氧化性粘合剂夹层三明治推进剂模型细观燃烧数值分析

复合固体推进剂在细观层面上呈现准周期性阵列,取推进剂基本"胞元"建立周期性三明治模型,可简化细观结构建模,又能反映复合推进剂燃烧的本质特征(如异相界面、多重火焰相互作用等).由于实际推进剂中氧化剂颗粒的粒径分布较广,纯粘合剂三明治模型只能计算单尺寸氧化剂颗粒分布情形.本文采用隐式颗粒建模方法,引入氧化性粘合剂夹层三明治推进剂模型表征AP/HTPB双模推进剂,考虑细氧化剂AP颗粒对细观燃烧规律的影响.通过数值实验,分析氧化性粘合剂三明治模型的火焰结构与燃面型面、燃面特性及燃速特性,并与纯粘合剂三明治推进剂细观燃烧规律进行对比分析.     

主控提前点火对复合推进剂慢速烤燃响应的影响

为研究主控点火对复合推进剂慢速烤燃响应特性的影响,设计并开展了典型复合推进剂装药慢速烤燃实验,结合数值计算和推进剂热分解失重及形貌演化过程,探讨了点火前推进剂内的温度分布情况及推进剂细观结构热损伤规律。研究发现:针对复合推进剂装药的慢速烤燃,在推进剂发生自热点火前温度较低时进行主控点火可以有效降低反应剧烈程度;随着加热温度的升高,推进剂中部分组分发生分解,导致推进剂内部温度高于壳体温度,同时推进剂中粘结剂及AP的分解会导致推进剂装药形成多孔状的结构,在点火后更易导致对流燃烧,加剧反应烈度;当壳体温度仅138 ℃时,推进剂温度最高点达到150 ℃,最高点首先出现在靠近喷管的尾部,考虑到粘结剂及AP部分分解导致的孔隙结构会加剧反应的响应烈度,主控点火温度应设定在138 ℃以下。     

复合推进剂的冲击波起爆和爆轰过程研究

本文应用拉氏量计和拉氏分析技术研究了,两种常用的复合推进剂(聚硫和丁羟复合推进剂)的冲击波起爆和爆轰过程。在冲击波起爆过程中,压力等参量出现双峰现象,化学反应由三个阶段完成。在爆轰过程中,反应区宽度5mm以上,属于非理想爆轰过程。最后基于组分实验结果,进一步分析了复合推进剂,在冲击波作用下的化学反应过程,结果表明,双峰现象和多反应阶段的出现是由于高氯酸铵和粘合剂之间的相互作用的结果。     

多孔火药填充床中燃烧转爆轰(DDT)的模拟与分析

随着火炮装药装填密度的提高和火箭推进剂中硝胺组份的增加,它们的总体性能虽有改善,但同时使燃烧转爆轰的感度也加大。在一定条件下,粒状高能固体火药填充床中,将出现DDT现象。本文着重研究燃烧转爆轰前的过程。描述DDT过程的两相反应流体动力学模型用MacCormack有限差分格式求解,得到的转爆距离和爆轰速度与试验观察结果符合得很好。计算表明,粒状药床中的两种转变机制似乎是可以相互转化的。     

固体火箭推进剂起爆技术

针对便携式防空导弹的聚醚复合推进剂进行了余药起爆试验。试验表明,在聚能装药起爆器作用下成功地起爆了推进剂药柱。该技术对战斗部 发动机一体化设计有重要应用价值。     

考虑自然对流的某固体火箭发动机慢速烤燃特性数值分析

针对某高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)推进剂固体火箭发动机,采用两步总包反应描述AP/HTPB 的烤燃过程,建立了考虑发动机空腔自然对流的二维轴对称烤燃模型,对加热速率分别为 3.6、7.2 和10.8 K/h 时火箭发动机的慢速烤燃行为进行了数值预测,研究了该火箭发动机的热安全性问题。结果表明,固体火箭发动机空腔内的自然对流对 AP/HTPB 推进剂的着火温度、着火延迟期和着火位置有一定影响,在热安全性精确分析中不可忽略。3种加热速率下,AP/HTPB 推进剂的最初着火位置均出现在药柱肩部的环形区域内,3种加热速率对应的着火延迟期、着火温度及着火时壳体温度分别为30.71、20.06、18.68 h,526.52、528.10、530.64 K,和479.56、496.82、508.77 K。随着加热速率的增大,烤燃响应区域向推进剂与绝热层交界处移动,着火位置的二维截面由椭圆形变为半椭圆形。     

不同升温速率下复合药柱烤燃实验与数值模拟研究

为了研究不同升温速率下复合炸药JO-9159/JB-9014烤燃实验的热反应规律,建立了复合炸药的烤燃模型,利用有限元程序LS-DYNA3D对不同结构的复合药柱在烤燃过程中的热响应情况进行了数值模拟,并利用实验进行了验证,结果显示模拟结果可信。利用已建立的模型对5 K/h、3 K/min和10 K/min等3种不同升温速率下复合药柱烤燃过程进行了数值模拟,结果表明:升温速率和装药结构的不同对复合药柱的点火时间和位置有较大影响,随着升温速率的增大,点火时间变短,点火位置由药柱的中心处逐渐移至药柱的两端边缘,升温速率较小时,复合药柱的热安定性取决于内部高能炸药的特性,升温速率较大时,复合药柱的热安定性与单一钝感药柱性能近似。因此,只有在较大的升温速率下,钝感炸药内部嵌入高能炸药才能既提高整体药柱的威力,又保证其具有较好的热安定性。     

不同升温速率下AP/HTPB底排装置慢速烤燃的数值模拟

为研究在不同升温速率下高氯酸铵(ammonium perchlorate, AP)/端羟基聚丁二烯(tydroxyl-terminated polybutadiene, HTPB)底排装置的慢速烤燃特性,建立AP/HTPB底排推进剂二维轴对称非稳态传热模型和两步化学动力学反应模型。在不同升温速率下,分析底排装置的慢速烤燃响应特性。计算结果表明:在慢速烤燃的条件下,烤燃响应点发生在底排药柱与空气腔的接触面左侧,升温速率对底排药柱的着火延迟时间和烤燃响应点位置有较大影响。随着升温速率的提高,着火延迟时间变短,烤燃响应点向中心侧移动。升温速率对烤燃响应点的着火温度影响较小。     

推进剂的撞击损伤状态对其燃烧转爆轰的影响

设计加工了燃烧转爆轰的实验装置,并建立了相应的测试系统,旨在研究NEPP推进剂颗粒装药的燃烧转爆轰形成机理。并以大型落锤为加载手段,撞击NEPP推进剂试样,经实验发现,损伤明显地促进了颗粒装药燃烧向爆轰的转变,增加了该推进剂使用的危险性。     

液体火箭爆炸地面有害气体生成与扩散分析

建立了自燃液体推进剂运载火箭爆炸时地面残余推进剂蒸发模型和产生的有害气体在大气中的扩散模型,给出了N2O4/UDMH液体推进剂爆炸产生的地面推进剂残留量、推进剂污染区直径、大气环境中地面残余N2O4和UDMH推进剂蒸发速率等参数的实验结果。利用该理论模型对大型运载火箭发生意外爆炸事故产生的地面残余推进剂蒸发时间和形成的有害气体危害范围进行了估算。该理论模型可为航天发射场制定安全防护措施提供有用的评估方法。     

多孔颗粒火药床燃烧转爆轰的敏感性研究

本文以不同粒度硝胺火药RDU-4,硝胺火药RPB,3/1-S为研究对象,探讨了多孔颗粒火药床燃烧转爆轰的敏感性。研究结果表明,火药颗粒尺寸越小,硝胺火药燃烧转爆轰越易实现:硝基胍组分具有抑制燃烧转冲击的作用,就同一装填条件下燃烧转冲击的难易而言,以RPB最易,3/1-S次之,RDU-4最难     

Mechanical properties of propellant composite materials reinforced with ammonium perchlorate particles

The purpose of this article is the theoretical interpretation of the experimental data on a continuum Neoprene binder, a glass bead-filled polyurethane binder, and unbound micropulverized ammonium perchlorate particles. After conducting stress relaxation and creep experiments, it is concluded that the large deformation behavior of the filled binder can be described in part in terms of the large deformation behavior of the continuum binder. The time scale of relaxation of stress in the filled binder is much longer than that of the unfilled binder. This has been determined by frictional processes which took place between the filler and the binder as well as among the filler particles. As a result of relaxation and creep studies on ammonium perchlorate (AP) particles, it has been found that the time scale of relaxation is of the same order of magnitude as that of the filler binder. In addition, it is believed that the static indeterminacy of the unbound particles helps to explain much of the strain variation at given stress level that is observed in tensile experiments of composite propellants.     

以RDX为基的含铝炸药中铝粉粒度和氧化剂形态对加速金属能力的影响

利用激光速度干涉仪研究了含微米铝粉和纳米铝粉复合炸药加速金属平板的能力,结果表明纳米铝粉的引入能够获得更大的金属平板自由面速度,其反应时间比微米复合含铝炸药缩短35.1%。研究了氧化剂的形态对含铝炸药性能的影响,用物理化学手段获得的RDX/AP复合粒子复合粒子制作的含铝炸药加速金属平板的能力优于机械混合RDX/AP的含铝炸药,前者的反应时间也比后者短。此外,还研究了以富氧炸药取代RDX获得的含铝炸药的性能,结果表明其加速金属平板的速度比RDX/Al复合炸药提高10%。     

多孔和铸装高能推进剂的燃烧转爆轰

为研究多孔和铸装高能推进剂的危险性能 ,设计加工了燃烧转爆轰的实验装置 ,并建立了以光电管为主的测试系统。经实验发现 ,多孔装药在燃烧向爆轰的转变过程中有冲击波 /爆轰波的回传现象 ,而铸装药则没有。     

粒状火药床燃烧转爆轰的研究

以多－４５火药为研究对象，采用离子探针测速和应变片测压的技术，对强约束（钢管）条件下火药颗粒床燃烧转爆轰全过程中的火焰烽和压缩波进行了测量。提出了粒状火药燃烧转爆轰的机理。还研究了不同实验条件下火药燃烧转爆轰的敏感性。     

有氧化剂(AP)含铝炸药的爆轰性能

对有氧化剂含铝炸药(RDX/AP/Al/粘合剂=20/43/25/12,下称含铝炸药)爆轰反应的点火增长模型进行研究。用VLW状态方程方法计算了含铝炸药爆轰产物JWL状态方程;用激光速度干涉仪（VISAR）测量炸药/窗口界面粒子速度和炸药驱动金属平板自由表面速度,对试验进行了数值模拟计算,拟合了含铝炸药的反应速率方程。研究结果表明,用VLW状态方程方法和炸药/窗口界面粒子速度确定JWL状态方程和反应速率方程可行,金属平板驱动试验的计算结果与试验结果吻合。     

Multiscale modeling of heterogeneous propellants from particle packing to grain failure using a surface-based cohesive approach

In the present work,a computational framework is established for multiscale modeling and analysis ofsolid propellants.A packing algorithm,considering the ammonium perchlorate(AP) and aluminum(Al) particles asspheres or discs is developed to match the size distributionand volume fraction of solid propellants.A homogenizationtheory is employed to compute the mean stress and strainof a representative volume element(RVE).Using the meanresults,a suitable size of RVE is decided.Without considering the interfaces between particles and matrix,several numerical simulations of the relaxation of propellants are performed.The relaxation effect and the nonlinear mechanicalbehavior of propellants which are dependent on the appliedloads are discussed.A new technology named surface-basedcohesive behavior is proposed to describe the phenomenonof particle dewetting consisting of two ingredients:a damageinitiation criterion and a damage evolution law.Several examples considering contact damage behavior are computedand also nonlinear behavior caused by damaged interfaces isdiscussed in this paper.Furthermore the effects of the critical contact stress,initial contact stiffness and contact failuredistance on the damaged interface model have been studied.     

HMX基多组分PBX结构和性能的模拟研究

用分子动力学(MD)方法，对HMX基含少量TATB、F2311(粘结剂)和石蜡(钝感剂)的4组分PBX的结构和性能进行模拟研究。为细致考察各组分对主体炸药的作用，对2组分体系(HMX/TATB, HMX/F2311和HMX/石蜡)也进行类似的MD模拟。为深入揭示钝感机理和钝感剂的作用，还对HMX和石蜡超分子体系的相互作用进行量子化学第一性原理DFT计算。此外，对纯HMX及以它为基的多组分PBX的爆热和爆速进行了理论估算。结果表明，各PBX的弹性较纯HMX的有所改善，以粘结剂组分对主体炸药的力学性能影响最大。各组分的加入均或多或少地降低主体炸药的爆热和爆速。钝感剂与HMX的相互作用很弱，PBX的钝感性不是由电子结构因素所造成。多组分PBX的理论配方设计需综合考虑各种复杂因素。