磨料水射流切割复合固体推进剂的机理与过程安全性研究

This project take HTPB composite solid propellant for the study, based on continuum mechanics and finite element theory, by giving the corresponding effect of finite element formulation between abrasive particles in abrasive water jet and propellants equations and establishment suitable for abrasive water jet cutting propellant damage model analysis of the whole process. Safety of the abrasive particles according to a two-stage interaction with the propellant, i.e. quasi-static and dynamic loading during collision loading viscous heating and heating simulation results, mainly critical condition and the ignition control method for security parameters Verify that the propellant caused by abrasive jet impingement heat detonation mechanism. Experimental verification role in the change of abrasive water jet propellant surface and internal temperature and pressure, static and other risk factors through targeted water jet important parameters, such as pressure, flow, target distance, abrasive proportion and size, etc. quantitatively described, thereby establishing the impact of risk the relationship between the critical ignition conditions and jet parameters. On this basis, by orthogonal and single factor test cutting efficiency evaluation and optimization of water jet cutting parameters under the safety conditions. The study can be applied to the abrasive water jet scrapped missile weapons safe disposal of solid and reuse to provide technical support, which is important to improve process efficiency and prevent explosive aerosol generation.

本项目以复合固体推进剂（HTPB）为研究对象，根据连续介质力学和有限元理论，通过给出磨料水射流中磨料颗粒和推进剂作用的控制方程及相应的有限元列式，建立适用于磨料水射流切割推进剂全过程分析的损伤模型，并根据磨料粒子与推进剂相互作用过程的两个阶段，即动态加载过程和准静态加载过程中碰撞升温和粘性加热的计算结果，设置点火临界条件与控制安全参数的方法，研究推进剂受磨料射流冲击引起热起爆的机制。通过试验验证在磨料水射流作用下推进剂表面及内部温度及压力、静电等危险因素的变化情况，有针对性的对过程安全性进行定量说明，进而建立冲击的危险性—临界点火条件与射流参数之间的关系。在此基础上，通过正交试验和单因素试验进行切割效率的评价，优化安全切割条件下的水力和射流参数。该研究可为磨料水射流应用于报废固体导弹武器的安全处理与再利用提供技术支持，对提高处理效率和防范爆炸性气溶胶的产生具有重要意义。

HTPB推进剂因其特殊的热力学性能，使得清除退役固体火箭发动机的工作成为一种危险性极大的技术手段，其过程安全性已成为目前该领域的研究热点之一。水射流切割方式具有“降感、降温”等突出优点，能够大大降低了过程中的危险性。如果适当添加磨料，在保证安全性的前提下可以极大地提高切割效率。研究表明，射流参数是影响磨料水射流切割性能的重要因素。本课题以装备最为广泛的发动机装药—三组元HTPB推进剂（AP/Al/HTPB）为研究对象，以非淹没条件下磨料射流冲蚀切割理论为基础，开展相关理论研究和试验。首先，从安全和效率角度对该技术的应用可行性进行了较为深入的探讨，包括射流出口压力等工艺参数的分析与选取。射流出口压力的合理选择是保证推进剂发生破碎和过程安全性的首要条件。依据水射流的冲击理论和工作压力范畴，结合推进剂的力学特性，通过理论分析得到出口压力的选取范围。基于临界起爆判据 ，在此区间内分别建立了以水锤压力和滞止压力为危险源的飞片冲击模型和粘弹体–热点安全模型。以临界起爆压力衡量水锤压力在SDT过程中的安全性，并通过落锤试验进行验证。结合DSC和LASL两种试验方法确定推进剂的临界温度，用于评判LALDS过程中滞止压力作用下的温升范围。在分析计算最低出口压力的基础上，获得功率、最佳靶距和喷嘴直径等其它工艺参数。其次，射流参数的选择与优化研究。以基本水射流参数为指导，设计研制试验装置，用于模拟前混合磨料水射流的“清药”过程，对所选工艺参数进行验证和优化。以推进剂内部温度传感器的温升变化验证出口压力的选择范围，以最大切割深度说明影响切割效果的主要因素。运用正交试验着重分析出口压力、靶距、磨料浓度比和切割速度对切割效率的影响，并在此基础上进行单因素条件对切割效果的影响分析，最终完成工艺参数的选择与优化。通过试验得到的水射流参数，可在磨料水射流处置发动机装药的工程化应用上提供了理论依据，从而达到降低危险，节约成本的目的。