鋁冰推進劑力學性能及內(nèi)壓載荷下力學響應特性分析.pdf

1、隨著航空航天技術的發(fā)展，人類對于高能量密度燃料的需求變得日益迫切。鋁冰推進劑就是一種高能量密度的新型推進劑。它以納米鋁粉為燃料，水為氧化劑，二者均勻混合之后經(jīng)低溫冷凍成形，制成推進劑藥柱。在工作時，水與鋁分別通過冰的融化與納米鋁粉氧化層的破裂相接觸，發(fā)生氧化還原反應放出大量的熱，并產(chǎn)生氫氣。燃氣在拉法爾噴管中膨脹做功，實現(xiàn)高能推進的效果。
　　哈爾濱工程大學在進行鋁冰推進劑比沖性能測試的初期實驗中，曾出現(xiàn)發(fā)動機點火初期爆炸事故。中

2、國航天科技四院42所在進行某鋁基高能推進劑發(fā)動機實驗中也出現(xiàn)過類似情況。經(jīng)初步分析，因鋁冰推進劑的配方與制造工藝均與常規(guī)推進劑存在著巨大差異，其自身可能具有與眾不同的力學特性，這也就導致鋁冰推進劑藥柱在發(fā)動機的內(nèi)壓載荷下所表現(xiàn)出的力學響應可能有所不同，很可能是鋁冰推進劑藥柱點火過程中破壞的主要原因。
　　本文首先使用 INSTRON8801電子萬能實驗機對鋁冰推進劑的力學性能進行了測試。通過實驗中的觀察以及對應力-應變曲線的分析，

3、發(fā)現(xiàn)鋁冰推進劑表現(xiàn)出近似的線彈性特征。鋁冰推進劑的破壞形式與復合推進劑類似，存在著“脫濕”的現(xiàn)象，但是并不存在應力-時間的變化，與常規(guī)推進劑的粘彈性特性有所不同。在此基礎上，分析了鋁冰推進劑在不同的配方及制造工藝下所表現(xiàn)出來的不同力學特性。鋁冰推進劑的彈性模量為483.67MPa-1470.22MPa，泊松比為0.275-0.337，可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)推進劑相比，鋁冰推進劑存在著明顯的高模量、低泊松比的特性。同時，其彈性模量隨鋁粉體積分數(shù)

4、的升高和固化溫度的降低而升高，泊松比隨固化溫度的降低而有一定程度的下降，屈服極限隨鋁粉顆粒直徑的增大而顯著下降。
　　在鋁冰推進劑力學性能測試的基礎之上，分別通過理論分析與有限元計算的方法得出了鋁冰推進劑藥柱在燃燒室的內(nèi)壓載荷以及殼體的外部支撐作用下所表現(xiàn)出來的應力、應變以及形變等力學響應的分布規(guī)律，確定了藥柱內(nèi)表面為主要研究對象。并分析了推進劑自身的彈性模量、泊松比以及燃燒室殼體的剛度對藥柱內(nèi)表面的應力、應變及形變量的影響規(guī)律，

5、指出鋁冰推進劑的高模量、低泊松比特性會導致藥柱內(nèi)表面的等效應力顯著上升，安全系數(shù)降低。在鋁冰推進劑配方與工藝的設計中，應嚴格控制納米鋁粉的含量，提高推進劑的固化成形溫度，減小納米鋁粉顆粒直徑，以改善其力學性能。同時，在鋁冰推進劑的高模量特性下，其藥柱內(nèi)表面的等效應力對于燃燒室殼體剛度的變化異常敏感，這一點在常規(guī)固體火箭發(fā)動機的設計中往往是被忽略的。因此，在鋁冰推進劑發(fā)動機的設計中，不僅要進行常規(guī)的強度校核，還要進行必要的剛度校核，以保證