高能固体推进剂燃速数值模拟

摘要

为实现火箭、导弹等武器远程、精确打击的目的，提高固体推进剂的能量始终是武器发展的主要目标之一。推进剂是通过燃烧实现能量释放，因此改善推进剂的燃烧特性（如燃速，燃速压强指数）是高性能火箭/导弹等武器发展的迫切需要。当前，调节高能推进剂燃烧特性的方法还主要采用经验法，通过反复调正配方、反复更换燃烧催化剂及其组合，以期逐步接近预定的推进剂燃烧性能指标。这种做法往往会造成时间、人力、物力和财力的消耗。为改变这种状况，开展高能推进剂燃烧机理的研究，掌握高能推进剂的基本配方、燃烧催化剂及其它组分与燃烧特性间的对应关系，建立高能推进剂燃烧模型，掌握其燃烧规律性和燃烧机理，则可以较全面指导高能推进剂配方优化设计，合理调节、控制高能推进剂燃烧特性。本研究旨在研究高能固体推进剂的燃烧性能规律性与燃烧机理，并对其燃速进行数值模拟研究，为高能推进剂燃烧性能的调节提供一定技术支撑。 首先，通过分析硝胺/叠氮类高能推进剂的燃烧特性，以气相基元反应机理为基础，建立了RDX/AMMO-BAMO（80：20）高能推进剂的一维、稳态燃烧模型，并计算了RDX/AMMO-BAMO高能推进剂的燃速、压强指数、气相向燃烧表面的热反馈和燃烧波结构。计算结果表明，AMMO-BAMO共聚物热分解产生的惰性气体N2稀释了表面反应物质的浓度，使高能推进剂燃烧表面附近各基元气相反应的反应速率降低，气相向燃烧表面的热反馈量减少，因此20％ AMMO-BAMO共聚物的加入降低了该类高能推进剂的燃速，降低幅度约为42％。其燃烧特性的计算值与实验值吻合较好。 其次，通过对NEPE（Nitrate Ester Plasticized Polyether）高能固体推进剂的配方特点、燃烧火焰结构特性、燃烧波结构和熄火表面特征的分析，比较了NEPE推进剂与复合改性双基推进剂的异同点。结合早期的复合改性双基推进剂的燃速数值模拟方法，对NEPE高能推进剂进行了燃烧数值模拟研究。利用热分解和Py-GC/MS联用分析的结果，提出了NEPE高能推进剂中粘结剂--PEG、PET、GAP在燃烧表面热分解行为的假说，拟定了它们的化学结构参数，拓展了原有的数据库模型；采用添加修正因子的方法解决了NEPE高能推进剂中固体组分--AP、RDX、HMX、Al的含量和粒度对推进剂燃速和压强指数影响的表征，从而得到NEPE推进剂燃速计算公式。 第三，运用导出的NEPE推进剂的燃速公式，编制相应计算程序，分别计算了PET、PEG和GAP三种不同体系的NEPE高能推进剂的燃速，并进行了实验验证。计算结果与实验值吻合得比较好，大部分误差在10％以内。这说明模型的假设和处理方法是基本合理的。同时三种不同体系NEPE高能推进剂燃速计算结果表明，NEPE高能推进剂组分AP含量增加，推进剂燃速升高，压强指数降低；AP含量一定时，AP粒度减小，燃速增大，压强指数降低。与AP相比，RDX的粒度变化对燃烧性能的影响较小，但总的来说呈现RDX粒度减小，燃速和压强指数略有下降趋势。当球形铝粉含量不变时，Al粉粒径降低，燃速随之有“鞍形”变化的趋势，且当dAl降至为2μm时，推进剂的燃速压强指数显著降低。随着增塑剂中硝酸酯基含量的增大，NEPE高能推进剂燃速增加。 最后，提出了固体推进剂燃烧性能设计思想--粘结剂体系燃速等于推进剂整体燃速时，可大大降低推进剂的侵蚀燃烧，提高推进剂的燃烧稳定性。同时还对固体推进剂的燃速压强指数进行了讨论，并提出了固体推进剂催化燃烧数值化的设想，即通过改进自由基裂解表征函数，纳入体现催化剂特征参数的方法可望解决催化效应的数值模拟。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1高能固体推进剂的定义、组成及发展

1.1.1高能固体推进剂的定义

1.1.2高能固体推进剂的组成

1.1.3高能固体推进剂的发展

1.2高能固体推进剂燃烧波结构特点

1.3高能固体推进剂的燃烧机理及模型研究

1.3.1 AP复合推进剂燃烧机理和模型研究

1.3.2硝胺推进剂燃烧机理和模型研究

1.3.3 NEPE推进剂燃烧机理和模型研究

1.4本课题的研究背景、研究思路和主要研究内容

1.4.1研究背景

1.4.2研究思路

1.4.3主要研究内容

2 RDX/AMMO-BAMO推进剂燃速数值模拟

2.1数值模型

2.1.1凝聚相

2.1.2气相

2.1.3边界条件

2.1.4燃速求解

2.1.5参数取值

2.2计算结果和讨论

2.3本章小结

3.1理论准备-DB和CMDB推进剂燃速预估方法

3.1.1双基推进剂燃速预估方法

3.1.2单元推进剂燃速预估方法

3.1.3硝胺改性双基推进剂燃速预估方法

3.2 NEPE推进剂与CMDB推进剂的异同点

3.2.1配方差异

3.2.2火焰结构特性差异

3.2.3燃烧波结构的差异

3.2.4 NEPE推进剂的熄火表面特征

3.3 NEPE推进剂燃速数值模型要点

3.4本章小结

4 NEPE推进剂燃速公式的确定

4.1 NEPE推进剂组分化学结构参数的确定

4.1.1组分化学结构参数划分的基本方法

4.1.2 PEG的化学结构参数

4.1.3 PET的化学结构参数

4.1.4 GAP的化学结构参数

4.1.5其它组分的化学结构参数

4.2燃速和燃速压强指数公式的建立

4.2.1 AP对NEPE推进剂燃速影响的数值化

4.2.2硝胺对NEPE推进剂燃速影响的数值化

4.2.3 Al粉对NEPE推进剂燃速影响的数值化

4.3燃速和压强指数计算程序

4.4本章小结

5 NEPE推进剂燃速计算与讨论

5.1 PEG、PET和GAP三种体系NEPE推进剂燃速计算结果

5.1.1 PEG体系推进剂的燃速计算

5.1.2 PET体系推进剂的燃速计算

5.1.3 GAP体系推进剂的燃速计算

5.2组分变化对NEPE推进剂燃烧性能的影响

5.2.1固体组分含量和粒度变化对推进剂燃速的影响

5.2.2增塑剂种类对推进剂燃速的影响

5.3结构等燃速设计思想

5.4关于燃速压强指数的讨论

5.5催化燃烧的数值化设想

5.6本数值模型存在的问题与不足

5.7本章小结

6全文结论及主要创新点

6.1全文结论

6.2主要创新点

致谢

参考文献

附录

攻读博士期间发表学术论文及其它工作