鋁冰推進(jìn)劑力學(xué)性能及內(nèi)壓載荷下力學(xué)響應(yīng)特性分析.pdf

1、隨著航空航天技術(shù)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(jìn)劑就是一種高能量密度的新型推進(jìn)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(jìn)劑藥柱。在工作時(shí)，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(yīng)放出大量的熱，并產(chǎn)生氫氣。燃?xì)庠诶枃姽苤信蛎涀龉?，?shí)現(xiàn)高能推進(jìn)的效果。
　　哈爾濱工程大學(xué)在進(jìn)行鋁冰推進(jìn)劑比沖性能測試的初期實(shí)驗(yàn)中，曾出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火初期爆炸事故。中

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

3、發(fā)現(xiàn)鋁冰推進(jìn)劑表現(xiàn)出近似的線彈性特征。鋁冰推進(jìn)劑的破壞形式與復(fù)合推進(jìn)劑類似，存在著“脫濕”的現(xiàn)象，但是并不存在應(yīng)力-時(shí)間的變化，與常規(guī)推進(jìn)劑的粘彈性特性有所不同。在此基礎(chǔ)上，分析了鋁冰推進(jìn)劑在不同的配方及制造工藝下所表現(xiàn)出來的不同力學(xué)特性。鋁冰推進(jìn)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(jìn)劑相比，鋁冰推進(jìn)劑存在著明顯的高模量、低泊松比的特性。同時(shí)，其彈性模量隨鋁粉體積分?jǐn)?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(jìn)劑力學(xué)性能測試的基礎(chǔ)之上，分別通過理論分析與有限元計(jì)算的方法得出了鋁冰推進(jìn)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(yīng)力、應(yīng)變以及形變等力學(xué)響應(yīng)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(jìn)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(yīng)力、應(yīng)變及形變量的影響規(guī)律，

5、指出鋁冰推進(jìn)劑的高模量、低泊松比特性會(huì)導(dǎo)致藥柱內(nèi)表面的等效應(yīng)力顯著上升，安全系數(shù)降低。在鋁冰推進(jìn)劑配方與工藝的設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格控制納米鋁粉的含量，提高推進(jìn)劑的固化成形溫度，減小納米鋁粉顆粒直徑，以改善其力學(xué)性能。同時(shí)，在鋁冰推進(jìn)劑的高模量特性下，其藥柱內(nèi)表面的等效應(yīng)力對于燃燒室殼體剛度的變化異常敏感，這一點(diǎn)在常規(guī)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中往往是被忽略的。因此，在鋁冰推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，不僅要進(jìn)行常規(guī)的強(qiáng)度校核，還要進(jìn)行必要的剛度校核，以保證