文档介绍:推进剂燃速预估技术在配方设计中
的应用研究(CMDB)
曹铮
(师范学院化生教育系化学专业 19961397)
第一章绪论
固体推进剂是固体火箭发动机的动力源,固体推进剂技术是现代固体火箭动力技术的核
心和基础。固体推进剂的性能直接影响到战略,战术导弹武器的生存能力和作战使用效能,
对打赢高技术条件下的局部战争和建立有效的核打击力量,增强国家综合国力有着举足轻重
的作用和影响。同时固体推进剂在航天领域中已得到普遍重视,被广泛用于助推、远地点、
姿控和入轨等发动机。已成为空间技术不可缺少的一种动力源。
科学技术,特别是材料科学技术的不断发展,航天技术的不断进步,以及世界军备竞赛
的日益升级,促使作为动力源的复合固体推进剂的能量和性能不断提高,品种也不断更新。
自二十世纪四十年代以来,先后经历了沥青、聚硫、聚酯、聚氯乙烯、聚氨酯、聚丁二烯、
DB、CDB、CMDB 和叠氮类推进剂等品种的更替。由于 CSP 比 DB 优越得多,而且高分子工业
也蓬勃发展,人们非常重视 Al/AP/HTPB 等新型推进剂,并做了大量的研究工作,建立了许
多燃烧模型。如:BDP、PEM、价电子模型等。模拟计算的精度已比较高。但在 DB 基础上发
展起来的作为战略导弹使用的 CMDB 具有高的比冲,高的密度;作为战术导弹使用的 CDB 具
有少烟,腐蚀性小,燃烧温度低,力学性能好,能量高的特点,使 CMDB 成为当前固体推进
剂的主要研究方向之一。例如:
1、 CMDB 是当前国外使用的能量最高的固体推进剂之一。
2、英、美、日、德、法都在积极研制,把发展 CMDB 作为当前获得高能推进剂最现实、
最有效的途径之一。
3、 CMDB 的原材料有工业基础,工艺成熟,产品性能重现性好。
正统的 CMDB 是由 NC/NG 的双基药为粘合剂,以 AP、RDX、HMX 为氧化剂,以 Al 粉为含能
添加剂,用粒铸法或塑溶胶生产的。根据国内外实践,国内已具备了以下条件:
1、通过多年的研制和发动机实验,我们已有良好的 CMDB。
2、原材料中,特别是 NC/NG 有大工业生产基地,性能稳定。
3、 CMDB 的抗老化性能好(十年以上)。
4、 CMDB 的原材料的便宜,如 HTPB 的价格约为 DB 粘合剂的 6-10 倍。基于以上几个方面
的原因,我们选择了 CMDB 这个专题。
在文献调研中我们发现,几乎所有关于 AP-CMDB 燃速预估的物理模型都是建立在
等人提出的 AP-CMDB 推进剂稳态燃烧模型之上的。其主要内容如下:
先假定 DB 基体的消失速度在燃烧表面不同区域内是不同的,并认为:(1)远离 AP 晶
粒的双基基体表面由双基火焰的气相区向表面反馈热量,故其消失速度与 DB 相同;(2)AP
晶粒附近的双基基体表面,反馈的热量来自 AP/DB 火焰,其消失的速度近似等于 AP 晶粒的
消失速度,即 AP-CMDB 推进剂的气相区由 DB 母体的初始反应火焰(相当于嘶嘶区反应),AP
单元推进剂火焰以及 AP/DB 扩散火焰构成。其中,DB 焰和 AP 焰为预混火焰,AP/DB 焰为扩
散火焰,这样,AP-CMDB 的燃速 r 就可根据各区所占的体积分数按下式进行计算:1/r=X/rAP+
(1-X)/rDB,其中 X 为双基基体与 AP 燃速相同的 CMDB 的体积分数。在具体的数学处理中,
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由于考虑的侧重点不同,有以下类型:
和 将 AP-CMDB 推进剂燃烧表面分为两个区域:一个区域是远离
AP 的 DB 区域,其燃烧表现出双基推进剂的燃烧特征,即发光火焰区对燃面传热的影响忽略,
仅考虑 DB 母体初始反应区和凝聚相反应区对燃速的影响;另一个区域则由 AP 与邻近的 DB
母体构成,由于邻近 AP 的 DB 母体可以接受 AP 焰及 AP/DB 焰的传热,其燃速高于远离 AP
的 DB 母体燃速,该模型假设相邻 AP 的 DB 消失速度近似等于 AP 的消失速度。设相邻 AP 的
DB 母体的体积分数为 X,同时假设上述两个区域独立燃烧,则推进剂中各燃速由下列各式决
定:
1/r=X/rAP+(1-X)/rDB
DB 母体内 AP 晶粒的燃速经实验研究可归纳为:
rAP=k×P /D
DB 燃速可由 Arrhenius 表面反应得到:
rDB=AS1×EXP(-ES1/R0×TSDB)
此外,DB 燃速还可由 KOCS 模型得到(参见文献 1)。