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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。