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三组分球形颗粒任意堆积 25
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结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
1 引言
纵观21世纪国内外固体推进剂的发展趋势，高能化一直是是固体推进剂研制发展 的永恒主题。在高能化过程中，除了新材料、新技术的研究，提高固体火箭发动机的 装药量也是有效途径之一，而提高装药量除可以通过提高装填密度(单位容积所能装 填的推进剂质量，单位为克/立方厘米)实现外，提高推进剂本身的密度也是非常重要 的。推进剂的密度与组元密度密切相关，特别是复合推进剂中的固体组元如氧化剂颗 粒影响非常大。采用多级颗粒掺混的办法（即在大颗粒达到紧密堆积的基础上，加入 中颗粒，再在中颗粒的空隙中加入小颗粒，直到体系的空隙率最小，固体体积分数最 大为止），可以使推进剂密度得以提高。因为最紧密排列依赖于合理的颗粒级配从而 实现堆积密度的提高。
1.1 颗粒级配的研究背景与意义
固体火箭推进剂主要包含燃料、氧化剂这两种物质，这些组元能安全地结合在一 起形成可贮存的固体药柱。传统意义上，可分为两大类—双基( 均质的) 推进剂和复 合( 异质的)推进剂。复合推进剂是由各种附加物，磨细的无机氧化剂与一种高分子 燃料粘合剂组合成的异质混合物。[1]在复合推进剂中，级配颗粒的大小、体积分数和 级配级数等等，均会影响推进剂的密度。本文旨在建立参与级配的颗粒粒径和体积分 数的数学关系和直观的图像显示。复合推进剂的制造工艺一般包括如下工序：氧化剂 准备、混合、浇注、固化、各种性能的检验。在氧化剂准备阶段，需要确定氧化剂粒 度的大小、粒度分布和颗粒形状筛选、称重和烘干，其中关于“确定大小粒径的颗粒 分数之和 1 的最佳粒级组合，包括颗粒级数、粒径比和体积分数比”的研究具有很重 要的实际作用。
国外固体推进剂发展迅猛，未来一段时间内固体推进剂将会继续朝着高性能、高 可靠性、低成本方向发展，将会开发并研制高能推进剂、钝感推进剂、能量可变、污 染少的推进剂和低特征信号推进剂，使产品更绿色，能源利用率更高。尽管在高能化 过程中不断涌现出各种新材料和新技术，然而提高固体火箭发动机的装药量一直是最 经典最有效的方法之一。[2]
近年来， 国内固体推进剂的研究也取得了很多进步，固体火箭体系的研究和制 造成本与液体火箭体系相比都非常低廉。但令人沮丧的是固体火箭的可靠性始终不如
液体火箭的可靠性高。主要在于国体火箭有以下两个缺点：大量产生云烟；比推力小。 增加氧化剂的含量是提高比推力最简捷的办法，而优化固体推进剂性能新方法之一便 是增加固体粒子( 氧化剂和铝粉) 的填充率。[3]为了尽量地填充更多的固体颗粒，在 内接一次球形粒子群里，又内接二次粒子，使之混合。接着在一次粒子与二次粒子群 里再内接三次粒子，如此反复下去， 直到在理论上能得到最高比推力为止， 这样能 够提高氧化剂的比重，即推进剂的密度增大，进而增大推进剂的比冲。
合理的氧化剂颗粒级配除了能提高复合推进剂的密度之外，对优化推进剂的理化 性能、弹道性能同样有很好的效果。例如，铝粉和AP级配对HTPB推进剂药浆流变性 能有显著影响。推进剂药浆的主要成分是氧化剂和铝粉，两者对药浆的流变性有非常 大的影响。推进剂体系增大假塑性指数值、粘度、屈服值通过级配下降的原因在于合 理的级配使得颗粒空隙率降低， 而且小粒度具有的润滑可以使粒子聚集结构强度降 低。 铝粉颗粒表面的微碱性和相互间不产生影响，这使级配的作用得以增强。[4]主要 影响因素有表面性质、外形、配方其它组分、含量、级配与粒度，还有影响固化反应 的诸项。通过做实验发现，AP单模药浆的表观粘度、屈服值及相对触变破坏百分数都 比同体积分数下三级配AP药浆的高，剪切速率指数明显降低，验证了氧化剂AP 级配 后显著改善了药浆的流变特性。