小球粘结高燃速推进剂燃烧特性研究

摘要

本文主要针对采用一种膏体状推进剂粘结小球药而制备的复式结构体的高燃速推进剂的配方设计及燃烧特性进行了系统的理论和实验研究。 首先，分析讨论了小球粘结高燃速推进剂燃烧性能设计原理及方法，采用基于推进剂化学结构与特征反应关系的燃速预估程序和REAL热力学系统软件分别计算了组分含量与黏结剂和小球药燃烧性能、能量性能的关系，分析了推进剂燃烧性能、能量性能设计时组分含量的选择原则。根据小球粘结高燃速推进剂配方设计的特点，在综合了双基推进剂和复合推进剂部分制备工序的基础上，提出了常温、无溶剂、二步挤压制备小球粘结高燃速推进剂工艺。 其次，分别研究了组分含量、小球药形态、结构及与黏结剂质量比对小球粘结高燃速推进剂燃烧性能的影响。实验结果表明：当膏体状黏结剂配方中NC、NG、AP含量增加，膏体状黏结剂燃速增大，推进剂燃速也增大；而随着小球药配方中NG/NC比例增大，小球药燃速增大，推进剂燃速下降。其内在规律是膏体状黏结剂与小球药燃速差越大，推进剂燃速越高，反之亦然。 小球药粒径越小、表面越粗糙，则推进剂燃速越高。膏体状黏结剂与小球药质量比越小，推进剂燃速也越高，但二者质量比小到一定数值后易造成推进剂燃烧不稳定，根据理论分析，膏体状黏结剂与小球药质量比至少应大于41：59。 然后，系统研究了铅、铜、铁化合物不同组合的催化剂对小球粘结高燃速推进剂主要组分热分解和燃烧性能的催化特性。实验结果表明：在铅、铜复合的基础上加入含铁的化合物，可使双基黏结剂的热分解峰大幅度提前，显示了较好的催化效果；同样可显著促进AP的热分解，特别是亚铁氰化铅/铜铬氧化物复合不仅使AP高温分解峰温提前了133.4℃，而且使低温分解峰温提前了55.1℃，是催化AP热分解中效果较好的一种催化剂组合。同时采用铅/铁/铜复合催化剂，可以较大幅度降低小球粘结高燃速推进剂在高压区间内的压强指数，特别是亚铁氰化铅/亚铬酸铜组合显示了对小球粘结高燃速推进剂较好的催化效果。 对小球粘结高燃速推进剂燃烧及熄火照片分析表明，小球粘结高燃速推进剂燃烧熄火表面不是一个简单的曲面，而是由小球药表面熔化而又相互粘结成具有一定厚度的多孔气透性结构的燃烧表面层，在该燃烧层内就可能发生一定程度的对流燃烧，其燃烧过程也有别于一般改性双基推进剂，可分为六个区，即凝聚相加热区、亚表面反应区、燃烧表面区、多孔透气区、颗粒流动区和产物区。最后，对小球粘结高燃速推进剂发动机进行了实验研究和数据分析，结果表明，小球粘结高燃速推进剂在不同条件下有三种燃烧类型。类似于普通双基推进剂的平行层燃烧类型，类似于超高燃速推进剂的对流燃烧类型，以及介于二者之间的“有限对流燃烧”类型。可用一无量纲数值r大小和压强来判断新型高燃速推进剂出现三种类型燃烧的条件，在压强较小和r≈1.0 时该推进剂在发动机内是类平行层进行燃烧；在压强较高和，r>1.4时该推进剂在发动机内是类对流燃烧；在压强适中和r≈1.1～1.3时，该推进剂在发动机内是有限对流燃烧。同一种推进剂在不同的条件下可出现这三种不同的燃烧类型，是小球粘结高燃速推进剂燃烧特性的新颖之处。同时，这也为小球粘结高燃速推进剂提供了广阔的应用领域。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1固体推进剂的发展趋势

1.2提高固体推进剂燃速的途径

1.2.1物理方法

1.2.2化学方法

1.3武器发展对固体推进剂燃烧性能的要求

1.4高燃速推进剂应用领域

1.5本课题研究背景及研究内容

1.5.1研究背景

1.5.2研究内容

2小球粘结高燃速推进剂设计原理及方法

2.1引言

2.2燃烧性能设计原理及方法

2.2.1基于推进剂化学结构与特征反应关系的燃速预估方法

2.2.2膏体状黏结剂燃烧性能设计

2.2.3小球药燃烧性能设计

2.2.4药体结构燃烧性能设计

2.2.5总体推进剂燃速的设计

2.3小球粘结高燃速推进剂能量性能设计

2.3.1主要组分对黏结剂能量性能的影响

2.3.2主要组分对小球药能量性能的影响

2.3.3小球粘结高燃速推进剂整体能量性能设计

2.4药体结构设计

2.5小球粘结高燃速推进剂制备工艺设计

2.5.1常规推进剂制备工艺特点分析

2.5.2小球粘结高燃速推进剂制备工艺设计

2.6高燃速推进剂药体结构特点

2.7小结

3组分、结构与工艺参数对高燃速推进剂燃烧性能影响研究

3.1推进剂实验配方、工艺及燃速测试条件

3.2膏体状黏结剂燃速对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.2.1黏结剂中NC、NG等含量对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.2.2 AP含量对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.2.3 AP粒度对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.3小球药组成及粒度对推进剂燃烧性能的影响

3.3.1小球药组成对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.3.2小球药粒径对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.3.3小球药表面状态对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.4药体结构对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.4.1黏结剂与小球药质量比对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.4.2黏结剂与小球药质量比理论分析

3.5工艺参数对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.5.1黏结剂与小球药混合遍数对高燃速推进剂燃烧性能影响

3.5.2环境温度对高燃速推进剂燃速的影响

3.5.3压伸压力对高燃速推进剂燃烧性能的影响

3.5.4固化温度及时间对高燃速推进剂燃速的影响

3.6 小结

4小球粘结高燃速推进剂催化燃烧特性研究

4.1引言

4.2实验

4.2.1原料来源及规格

4.2.2样品制备

4.2.3仪器设备与实验条件

4.3复合催化剂对主要组分热分解的影响

4.3.1铅盐与铜盐复合催化剂的影响

4.3.2不同铅、铁、铜复合催化剂的影响

4.3.3亚铁氰化铅与铜铬氧化物复合催化剂影响结果

4.3.4复合催化剂催化热分解机理分析

4.4复合催化剂对高燃速推进剂催化燃烧性能研究

4.4.1鞣酸铅与铜铬氧化物复合催化剂实验结果

4.4.2鞣酸铅与己二酸铜复合催化剂实验结果

4.4.3不同铅盐与铜铬氧化物复合催化剂实验结果

4.4.4不同铅、铁、铜复合催化剂实验结果

4.4.5复合催化剂对组分催化热分解性能与推进剂燃烧性能相关性研究

4.5纳米催化剂对推进剂的催化性能研究

4.5.1纳米金属粉对高燃速推进剂的催化性能研究

4.5.2纳米钴酸钕对高燃速推进剂的催化性能研究

4.5.3纳米催化剂催化作用分析

4.6小球粘结高燃速推进剂燃烧特点分析

4.6.1小球粘结高燃速推进剂火焰结构及熄火表面表征

4.6.2小球粘结高燃速推进剂燃烧过程及其特点

4.7小结

5高燃速推进剂在火箭发动机内燃烧特性研究

5.1引言

5.2实验

5.2.1实验样品

5.2.2实验发动机

5.2.3点火方式

5.3小球粘结高燃速推进剂在发动机内燃烧现象及规律

5.3.1通气参量为60，不同燃喉比条件下实验结果

5.3.2通气参量为52，不同燃喉比条件下实验结果

5.3.3通气参量为43，不同燃喉比条件下实验结果

5.3.4通气参量为40，燃喉比为100条件下实验结果

5.3.5小球粘结高燃速推进剂在发动机内燃烧规律

5.4建立三种燃烧状态及转化的临界条件

5.4.1小球粘结高燃速推进剂燃烧进程中真实燃面

5.4.2通气参量χ与燃喉比KN的规律

5.5小球粘结高燃速推进剂初始压强峰的研究

5.5.1点火条件对压峰比的影响

5.5.2燃喉比或喉通比对压峰比的影响

5.5.3通气参量对压峰比的影响

5.5.4装药内、外表面涂钝感剂对压峰比的影响

5.5.5装药内外通气参量之比小于1对压峰比的影响

5.6小结

6结论

6.1全文结论

6.2主要创新点

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文、专利及编写著作情况