铝冰推进剂力学性能及内压载荷下力学响应特性分析

摘要

随着航空航天技术的发展，人类对于高能量密度燃料的需求变得日益迫切。铝冰推进剂就是一种高能量密度的新型推进剂。它以纳米铝粉为燃料，水为氧化剂，二者均匀混合之后经低温冷冻成形，制成推进剂药柱。在工作时，水与铝分别通过冰的融化与纳米铝粉氧化层的破裂相接触，发生氧化还原反应放出大量的热，并产生氢气。燃气在拉法尔喷管中膨胀做功，实现高能推进的效果。
　　哈尔滨工程大学在进行铝冰推进剂比冲性能测试的初期实验中，曾出现发动机点火初期爆炸事故。中国航天科技四院42所在进行某铝基高能推进剂发动机实验中也出现过类似情况。经初步分析，因铝冰推进剂的配方与制造工艺均与常规推进剂存在着巨大差异，其自身可能具有与众不同的力学特性，这也就导致铝冰推进剂药柱在发动机的内压载荷下所表现出的力学响应可能有所不同，很可能是铝冰推进剂药柱点火过程中破坏的主要原因。
　　本文首先使用 INSTRON8801电子万能实验机对铝冰推进剂的力学性能进行了测试。通过实验中的观察以及对应力-应变曲线的分析，发现铝冰推进剂表现出近似的线弹性特征。铝冰推进剂的破坏形式与复合推进剂类似，存在着“脱湿”的现象，但是并不存在应力-时间的变化，与常规推进剂的粘弹性特性有所不同。在此基础上，分析了铝冰推进剂在不同的配方及制造工艺下所表现出来的不同力学特性。铝冰推进剂的弹性模量为483.67MPa-1470.22MPa，泊松比为0.275-0.337，可以发现，与常规推进剂相比，铝冰推进剂存在着明显的高模量、低泊松比的特性。同时，其弹性模量随铝粉体积分数的升高和固化温度的降低而升高，泊松比随固化温度的降低而有一定程度的下降，屈服极限随铝粉颗粒直径的增大而显著下降。
　　在铝冰推进剂力学性能测试的基础之上，分别通过理论分析与有限元计算的方法得出了铝冰推进剂药柱在燃烧室的内压载荷以及壳体的外部支撑作用下所表现出来的应力、应变以及形变等力学响应的分布规律，确定了药柱内表面为主要研究对象。并分析了推进剂自身的弹性模量、泊松比以及燃烧室壳体的刚度对药柱内表面的应力、应变及形变量的影响规律，指出铝冰推进剂的高模量、低泊松比特性会导致药柱内表面的等效应力显著上升，安全系数降低。在铝冰推进剂配方与工艺的设计中，应严格控制纳米铝粉的含量，提高推进剂的固化成形温度，减小纳米铝粉颗粒直径，以改善其力学性能。同时，在铝冰推进剂的高模量特性下，其药柱内表面的等效应力对于燃烧室壳体刚度的变化异常敏感，这一点在常规固体火箭发动机的设计中往往是被忽略的。因此，在铝冰推进剂发动机的设计中，不仅要进行常规的强度校核，还要进行必要的刚度校核，以保证铝冰推进剂药柱结构的完整性。

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第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2固体推进剂低温力学性能研究的国内外发展现状

1.3药柱结构完整性分析的国内外发展现状

1.4本文主要研究内容

第2章 铝冰推进剂力学性能的测试与分析

2.1引言

2.2实验方法

2.3实验对象

2.4实验设备

2.5实验结果的分析与力学模型的建立

2.6影响铝冰推进剂力学性能的参数分析

2.7铝冰推进剂破坏的判断准则

2.8本章小结

第3章 内压载荷下推进剂药柱力学响应规律的理论分析

3.1引言

3.2弹性力学的基本方程

3.3弹性力学的基本假设

3.4内压载荷下推进剂药柱力学行为的理论分析

3.5本章小结

第4章 内压载荷下铝冰推进剂力学响应特性有限元分析

4.1引言

4.2物理模型与边界条件

4.3假设条件

4.4计算结果与分析

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢