从固体推进剂燃烧机理研究出发,简要综述了目前在固体推进剂燃烧火焰诊断和模拟技术研究进展。从固体推进剂燃烧温度测量、燃烧火焰形态获取、燃烧组分检测、熄火表面制备与分析等方面介绍了固体推进剂燃烧火焰诊断方法在实验方面的发展情况; 探究了模型计算在固体推进剂燃烧机理方面的进展; 介绍了各诊断方法所涉及的基本原理,对比了各方法在实际燃烧诊断中的优缺点,同时对固体推进剂燃烧火焰诊断典型方法和模拟仿真技术的发展方向进行了展望。附

比较了不同降速剂在丁羟(HTPB)推进剂、双基推进剂、改性双基推进剂、硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂4种类型固体推进剂中的降速效果,并归纳总结了不同推进剂中降速剂的降速机理。HTPB推进剂降速剂研究较多的是(NH₄)₂C₂O₄和金属盐; 普通降速剂和功能降速剂均能降低双基推进剂的燃速; 改性双基推进剂以蔗糖八醋酸酯(SOA)研究居多,在2～15MPa范围内,使得推进剂燃速降低2.3～8.12mm/s; 在相同的条件下,NEPE推进剂中的复合或双功能降速剂具有较好的降速效果。建议今后降速剂的重点研究方向应集中在以下几方面:开发新型高效降速剂、深入研究复合降速剂、探索含能降速剂以及开展微纳米降速剂的研究。附

为促进附着能模型的合理使用及含能材料晶形预测方法更好地发展,综述了国内外近十年来附着能模型在含能材料晶形预测中的应用,对比了相同体系下部分晶形的预测结果,详细阐述了附着能在真空中和溶剂中的计算方法以及计算模型的构建,重点讨论了分子力场、模型尺寸、晶面-溶剂相互作用等因素对附着能计算结果的影响,并介绍了附着能模型的最新进展,包括溶剂效应的校正、过饱和度的探索、晶形预测新策略等,推动含能材料晶形预测方法向更精确的生长机制模型迈进。附

To study the effects of molecular structure and composition on the thermodynamic properties of azide plasticizer, several innovative azide plasticizers with similar molecular structure were designed. The specific heat capacities of the plasticizers were measured by using micro DSC. The combustion heats of plasticizers were measured by oxygen-bomb calorimeter, and the standard molar enthalpies of formation were calculated. The gun propellant formulations with different plasticizers were designed, and their energetic properties were calculated by means of internal energy method. The results show that the specific heat capacities increase with increasing the main chain and the number of functional groups in the side chain. The combustion heat increases with an increase in carbon content and a decrease in the carbon-hydrogen ratio. The standard molar enthalpy of formation increases with an increase in nitrogen content. 1,5-diazido-3-oxapentane(AZDEGDN)and 1-azido acetoxy-2,2-azido methyl-3-azido propane(TAMPAA)have high positive heats of formation, which are 585kJ/mol and 1212kJ/mol, respectively. The force constant of AZDEGDN-based propellant is higher by 5J/g than that of DIANP-based propellant, while the flame temperature is decrased by 128K. The force constant of TAMPAA-based propellant is higher by 20J/g than that of DIANP-based propellant, and the flame temperature is increased by 36K.

以3-氨基-1,2,4-三氮唑(1)为原料,通过重氮-N-偶联反应得到了具有三氮烯(—N=N—NH—)结构的双(1,2,4-三唑基)三氮烯(2); 利用其酸性,设计并合成了基于该阴离子的5种离子型含能化合物; 利用X-射线单晶衍射分析、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振谱(¹H NMR、¹³C NMR)、差示扫描量热仪-热失重(DSC-TG)联用等手段对所合成的化合物进行了结构表征和理化性能测试,并利用Kamlet-Jacobs方程预测了其爆轰性能。结果表明,中性化合物2以及4种含能离子化合物的热分解温度范围为164.73～210.97℃,其中羟胺盐的热分解温度为210.97℃,热稳定性较好; 正生成焓范围为509.98～937.22kJ/mol; 其中三氮烯钠盐(3)为正交晶系,空间群为Pccn,晶体密度为1.548g/cm³; 5种化合物实测感度较低,其撞击感度特性落高(H₅₀)在46.2～105.1cm之间,均优于RDX(H₅₀=46.1cm),其中中性化合物2的感度(H₅₀=105.1cm)与TNT(H₅₀=102.0cm)相近; 5种化合物理论爆速为6406～7348m/s、爆压为16.6.0～21.9GPa。

为了考察[60]富勒烯衍生物的抗氧化性能,采用密度泛函理论计算方法,在6-311G(d,p)基组水平上研究了顺-2双(苯并呋喃)[60]富勒烯衍生物与NO之间的相互作用; 对7种不同相互作用体系构型进行几何优化、能量计算、电子性质分析、Wiberg键级分析和独立梯度模型分析。结果表明,NO与顺-2双(苯并呋喃)[60]富勒烯衍生物相互作用的本质是由色散力主导的范德华弱相互作用; NO以物理形式吸附在顺-2双(苯并呋喃)[60]富勒烯衍生物表面和笼型结构内部,且以N原子端为主; 结合能绝对值排序为VII'>IX'>II'>IV'>III'>I'>V'>VI'>VIII',相比[60]富勒烯,顺-2双(苯并呋喃)[60]富勒烯衍生物与NO分子发生更强的物理吸附,[60]富勒烯的化学修饰显著提高了其抗氧化性能。

为评价环状N^-₅离子盐(N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl合成反应过程的危险性,利用反应量热仪RC1e分别对(N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl合成过程中重氮化反应、环化反应及氧化切断反应的热释放规律进行研究,获得了各步反应的放热量、最大放热速率、单位质量放热量及比热容等数据,从而确定了各反应阶段的危险等级。结果表明,重氮化反应、环化反应以及氧化切断反应3个反应阶段的总放热量分别为5.624、19.638及-0.815kJ,最大放热速率分别为25.05、12.34及2.76W,单位质量放热量分别为72.85、74.37及-10.36J/g,反应体系的绝热温升分别为27.99、23.15及-8.08K; 酸化-重氮化反应、环化反应过程属于典型的加料控制型放热反应,氧化-切断反应过程比较温和; 合成(N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl的三步反应的危险等级均为低危险等级。

为探索新型活性燃料,以高还原性的二氰胺阴离子为基,结合含氮配体1-甲基-1,2,4三唑和过渡金属中心Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd,制备出6种活性金属配合物燃料; 通过红外光谱、X射线单晶衍射和粉末衍射对其结构进行了表征; 采用差示扫描量热法(DSC)、热重分析法(TGA)对配合物的热分解过程进行了分析,并测试了机械感度; 利用氧弹量热仪测定了燃烧热,并计算生成焓; 将6种活性金属配合物与高氯酸铵(AP)以质量比为1:4混合,制备出混合含能材料并用DSC进行热分析,采用EXPLO5计算了混合物的爆轰参数。结果表明,Mn、Zn、Cd配合物的分解峰温度为210.9～395.1℃; 撞击感度均大于40J,摩擦感度大于360N,表明对机械钝感; 6种配合物中,Co的配合物的最大燃烧热为9623.2kJ/mol,Cu的配合物有最大的生成焓为1731.9kJ/mol; 6种含能混合物分解峰温为295.9～384.1℃; 安全性能好,最小撞击感度和摩擦感度值分别为34J和288N; 爆轰性能均优于TNT; 燃速可达到18.5mm/s; 理论计算每百克产气量最高可达3.37mol,表明活性金属配合物有潜力用于一些复合含能材料的燃料组分。

采用约束炸药中心电热丝点火实验,利用高速摄像机,拍摄了3种约束强度作用下PBX炸药点火后的微秒量级时间的反应演化过程; 分析了约束强弱对最终反应烈度和反应升级特征过程的影响。结果表明,约束作用强度越大,炸药点火后能达到的反应烈度越高,且反应升级速度更快; 点火后的反应演化过程大致经历了4个阶段:燃烧火焰驱动的裂纹扩展; 约束界面发生对流燃烧; 炸药基体断裂和破碎导致反应烈度急剧增大; 约束解体。其中,在裂纹扩展及燃烧火焰传播阶段,圆环约束作用主要通过影响炸药内部应力状态进而影响裂纹扩展和燃烧反应传播的过程; 在火焰达到约束界面并沿界面传播阶段,约束圆环通过变形进而引导圆环与炸药的界面发生对流燃烧; 炸药基体的断裂和破碎将导致后续反应烈度进一步地快速增大。

为了揭示较宽应变率范围内,密度对某RDX基含铝PBX炸药压缩力学行为的影响规律,分别采用电子万能试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行了准静态和动态压缩试验,获取了不同密度(1.65、1.70和1.74g/cm³)炸药在不同应变率(0.01、400、800和1300s^-1)下的压缩应力—应变行为。结果表明,该含铝PBX炸药的力学响应具有明显的应变率敏感性和密度依赖性; 随着密度的增加,弹性模量和峰值应力基本呈线性增大,其中峰值应力的增大程度随应变率增加而减小(74.89%、63.51%、44.46%及26.79%); 随着对数应变率的增大,弹性模量和峰值应力均表现为指数递增趋势。考虑应变率和密度对材料弹性模量及峰值应力的影响,建立了含损伤的黏弹塑性本构模型,拟合结果与试验结果吻合良好。表明该模型能够准确地描述较宽应变率范围(0.01～1300s^-1)内、不同密度条件下含铝PBX炸药的压缩应力—应变行为。

To study the stability and safety of powdery emulsion explosives in the process of production, transportation, storage and use, the mechanism of Deflagration to Detonation Transition(DDT)was analyzed. Powdery emulsion explosive samples with average particle sizes of 92, 130 and 150μm were selected as the research objects. Experimental methods were designed to conduct DDT experiments on different loading densities' beds by using a DDT tube sealing device. The results show that only the velocity signal of the detonation stage is detected when the fiber optic probe is located on the inner wall of the DDT tube. When the fiber optic probe is located at the axis of the explosive bed, the relative complete combustion and detonation velocity signals of the explosive bed are obtained. When the DDT tube is placed horizontally, the DDT phenomenon occurs in all the beds with the loading density of 0.67-0.89g/cm³. When the loading density exceeds this range, the combustion of the beds is easily stopped, and the DDT phenomenon is difficult to occur. When the DDT tube is placed vertically or obliquely, no detonation occurs in the explosive bed with different loading densities, and combustion that keeping away from the ignition head is not propagated. It indicats that powdery emulsion explosives cannot burn by themselves without sufficient external energy support. The position of probes and the placement types of DDT tubes directly affects the results of DDT experiments.

为了增强HMX与黏结体系的界面结合强度,解决HMX基PBX炸药界面易脱粘的问题,设计了一种双向改性包覆HMX的方法来提升炸药与黏结体系间的界面稳定性; 采用KH550对HMX进行改性,KH550、天然树脂、糊精、三(2-甲氧基氮丙啶)氧化磷(MAPO)4种表面助剂对TPU进行改性,制备了改性的HMX /TPU复合粒子; 通过接触角测试仪、XPS、SEM、FTIR、感度测试仪对样品界面参数进行表征。结果表明,与单向改性的样品相比,KH550-KH550、KH550-MAPO、KH550-糊精双向改性样品的界面黏附功提高了31.1%～32.8%; 双向改性后的样品包覆程度更高,其中KH550-MAPO双向改性样品表面的元素基团中—NO₂所占的比例较单向改性样品降低5.4%; 双向改性样品的红外特征峰无明显变化; SEM结果表明,双向改性样品表面包覆更均匀、光滑; 双向改性样品的摩擦感度较单向改性样品均有所降低。表明双向改性能针对性地对HMX与黏结剂界面结合进行修饰,改善其黏结性能。

为了研究含能黏结剂体系硝酸酯类PBX炸药在不同约束条件下的慢烤响应特性,从而为战斗部缓释结构的设计提供依据,采用装药内嵌温度传感器和调节烤燃弹壳体泄压通道大小的方法,通过慢速烤燃试验研究了不同约束条件下Φ100mm×200mm装药慢烤过程的温度场变化、点火特征及响应规律。结果表明,该炸药在慢烤条件下,随着温度的升高装药先软化变为糊状,并从排气孔不断向外挤出,最后在端盖上堆积炸药的尖端处发生点火,点火过程包括火点区域扩张、瞬态喷溅燃烧、明火稳定燃烧3个阶段,且点火扩张阶段持续时间较短,明火燃烧阶段持续时间较长; 排泄孔的大小对装药的响应温度和响应时间影响较小,但随着排泄孔面积(S_h)与装药截面面积(S_c)比值减小,装药的响应剧烈程度增大,当S_h/S_c大于16%,装药发生稳定的燃烧反应; 当S_h/S_c在5%～10%,装药发生燃爆反应; 当S_h/S_c小于5%,装药将发生爆炸及以上的反应; 当S_h/S_c不小于5%,才可以控制装药不发生壳体破碎的响应等级。

为了进一步研究DFTNAN及其低共熔物的相关性能,采用DSC、SEM对DNAN、DFTNAN及其低共熔物的热分解性能、晶体形貌和体积收缩率进行测试,并采用Kissinger法和Flynn-wall-ozawa法计算了其热分解动力学参数; 采用撞击感度仪和摩擦感度仪测试了试样的机械感度,计算了其爆轰性能。结果表明,通过对T—X相图分析,制备的DNAN/DFTNAN低共熔物的质量比为40:60; DNAN的热稳定性优于DFTNAN及其低共熔物,其中DFTNAN和其低共熔物的热分解峰温分别为279.7和262.2℃; DFTNAN的体积收缩率(13.1%)接近DNAN(13.2%),二者形成的低共熔物的体积收缩率(6.7%)最小且熔融结晶表面基本无收缩空隙区及固相聚集区; DFTNAN的氧平衡为-43.0%,爆速为8.54km/s,撞击感度和摩擦感度分别为52%和32%,其低共熔物的氧平衡和爆速分别为-64.6%和7.16km/s,撞击感度和摩擦感度分别为28%和12%,介于DNAN和DFTNAN之间,表明DNAN实现了对DFTNAN的有效降感,DFTNAN的存在提高了DNAN的爆轰性能。

为了探究新型燃料十八氢二十硼酸双四甲基铵(Me₄N)₂B₂₀H₁₈的点火和燃烧特性,通过十氢十硼酸离子氧化法成功制得了该物质,并采用氧弹量热仪测定了其燃烧热值,使用高速摄像机和红外热成像仪记录颗粒燃烧时的火焰现象以及样品的表面温度; 结合其在氮气和空气中的热重试验,探讨了其热稳定性与燃烧过程机制。结果表明,十八氢二十硼酸双四甲基铵实测密度为0.96g/cm³,且具有较高的热稳定性,在氮气中加热至250℃发生裂解, 在空气中到240℃时先裂解失重,温度升至300℃时发生热氧化增重;(Me₄N)₂B₂₀H₁₈的实测质量热值为55.5MJ/kg,点火燃烧性能较好,在空气中燃烧时具有绿色特征火焰,燃烧过程中样品表面温度可达1100℃。

为提高确定炸药JWL参数的效率,提出了一种根据圆筒试验数据快速准确标定炸药JWL参数的三点标定法。三点标定法首先对BP神经网络进行训练,使其可预测能够描述圆筒试验中能量分布和能量转换关系的圆筒能量模型,随后采用遗传算法寻找训练好的BP神经网络的全局最优解,即为炸药JWL参数。结果表明,基于圆筒试验中三个特定点的数据和圆筒能量模型,随机生成2000个样本对双隐含层结构的BP神经网络进行训练,训练好的BP神经网络可较好地预测任意一组R₁、R₂和ω代表的能量差值; 使用三点标定法分别对Φ25.4mm和Φ50mm的圆筒试验数据进行处理,得到了多种炸药的JWL参数并代入有限元软件进行数值检验,结果显示仿真和试验吻合较好,证明了三点标定法适用于两种不同直径的圆筒试验。

为研究钨合金破片对固体推进装置的毁伤效应,依据功能等效和强度等效原则,设计了固体导弹发动机缩比等效靶标,并以球形钨合金破片为毁伤元,开展了质量为3.1g与4.7g的钨合金破片分别以不同入射角、不同初速侵彻固体导弹发动机靶标的实验,对3种典型实验现象进行分析。结果表明,当钨合金破片侵彻比动能在垂直靶标方向上的分量小于7.81×10⁶J/m²时,在贯穿发动机外层壳体后仅对推进剂造成结构破坏; 当钨合金破片侵彻比动能在垂直靶标方向上的分量为1.03×10⁷J/m²时,侵入推进剂后还剩余少量动能,会先破坏推进剂结构,然后引起推进剂延迟燃烧,甚至引起发动机爆炸; 当钨合金破片侵彻比动能在垂直靶标方向上的分量大于5.22×10⁷J/m²时,贯穿发动机外层壳体后能立即引燃推进剂。

分别以1,3,5-三(2-烯丙基苯氧基)-2,4,6-三苯氧基环三磷腈(TAPPCP)和六(2-烯丙基苯氧基)环三磷腈(HAPPCP)作为耐烧蚀填料,经复配、固化制备出改性不饱和聚酯树脂(UPR)包覆层,考察了TAPPCP和HAPPCP对UPR力学性能、耐热性能和耐烧蚀性能的影响。静态力学性能研究结果表明,当TAPPCP和HAPPCP的添加量由0phr/100phr UPR增至20phr/100phr UPR时,改性UPR在20℃时的拉伸强度由37.74MPa分别增至55.98MPa和60.31MPa,断裂延伸率由8.05%分别降至3.61%和3.17%; 热失重分析和烧蚀率测试结果表明,经TAPPCP和HAPPCP改性的UPR的耐热性和耐烧蚀性提高,800℃时的热失重由75.35%分别降至57.82%和46.89%,线烧蚀率由0.678mm/s分别降至0.181mm/s和0.116mm/s,质量烧蚀率由0.812g/s分别降至0.253g/s和0.206g/s。

为研究HTPE/AP/Al/RDX推进剂在宽温域下的准静态力学性能,通过单轴拉伸试验获取了HTPE/AP/Al/RDX推进剂在温度-50～70℃及5种应变率下的应力—应变曲线,通过推进剂的断面形貌法分析了其损伤失效形式,分析了温度和拉伸速率对推进剂力学性能的影响规律,并拟合了相关力学性能主曲线。研究表明,随温度升高,HTPE/AP/Al/RDX推进剂的最大拉伸强度从-50℃的5.44MPa下降至70℃下的0.75MPa,断裂延伸率先升高后降低,常温最高可达75.9%,-50℃下最低仅有25.9%; 随应变率增加,最大拉伸强度提高,如-50℃下从1.99MPa提高到5.44MPa,断裂延伸率变化较为复杂; HTPE/AP/Al/RDX推进剂的断裂发生了脆-韧转变,推进剂在常温和高温下的损伤主要以脱湿为主; 在低温下的损伤主要为黏合剂基体撕裂和填料的穿晶断裂,且随应变率增加,填料的穿晶断裂更显著。建立的力学性能主曲线可对HTPE推进剂在-50℃至70℃的宽温域内不同应变速率下的最大拉伸强度进行预测,为装药结构完整性分析提供数据帮助,为HTPE推进剂的实际应用奠定基础。

为了研究二茂铁衍生物在HTPB推进剂中的迁移规律及对推进剂燃速的催化作用,利用“三明治”试件模拟70℃下二茂铁类衍生物在HTPB推进剂体系中的迁移过程,并以此来评价二茂铁衍生物的迁移性能; 在相同HTPB推进剂配方条件下,测定了不同二茂铁衍生物对推进剂燃速的催化作用; 通过Gaussian程序计算得到二茂铁衍生物的偶极矩、能量等理论性质,并分析与测试结果之间的关系。结果表明,二茂铁衍生物的分子偶极矩与取代链段密切相关,增塑剂癸二酸二异辛酯分子的偶极矩受链段构象的影响明显,常温下趋向于偶极矩较大的构象,高温下则趋向于偶极距较小的构象; 根据建立的“溶解-解析”模型分析得出,二茂铁衍生物的偶极矩与增塑剂的偶极距越接近,迁移率越小; 在对HTPB推进剂燃速的催化作用上呈现出二茂铁衍生物的铁含量越高,二茂铁衍生物HOMO与LUMO的能量差越小,催化作用越明显。

针对内弹道性能模拟对发射药燃烧表面积计算的需求,提出了一种异形发射药药形计算与设计方法; 设计了三角形柱状、梯形柱状和四边形柱状发射药,利用切分-独立计算-整体加和的计算原理,对其面积及体积随燃烧深度变化规律进行了计算; 根据几何燃烧定律,推导了燃气生成猛度与发射药已燃百分数之间的函数关系,并讨论了内孔径对发射药燃烧渐增性的影响; 对12孔梯形柱状发射药进行了试验验证。结果表明:异形发射药在内外弧厚保持一致、长宽比保持不变基础上,其理论燃烧过程呈增面燃烧的趋势,且随着孔径减小燃烧分裂点后移,但孔径变化对发射药燃烧过程影响有限。12孔梯形发射药的实际燃烧过程具有燃烧渐增性,但由于实际发射药尺寸以及点火一致性的偏差,测试结果与理论计算结果有一定误差。