复合固体推进剂中固体组分空隙率的计算方法与流程

本发明涉及复合固体推进剂，具体而言，涉及复合固体推进剂中空隙率的计算方法。

背景技术：

1、复合固体推进剂是一种高固体含量的含能弹性体，其组分包括氧化剂、粘合剂、增塑剂、金属燃料等，这些组分经过混合、浇注、固化等工艺环节最终形成了高固体组分填充的推进剂药柱。氧化剂和金属燃料是推进剂中最主要的固体组分，它们占总质量的75～90％。普通的三组元推进剂，氧化剂一般为高氯酸铵，在推进剂中的质量百分数约为30％～80％，粒径为几微米至几百微米，配方中通常使用两种或三种粒径规格的高氯酸铵；金属燃料一般为球形铝粉，含量在0～40％之间，粒度在1微米至数十微米。在nepe等高能推进剂中，配方中还会加入一定量的硝胺炸药部分取代高氯酸铵，提高能量；此外，在燃气发生剂中，氧化剂也可能使用硝酸铵。上述这些固体组分，在推进剂中呈均匀分布状态，借助粘合剂基体的粘接作用紧密堆积在一起，形成了推进剂药柱。

2、固体组分空隙率，是指推进剂中固体组分粒子紧密堆积以后粒子间可被被粘合剂基体填充的最小体积占总体积(粒子体积与基体体积之和)的百分数。空隙率的大小与推进剂能量、工艺和力学性能存在一定的相关性。对于高固体填充的推进剂，如丁羟推进剂，通过合理调整氧化剂和铝粉的粒度、级配，在保持工艺性能不变的情况下，能够降低空隙率，从而进一步提高推进剂的密度和能量性能。

3、国内外研究人员对于固体组分堆积方式及空隙率已经开展了很多研究，提出了多种堆积模型。其中，最紧密堆积模型获得了广泛认可，采用最紧密堆积模型能够计算特定级配的固体组分空隙率。而对于实际配方中固体组分的级配、粒径变化较为复杂的情况，尚未有研究人员采用该模型开展空隙率计算的报道。除了最紧密堆积，采用分子动力学方法研究推进剂固体组分堆积也比较常见，该方法先将氧化剂颗粒和金属颗粒的中心随机分布在基体内建立初始构型，然后给定颗粒速度和粒径增长速度，计算基体内颗粒运动、颗粒间碰撞以及颗粒变大过程。随着颗粒粒径不断增大，颗粒体积分数不断上升，最后达到给定体积分数。

4、综上所述，目前关于推进剂固体组分空隙率的计算方法还存在诸多不足，最紧密堆积模型用于计算空隙率，计算过程简单，仅对特定固体级配的配方可行；分子动力学方法，由于结构中颗粒数目大，需要编制程序，计算量大，且无法直接利用与实际试验所用尺寸相同的颗粒堆积体来进行数值计算。因此，针对推进剂中固体组分粒度、级配多变的特点，寻找一种简单、有效的计算方法计算空隙率，优化组分级配，提高推进剂能量和密度，就显得很有必要了。

技术实现思路

1、本技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种复合固体推进剂中固体组分粒子空隙率的计算方法。采用该计算方法，可以获得实际配方的空隙率参数，为氧化剂和铝粉的粒度、级配合理调整及配方优化提供依据，有利于改善药浆工艺性能，或者进一步提高推进剂的密度和能量性能。

2、为了实现上述目的，本技术提供的技术方案如下：

3、一种复合固体推进剂中固体组分空隙率的计算方法，包括

4、s1:根据最紧密堆积模型，计算两种固体组分级配情况下粗颗粒i、细颗粒ii的粒子体积比与直径比粗粒子体积为vi，粒径为di；细粒子体积为vii，粒径dii；

5、s2:将固体推进剂配方中n个固体组分按照粒径由大到小排序为x1、x2…xn，粒径记为d1＞d2＞…dn,相应固体组分的体积记为v1、v2…vn，计算第xi、xj组分(j＞i)的粒径比值和体积比

6、s3:根据和与和的关系，判断xi组分与xj组分的堆积形式；根据xi组分与xj组分的堆积形式计算一个或多个空隙率和/或1≦i<j≦n,1≦k≦n且k≠i,k≠j；

7、s4:根据和/或计算配方中所有固体组分的空隙率

8、所述步骤s3中，且则xi组分与xj组分形成紧密堆积，xi、xj两种组分的空隙率

9、所述步骤s3中，且则xi组分与xj组分形成部分紧密堆积且xi组分过量，xi、xj两种组分的空隙率按下式计算：

10、所述步骤s3中，且则xi组分与xj组分形成部分紧密堆积且xj组分过量，xi、xj两种组分的空隙率按下式计算：

11、所述步骤s3中，y为1-n中除k外的任意值，则xk组分不能与其他组分形成紧密堆积，xk组分的空隙率等于单级配正四面体模型的空隙率：

12、所述步骤s4中，根据xi组分与xj组分的堆积形式计算一个或多个空隙率和/或包括：

13、a1:确定形成紧密堆积的组分，形成紧密堆积的两个组分按照紧密堆积计算获得

14、a2:在除去形成紧密堆积的组分后的剩下组分中，确定形成部分紧密堆积的组分，形成部分紧密堆积的组分按照部分紧密堆积计算获得

15、a3:在除去形成紧密堆积的组分、和形成部分紧密堆积的组分后的剩下组分中，为不能形成紧密堆积的组分，根据每一个不能形成紧密堆积的组分，获得

16、所述步骤a1中，包括：

17、(1)如果xi能且只能xj组分形成紧密堆积，计算如果xi与xj、xk…组分均能形成紧密堆积，且xj粒径为xj、xk…中最大值，则计算

18、(2)除去已经形成紧密堆积的xi和xj，在剩下组分中判断是否有能够形成紧密堆积的组分；若有能够形成紧密堆积的组分，重复步骤(1)，若没有能够形成紧密堆积的组分，进行下一步骤；

19、所述步骤a2中，包括：

20、(1)在除去形成紧密堆积的组分后的剩下组分中，如果xi能且只能xj组分形成部分紧密堆积，计算如果xi与xj、xk…组分均能形成部分紧密堆积，且xj粒径为xj、xk…中最大值，则计算

21、(2)除去形成紧密堆积的组分、并除去已经形成部分紧密堆积的xi与xj，在剩下组分中判断是否有能够形成部分紧密堆积的组分；若有能够形成部分紧密堆积的组分，重复步骤(1)，若没有能够形成部分紧密堆积的组分，剩下的组分分别形成单级配正四面体堆积。

22、所述固体推进剂配方中所有固体组分的空隙率

23、

24、其中，为配方中所有固体组分堆积后形成的空隙率，v为所有固体组分体积和。

25、本发明公开的固体组分粒子空隙率的计算方法主要针对复合固体推进剂，即以粘合剂为基体材料，以氧化剂、金属燃料等为固体填料的固体推进剂。氧化剂可以是高氯酸铵(ap)、硝酸铵(an)、黑索今(rdx)、奥克托金(hmx)、二硝酰胺胺(adn)、硝仿肼(hnf)、六硝基六氮杂异戊兹烷(cl-20)、硝酸钾等固体氧化剂中的一种或几种，在推进剂中的质量百分数约为30％～80％，其粒径在几微米至几百微米，可以为单一规格或多种规格，其形貌可以是球形固体粒子，也可以是非球形固体粒子。金属燃料可以是铝粉、镁粉或硼粉中的一种，也可以是几种的组合。在推进剂中的质量百分数为0％～40％，粒径在几微米至几百微米，金属燃料的形貌可以是球形固体粒子，也可以是非球形固体粒子。

26、综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：

27、应用本发明的技术方案，通过计算推进剂中固体组分粒子的体积比、直径比，将固体粒子的堆积分成最紧密堆积、部分紧密堆积两种情况，计算出配方中所有固体组分粒子堆积形成的空隙率。固体组分空隙率的计算，为推进剂配方中氧化剂和铝粉粒度、级配的优化提供了依据，有利于改善药浆的工艺性能，提高推进剂的密度和能量性能。