RDX/AP/HTPB复合推进剂老化的研究

本文采用高温加速老化的方法,通过测定RDX/AP/HTPB复合推进剂单轴拉伸力学性能、硬度、交联密度和线性燃速等参数随老化时间的变化,利用扫描电镜等实验手段,研究了RDX/AP/HTPB复合推进剂的老化。此外,还测得了这类推进剂的热失重曲线。结果表明,以RDX部分取代AP后,提高了推进剂的热稳定性。     

HTPB/Al/AP/RDX复合推进剂组元之间相互作用研究

为了探索HTPB/Al/AP/RDX复合推进剂组元之间的相互作用,用DSC和TG-DTG方法以及分解反应动力学计算研究了递增组元的4个混合体系(包括HTPB黏合剂体系、HTPB/Al、HTPB/Al/AP和HTPB/Al/AP/RDX推进剂体系)中各组元之间的相互作用。结果表明,DTG峰温以及反应速率常数k可以表征各组元之间的相互作用,其DSC和TG过程可以分为3个阶段;除Al外,各组元之间存在相互作用,各阶段的质量损失测定值与按组分含量计算的加合值吻合得相当好,表明各组元并没有明显的跨阶段分解;AP与HTPB黏合剂的分解温度区间接近或部分重叠,在HTPB/Al/AP和HTPB/Al/AP/RDX的混合体系中发生了强烈氧化还原作用:四组元体系中RDX在200℃及220℃的速率常数k分别为1.53和6.81s~(-1),均大于单质RDX在同一温度下的速率常数1.33×10~(-6)和1.06×10~(-5)s~(-1),说明AP可以加速RDX的分解,但RDX对AP或(AP+HTPB)分解的影响呈现复杂的情况,由于HTPB/Al/AP和HTPB/Al/AP/RDX两体系中AP与HTPB的共同分解过程中存在"等动力学点"(308.0℃),温度低于此点时(AP+HTPB)分解速率常数k因RDX存在而下降,而当温度高于此点时则该k值因RDX存在而增大。通过RDX分解机理解释了存在这种现象的原因。     

HTPB/Al/AP/RDX推进剂初始燃烧的分子模拟

针对一种四组元HTPB推进剂(HTPB/Al/AP/RDX)关键组分,基于第一性原理计算的数据集,使用深度神经网络模型开发了一个机器学习势函数;基于新开发的势函数,建立了四组元HTPB推进剂燃面模型,并进行了大规模的分子动力学模拟计算,对推进剂燃烧时的微观结构、温度、反应组分的时空演化进行了系统统计分析。结果表明,新开发的势函数能够准确描述推进剂组分单质及两两之间界面的能量和受力特性,是一个高精度、高效率的机器学习势函数;燃面模型实现了对推进剂燃烧过程中的AP、RDX、HTPB热解过程精准模拟,阐明了扩散火焰的形成机理以及铝粉从燃面剥离等微观过程,揭示了其中的各组分界面相互作用机制。表明分子动力学模拟能够在原子尺度上实现时间分辨的三维重建,进而获得推进剂燃烧的微观机理,可为固体推进剂的理论研究提供了新的工具。     

少烟HTPB/AP/RDX/Al推进剂比冲效率分析

对少烟HTPB／AP／RDX／A1推进剂能量性能进行了理论计算，通过BSFφ165和φ315试验发动机试验，考察了试验发动机类型，工作压力对经冲效率的影响，而且与高铅含量HTPB／AP／RDX／A1推进剂的比冲效率进行了比较，结果表明，铅含量对推进剂的比冲效率有显著的影响，低铝配方的比冲效率比高铝配方的比冲效率相对要高些；对于推进剂组分确定的配方，合适选择发动机的工作压力，可以不同程度地提高比冲效率，对于同一类型推进剂配方，通过计算理论比冲，结合比冲效率水平，可以对实际比冲进行有效的预估。     

AP/Al/SMX/HTPB四组元推进剂能量特性的理论研究

采用推进剂性能评估软件(PEP),计算和比较了2,3-二羟甲基-2,3-二硝基-1,4-丁二醇四硝酸酯(SMX)和HMX取代高氯酸铵/铝粉/丁羟黏合剂(AP/Al/HTPB)推进剂中AP对配方能量性能的影响。用高温化学平衡计算代码模拟计算了AP/Al/SMX/HTPB和AP/Al/HMX/HTPB复合固体推进剂的能量和标准发动机工作过程。结果表明,与HMX相比,SMX能在更大的配比范围内提高HTPB推进剂的能量水平。在质量分数14%HTPB、18%Al的配方中,SMX能有效将推进剂的平衡流比冲提高到2 622.5N·s/kg,比HTPB三组元能量优化配方高27.5N·s/kg。在质量分数14%HTPB、15%Al的配方中,SMX取代AP后,比冲最高可达2 634.2N·s/kg,比HTPB三组元能量优化配方高39.2N·s/kg。在质量分数15%Al、HTPB质量分数为12%和10%的配方中,SMX质量分数可分别达到45%和65%;最高比冲可分别达到2 652.9和2 679.3N·s/kg,比HTPB三组元能量优化配方分别高57.9和84.3N·s/kg。在不含Al或Al含量很低的配方中,SMX可取代全部AP。     

湿度对HTPB复合推进剂力学性能的影响

通过常温湿度试验,研究了HTPB复合推进剂力学性能随试验时间的变化规律.试验证明,湿度使HTPB推进剂的力学性能大幅度下降;经干燥后,其力学性能能够得到部分恢复.用扫描电镜对常温湿度试验前后推进剂的表面状态和拉伸断口进行了对比分析,结果表明,试验后推进剂表面的AP粒子形状有明显改变,拉伸断口上的AP粒子裸露面增大,粒子脱落坑表面光滑、规整.由此得出HTPB推进剂吸湿后,通过干燥方法不能使其力学性能恢复到原始状态.     

含铜催化剂对RDX/AP/HTPB推进剂燃烧特性的影响

采用热分析方法，研究了五种新型含铜催化剂对ＡＰ、ＡＰ／ＲＤＸ热分解特性的影响，从中筛选出两种催化效果比较好的催化剂。进一步研究了它们对ＡＰ／ＲＤＸ／ＨＴＰＢ推进剂燃速及燃速压强指数的影响。结果表明：这两种催化剂对提高燃速，降低压强指数有明显效果，经适当组合，可进一步提高燃速，降低压强指数。     

AP/HTPB复合推进剂用纳米Co粉的制备

以CoCl_2·H_2O和水合联氨(N_2H_4·H_2O)为主要原料,采用化学还原法制备了纳米Co粉.在不同工艺条件下制备了树枝状纳米Co粉和球形纳米Co粉,用TEM和XRD对产物进行了表征,同时用DTA测试了加入球形纳米Co粉后AP的热分解性能.结果表明,反应介质的黏度和分散剂性质对纳米Co粉粒度及形貌影响较大,在最佳工艺条件下制备了颗粒尺寸均匀、粒度为50~60 nm的球形纳米Co粉;球形纳米Co粉能使AP热分解反应的高温分解峰温度显著下降;添加质量分数2%的球形纳米Co粉,复合推进剂的燃速明显提高,压力指数大幅降低.     

HTPB/AP复合推进剂冲击波点火实验研究

根据增效射孔器的实际作用,以AP-丁羟（HTPB/AP）复合推进剂为研究对象,利用隔板试验研究了冲击波对AP-丁羟复合推进剂的点火性能,结果表明,合理控制冲击波强度能够使AP-丁羟复合推进剂可靠点燃,并为其它推进剂的点火提供了一种新方法.     

丁羟复合推进剂的辐射点火

采用CO2激光点火装置,对丁羟复合推进剂的点火过程进行了实验研究,利用描述固体推进剂物化现象的一维传热模型对复合推进剂的辐射点火特性进行了理论分析。通过最小二乘法拟合实验数据得到了丁羟复合推进剂的点火准则。结果表明,丁羟复合推进剂的点火过程主要包括惰性加热及气相点火过程,惰性加热时间和点火延迟时间随热流密度的增大而减小,且随着热流密度的增大,热流密度的影响逐渐降低。固相传热数学模型能够比较准确地描述复合推进剂的辐射点火特性。     

Numerical Simulation of Quenched Combustion Model for AP/HTPB Propellant under Transient Depressurization

In order to study the out‐of‐phase blowing effect of ammonium perchlorate/hydroxyl terminated polybutadiene (AP/HTPB) under transient depressurization, a two‐dimensional periodic sandwich model of AP/HTPB sandwich unsteady combustion was established. The gas‐solid two‐step total reaction was used to couple the gas‐solid boundary layer, and the AP/HTPB step‐down temperature criterion was applied. The numerical simulation comparative analysis under the initial combustion pressure 3.5 MPa∼10 MPa and the initial depressurization rate of 1000 MPa/s∼2000 MPa/s was experimented. The results show that under the condition of initial combustion pressure of 3.5 MPa and pressure reduction rate of 1000 MPa/s, the formation of narrow diffusion chemical reaction zone appears in the initial stage of depressurization; when the combustion pressure drops to about 1.7 MPa, the flame appears dual characteristics: diffusion and premixed combustion; when the pressure dropped to 0.1 MPa, the flame is premixed combustion. AP(g) is the main factor causing the out‐of‐phase blowing effect. During the initial stage of combustion, AP(g) decomposes rapidly and its decomposition product is close to the combustion surface; with the rapid decrease of pressure, the gas‐phase heat feedback decreases, leading to the decrease of AP(g) decomposition rate and AP(g) diffusion to the gas phase, which is the initial phase of out‐of‐phase blowing effect; when the gas phase heat feedback reduced and the temperature is below 750 K, the decomposition of AP(g) is stopped and the undecomposed AP(g) is further diffused to the gas phase region, which exacerbates the out‐of‐phase blowing effect, leading to the extinguishment of AP/HTPB. The unsteady combustion flame extinction time increases with the initial combustion pressure, and decreases with the initial depressurization rate.     

丁羟推进剂老化化学识别的研究进展

以丁羟推进剂为例,从其氧化剂、黏合剂、化学功能组分等化学组分和碳碳双键、羟基、环氧基、分子质量等结构特征的变化,以及这些变化所产生的脱湿现象、氧化交联反应等为识别判据的几个方面,综述了推进剂老化化学识别的国内外研究进展。指出了开展化学变化及其效应的综合运用、化学组分空间位置变化研究、无损检测新技术应用等3方面进一步研究的问题,并展望其发展前景。     

溶胀/溶解法回收HTPB推进剂中AP组分的实验研究

采用溶胀/溶解法回收报废HTPB推进剂中的AP。研究了浸取时间、浸取温度、四氢呋喃质量分数、液料比(四氢呋喃溶液体积与HTPB推进剂的质量比)、试样厚度及搅拌速率对AP回收率的影响。通过扫描电镜、X射线能谱仪对回收得到的AP进行表征,并对其纯度进行了检测。结果表明,AP的最佳回收工艺参数为:浸取时间6h、浸取温度60℃、四氢呋喃质量分数80%、液料比10∶1(mL/g)、试样厚度3mm、搅拌速率500r/min。其中,浸取时间、浸取温度和四氢呋喃质量分数对AP回收率的影响较大。在最佳工艺条件下,AP的回收率为95.0%,纯度为96.1%,表明此方法可用于报废HTPB推进剂中AP组分的回收。     

含微米级AP的HTPB推进剂工艺性能和力学性能

制备了含微米级AP(质量分数大于50%)的HTPB推进剂药浆和标准试件,利用流变仪测试了+20℃和-40℃时药浆的表现黏度,用材料试验机测试了标准试件的力学性能,讨论了增塑比、AP粒度级配、键合剂等对HTPB推进剂工艺性能和力学性能的影响。结果表明,当增塑比为0.42、AP粒度级配采用25%的120μm AP、30%的6~8μm AP和20%的1μm AP时,推进剂样品6h的表观黏度为1 267Pa·s,低温延伸率达到38%。     

Aging of HTPB/Al/AP Rocket Propellant Formulations Investigated by DMA Measurements

Three HTPB‐based rocket propellant formulations containing ammonium perchlorate and aluminum particles, with different aluminum content and particle size, have been manufactured. The study has focused on the change of mechanical properties with aging time by using dynamic mechanical analysis (DMA). Therefore, propellant formulations underwent an accelerated aging program, in air (RH<10 %), between 60 °C and 90 °C with aging time adjusted to a thermal equivalent load of 15 to 20 years at 25 °C. DMA investigations revealed distinct changes in the shape of the loss factor curve. These curves were modeled with three exponentially modified Gaussian (EMG) functions in order to get the molecular interpretation of the involved aging phenomena by separating the binder fractions with different mobility. Aging of propellant formulations can be followed by considering only two parameters: the areas of the second and third loss factor transition peaks (A₂, A₃), and the corresponding maximum temperature values of the assigned Gauss peaks (Tc₂, Tc₃).     

含RDX低燃速丁羟推进剂的配方研究

为满足某发动机装药需求,设计了固体质量分数为87.5%含RDX的低燃速丁羟推进剂配方,采用最小自由能法进行理论计算,研究了RDX和改性草酸铵对热力学参数的影响.用BSFΦ165标准试验发动机测试了比冲和燃速.结果表明,含RDX低燃速推进剂配方中,RDX和改性草酸铵的含量影响其热力学参数.当RDX质量分数为(10.0%),改性草酸铵为2.0%时,低燃速推进剂的实测比冲为2 374 N·s·kg~(-1),比冲效率为0.919,燃速为4.12 mm·s~(-1);通过添加少量改性草酸铵、改变氧化剂的粒度级配,能够在保证推进剂能量基本不变的前提下,满足含RDX低燃速丁羟推进剂配方的低燃速指标要求.