AP基热平衡推进剂设计、性能及应用探索

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固体推进剂是一种自身既含有氧化剂又有还原剂的含能材料,因此,固体推进剂一经点火其燃烧将持续至推进剂燃尽,而不能中断,实现固体推进剂的多次点火熄火启动将意味着固体发动机技术的重大突破。基于此需求,本文通过分析AP基复合推进剂的燃烧机理,从推进剂燃烧表面吸热放热平衡角度出发,优选出WA、WC作为热平衡材料对AP基复合固体推进剂进行燃烧热平衡调控,设计并制备了具备可控燃烧-熄火特性的热平衡推进剂,采用热分析、恒压燃烧实验和导热性分析等研究推进剂性能,并结合小尺寸装药激光点火实验和Φ75mm发动机开展该推进剂应用探索。主要研究工作如下:(1)采用DSC、TG热分析方法研究了AP、热平衡材料的热分解特性和不同热平衡材料添加量对AP热分解的影响规律。结果表明:热平衡材料包含多个吸热分解阶段;随着热平衡材料的增加,AP的第一分解放热峰向右移动,第二分解放热峰向左移动,且AP分解放热焓变降低;动力学分析表明热平衡材料抑制了AP分解放热的第一阶段第二阶段,四种热平衡材料可起到抑制AP放热分解的作用。(2)以AP/HTPB推进剂体系为基础,通过引入热平衡材料,结合推进剂爆热、爆温的理论计算,开展了热平衡推进剂的设计研究。结果表明:随着热平衡材料比例的增加,在不考虑其他抑制效果情况下,AP基热平衡推进剂所释放的理论热量与温度同步逐渐减小,呈线性关系,经过线性拟合,达到AP最低分解热量1068.1k J/kg所需要添加的热平衡材料的量分别为42%、25%、35%和29%,推进剂常压点火燃烧实验表明,在热平衡材料的调控下,推进剂样品在给予火源后,能够被点燃,移除火源,推进剂样品熄灭,初步达到设计效果。因此,设计基于WA和WC的热平衡推进剂;(3)通过工艺和配方优化制备了AP基热平衡推进剂,并利用燃速分析、DSC、TG、热导率分析研究了所制备的AP基热平衡推进剂的性能。结果表明:随着热平衡材料的增加,热平衡推进剂恒压燃烧速率逐渐降低,热平衡推进剂存在燃烧熄火临界压强7.5MPa,热平衡控制较好;随着添加剂的增加,热平衡推进剂导热系数逐渐增大,较大的导热系数使得分解吸热作用增强,同时使AP分解的热量减少;(4)利用小尺寸燃烧器和Φ75mm发动机对AP基热平衡推进剂配方进行激光和发动机点火熄火燃烧测试。结果表明:在给予激光点火后,热平衡推进剂在小尺寸燃烧器中能够点火,停止激光点火,推进剂熄火,且随着添加剂比例的增大,熄火延迟缩短,具备多次点火熄火启动能力;在Φ75mm发动机中,热平衡推进剂不易被点燃,相关应用需进一步探索。
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