HTPB复合固体推进剂静电放电危险性研究

论文摘要

随着高能固体推进剂及其固体火箭发动机技术的发展和应用,对其安全性和安全使用的重视程度不断提升。静电是固体推进剂常见的危险激源之一,而且具有相当大的隐蔽性。静电对固体推进剂的危害过程包括静电积累、静电放电、放电击穿及击穿后引发(燃烧、爆炸等)等步骤,其中静电放电是引发推进剂的关键步骤。推进剂的静电危险性研究主要包括静电感度的表征、推进剂配方与静电感度的关系、推进剂静电放电危险性的作用机制、静电放电危险性主要影响因素分析、静电放电危险性过程仿真和数值分析等。显然,这些研究成果对推进剂安全生产、使用和防护具有十分重要的意义。本文以HTPB复合固体推进剂为研究对象,围绕静电放电对HTPB推进剂作用过程中的电击穿、击穿后引发两个关键步骤,对HTPB推进剂的静电放电危险性进行系统的研究。建立了固体推进静电感度精确测试装置;系统考察了HTPB推进剂的配方参数、力学性能和缺陷等因素对其基本电学性能和静电感度的影响规律;分析了高压电击穿特性和击穿后引发特性的显著性影响因素;合理推断了静电放电对HTPB推进剂的作用机制;建立了基于热点形成与发展的推进剂静电放电危险性计算模型,开展了HTPB推进剂静电放电危险性影响因素的数值研究。推进剂的电击穿特性主要受其电学性能和力学性能等材料物理性质的影响。HTPB推进剂的击穿电场强度随体积电阻率的增加而升高,随介电常数的增加而降低。最大抗拉强度越大的推进剂,在击穿及形成裂纹时所需消耗的能量越多,击穿电场强度越大。HTPB基体属于高体积电阻率、低介电常数物质,其击穿电场强度很高;Al粉、AP等低体积电阻率、高介电常数物质的加入,使击穿电场强度下降。推进剂的电学性能和力学性能取决于配方参数,即配方参数是影响击穿电场强度的内在原因。Al粉含量是击穿电场强度的最显著影响因素。通过测试实际作用于被测推进剂试样上的电压和电流值、调整试样厚度与电极间距、适度增加电路的放电作用时间等技术措施,解决了现有静电感度测试不考虑装置中其它能量损耗导致测试结果偏大、放电时间过短导致部分推进剂不引发等问题。建立了固体推进剂静电感度精确测试装置。Al粉含量增加、RT值降低、GFP含量增加、试样厚度减小均使HTPB推进剂的静电感度升高。试样电击穿后的引发特性与推进剂的反应特性密切相关,主要取决于HTPB推进剂配方中的AP及粘合剂含量。HTPB粘合剂热分解反应吸热,在电击穿后完全依赖外界输入的热量,使其达到引发状态所需的外界能量大;AP自身分解放热,且AP的氧化性分解产物与HTPB的分解产物能进一步反应放热,故氧化剂AP的加入使推进剂可以在较低的外界输入能量条件下引发;Al粉在静电放电作用中不参与反应;GFP通过催化AP的热分解,促进推进剂更快地释放热量,也可以在较低的外界输入能量条件下引发。静电放电对HTPB复合固体推进剂的作用机制为:静电积累形成的高压静电场放电过程中,推进剂受到大于击穿电压的作用后,其内部孔隙中的气体首先发生击穿(部分击穿);进而由部分击穿迅速发展成完全击穿,并形成贯穿型不规则裂纹;击穿电流产生的焦耳热效应对放电通道及周围的推进剂有加热作用;若进一步提高放电能量或作用时间,推进剂发生引发。建立了基于热点形成与发展的推进剂静电放电危险性计算模型,模拟了电击穿导致推进剂中裂纹扩展和热点发展过程;开展了HTPB推进剂静电放电危险性影响因素的数值分析,考察了推进剂的热分解特性、力学性能和尺寸等对静电危险性的影响;数值分析结果表明,降低裂纹扩展耗能、提高推进剂反应放热量等均有利于推进剂的引发,使静电感度升高;推进剂厚度越大,静电感度越低,但单位厚度的临界放电能量降低。

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摘要

Abstract

符号说明

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 固体推进剂常见危险源

1.1.2 静电的产生及危害形式

1.1.3 静电对固体推进剂的危害

1.2 固体推进剂静电放电危险性研究进展

1.2.1 固体推进剂静电放电危险性测试方法

1.2.2 固体推进剂静电放电危险性规律及理论预估

1.2.3 静电放电对推进剂作用机理

1.3 本文研究内容

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究总体思路与本文章节安排

第二章 HTPB 复合固体推进剂的高压电击穿特性

2.1 引言

2.2 HTPB 复合固体推进剂的基本电学参数

2.2.1 试样

2.2.2 体积电阻率

2.2.3 相对介电常数

2.3 HTPB 复合固体推进剂的击穿电场强度

2.3.1 测试原理

2.3.2 测试装置

2.3.3 测试结果

2.4 HTPB 复合固体推进剂击穿电场强度与基本电学参数的相关性

2.4.1 击穿电场强度与基本电学参数的定性关系

2.4.2 击穿电场强度与基本电学参数的定量关系

2.5 本章小结

第三章 HTPB 复合固体推进剂的静电感度

3.1 引言

3.2 静电感度精确测试方法的设计与实现

3.2.1 测试原理

3.2.2 实验方法

3.2.3 数据处理方法

3.3 HTPB 推进剂配方参数与其静电感度的关系

3.3.1 试样

3.3.2 静电感度部标法与精确测试法两种实验方法结果对比

3.3.3 HTPB 固化胶片的静电感度

3.3.4 HTPB 推进剂的静电感度

3.4 本章小结

第四章静电放电对HTPB 复合固体推进剂的作用机制

4.1 固体推进剂的静电放电危险性演化过程

4.1.1 静电积累和释放

4.1.2 推进剂及发动机静电积累和释放

4.1.3 固体推进剂静电放电危险性的演化特征

4.2 HTPB 复合固体推进剂的电击穿机制

4.2.1 电介质的电击穿特性

4.2.2 HTPB 复合固体推进剂的电击穿特性

4.3 HTPB 复合固体推进剂电击穿后的引发机制

4.3.1 固体推进剂电击穿后的引发机制

4.3.2 HTPB 推进剂的反应特性

4.4 本章小结

第五章固体推进剂静电放电危险性的数值分析

5.1 引言

5.2 固体推进剂静电放电危险性发展物理模型

5.3 固体推进剂静电放电危险性发展数学模型

5.3.1 传热传质控制方程

5.3.2 定解条件

5.3.3 裂纹扩展控制方程

5.4 数值算法

5.5 静电放电作用时HTPB 推进剂中裂纹和热点的发展过程模拟

5.6 HTPB 推进剂静电放电危险性影响因素的数值研究

5.6.1 HTPB 推进剂热分解性能对静电放电危险性的影响

5.6.2 HTPB 推进剂力学性能对静电放电危险性的影响

5.6.3 HTPB 推进剂的尺寸对静电放电危险性的影响

5.7 本章小结

第六章结论与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A 交联密度的溶胀法测定原理

附录B 灰色关联分析法的原理及计算方法

附录C ρ（M，b）数据表

附录D G（ρ，b）数据表

附录E t 分布分位数表

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