷对丁羟推进剂燃烧和力学性能的影响

为了探索粗高氯酸铵(AP)晶体表面缺陷对丁羟推进剂(HTPB)燃烧和力学性能的影响,用扫描电镜(SEM)观察了40~60目(Ⅰ型)、100~140目(Ⅲ型)两种粗AP的晶体形貌,分析了粗AP形貌缺陷对HTPB推进剂燃速、压强指数以及力学性能的影响。结果表明,粗AP晶体形貌对HTPB推进剂低压强段(3~12MPa)的燃速和压强指数影响较小,对HTPB推进剂高压强段(12~20 MPa)燃速和压强指数影响显著。当粗AP晶体表面形貌存在缺陷时,高压强段燃速从11.27~13.93 mm·s~(-1)变化范围扩大到11.28~16.35 mm·s~(-1),其压强指数也从0.40提高至0.70。结果显示,粗AP形貌缺陷对HTPB推进剂力学性能影响较小。     

DSC-FTIR联用研究HTPB/AP和HTPB/AP/Al体系的热分解

采用高压差示扫描量热(PDSC)、热重(TG-DTG)以及热红联用(DSC-FTIR)技术研究了HTPB/AP复合体系热分解及压力和铝粉对该体系的影响。结果表明,端羟基聚丁二烯(HTPB)包覆去活作用推迟了AP的热分解过程,但AP加速了HTPB的分解。增大压力和加入铝粉均能加速HTPB/AP复合体系的热分解过程,燃速也因此而提高。同时增大压力也使HTPB分解放热产生多峰现象,而铝粉会抑制该现象。此外,AP还使HTPB发生“后固化”过程,随着压力的增大,该过程的固化热也增大。     

纳米碳酸盐催化剂对AP/Al/HTPB推进剂性能的影响

研究了纳米碳酸盐催化剂对AP/Al/HTPB推进剂的燃速压强指数、爆热和力学性能等的影响.结果表明:纳米催化剂对推进剂在高压强(10～18 MPa)和低压强(4～10 MPa)段的燃烧性能的影响差别较大,但压强指数都能降低到0.2以下,均达到平台推进剂水平; 而且随着纳米催化剂含量增多,推进剂的燃烧效率更充分,爆热也有一定程度的增加; 但是,纳米催化剂对推进剂的力学性能、工艺性能却有一定程度的影响.确定了纳米碳酸盐催化剂在推进剂中配比为0.5%～1%之间.     

储氢合金/AP/HTPB推进剂的燃烧现象分析

利用单幅照相、微热电偶测温、扫描电镜（SEM）、俄歇电子能谱（EDS）以及X射线衍射（XRD）研究了Al/AP/HTPB推进剂（P-A0）、Al/储氢合金/AP/HTPB推进剂（P-A10）和储氢合金/AP/HTPB推进剂（P-A17）的火焰结构、燃烧表面温度、熄火表面形貌、熄火表面残留元素以及熄火表面残留化合物。结果表明,相对于P-A0,P-A10和P-A17燃面上方有更加猛烈的喷射现象;P-A10和P-A17的燃面温度分别提高了5.92℃和7.45℃,凝聚相反应区域分别扩大了13.13%和4730%;P-A17熄火表面相对平整,突起的合金团表面大部分被氧化;P-A10和P.A17熄火表面残碳量相对P-A0分别减少了15.81%和27.61%,说明储氢合金可以提高AP/HTPB推进剂有机组分在燃面处的燃烧效率;P-A0,P-A10和P-A17熄火表面Al含量依次减少,而Al2O3含量依次增多,说明储氢合金的燃烧效率高于Al。储氢合金替代Al作为燃烧剂,可以明显改善AP/HTPB推进剂的燃烧性能。     

不同环境压强下炭黑含量对聚乙烯点火和燃烧性能的影响

为了获得炭黑质量分数和环境压强对固体燃料聚乙烯点火和燃烧性能的影响,加工了不同组分配比的固体燃料样品。以CO2激光器作为点火源研究了它们的点火和燃烧特性。用高速摄影仪记录实验过程。用扫描电子显微镜观测了燃烧后的固体燃料表面形貌。分析了不同环境压强下不同组分配比固体燃料的点火燃烧过程、点火延迟时间和燃速。结果表明,固体燃料聚乙烯的点火过程为典型的气相点火,燃烧火焰属扩散火焰。点火延迟时间随着炭黑的加入急剧缩短,当炭黑质量分数大于20%时,炭黑质量分数的增加对点火延迟时间的影响很小。点火延迟时间随着环境压强的增加缩短,当环境压强大于0.2MPa时,环境压强的增加对点火延迟时间的影响也很小。根据实验结果,采用最小二乘法,拟合得到了环境压强为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5MPa时点火延迟时间与炭黑质量分数的函数关系式。固体燃料的燃速随炭黑质量分数的增大而减小,随压强的增大而增大,当炭黑质量分数大于5%时,炭黑质量分数是影响固体燃料燃速的主要因素。     

包覆高氯酸铵及其燃烧特性研究

对高氯酸铵（ＡＰ）颗粒表面进行包覆,采用溶解试验、ＤＳＣ等对包覆ＡＰ的性质进行了分析。对ＡＰ单元推进剂进行了燃烧性能测定,分析了包覆降低ＡＰ燃烧速度和压力指数的机理。将包覆后的ＡＰ应用于ＡＰ／ＨＴＰＢ复合固体推进剂中,降低了推进剂的高压燃烧速度和压力指数。     

高氯酸铵/铝粉—复合改性双基推进剂燃速与热分解的相关性研究

利用高压差示扫描量热(PDSC)法研究了高氯酸铵/铝粉—复合改性双基(AP/Al-CM-DB)推进剂在1.0~13.0 MPa压强范围内的燃速与高压热分解特性的相关性。研究结果表明,AP/Al-CMDB推进剂在1.0~13.0 MPa压强范围内的燃速与高压热分解的相关性模型中需将压强p和放热速度ΔHd/Δθ两个影响因子对推进剂燃速的影响程度分开独立考虑,该相关性符合模型关系式u=kupa[ΔHd/Δθ]b,利用该相关性模型所得的燃速计算值与实测值之间的误差低于2.50%.     

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。