POLYFLOW推进剂生产中捏合工艺的物料流变数值模拟(2)

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致谢 22

参考文献 23

1 绪论

1.1 课题背景和意义

固体推进剂在航空航天和国防领域应用广泛，其制造工艺包括氧化剂制备、药浆预混合、混合、浇注和固化等。在药浆混合工艺过程，氧化剂（如高氯酸氨 AP、黑索今RDX、奥克托今 HMX 等）、金属燃烧剂（如铝粉、铍粉、硼粉等）与高粘度液态粘合剂经过一段时间的充分混合，混合过程中需加入增塑剂和固化剂等，然后对药浆进行浇注和固化。固体推进剂药浆是一类有屈服值的假塑性非牛顿流体物料，其混合是典型的固液两相多组分物料混合过程。其中，固相组分包括氧化剂和金属燃烧剂，液相组分包括粘合剂、增塑剂和固化剂等。药浆混合是固体推进剂生产的关键工序，其混合性能直接影响推进剂的加工性能、力学性能和燃烧特性[1]。

混合是工业生产中最常见的操作，而各种化合物在高粘度液体环境下进行混合更是很多工业产品生产的重要环节。从基本化学工业到精细化工工业，从食品处理到固体推进剂的制造以及药品的生产，高粘度物料混合无所不在。自推进剂发展以来，推进剂制造工艺与设备研究一直在稳步前进，尤其在固体推进剂制造领域，各种新工艺、新设备不断出现，极大促进该领域的发展。在固体推进剂的制备过程中，主要是利用混合设备通过一定的混合时间将氧化剂(含粗、细粉料)、铝粉和一种高粘度的聚合物以及其它小组分混合在一起，形成均匀的悬浮体，然后将该悬浮体浇注进发动机壳体内，在一定的温度下进行固化，形成具有一定力学性能和燃烧性能的固体推进剂药柱[2]。混合质量的好坏直接影响到固体推进剂产品性能，如燃烧过程的稳定性、药柱结构的均匀性等都和混合设备的混合性能密切相关。在被混组分一定的前提下，混合效率高低主要取决于混合设备的结构设计以及混合操作工艺的合理性。

固体推进剂药浆混合是典型的固液两相多组分物料混合过程。两相或多相体系最重要的特性是分散相的存在使其物理性质在分散相与连续相之间的界面间断，分散相与连续相之间的相互作用使两相或多相体系的流体动力学特性与单相体系不同。工程应用中的混合物料在混合过程中由于物料特性、流动速度的差异可能表现出层流和湍流两种状态。许多两相或多相体系混合的传统解决方法是增加混合过程中的能量输入，通过湍流产生有效混合[3]。但是，由于固体推进剂药浆具有复杂的流变学特性和本构特征，同时受到混合工艺安全性等因素的限制，在固体推进剂药浆混合工艺过程中，混合物料的剪切速率较低，药浆的表观粘度值很高，不能产生湍流，物料呈现层流运动状态。由于固体推进剂药浆高固体含量、极高的比冲值和剪切敏感等因素的限制，药浆混合工艺不允许采用高的剪切速率。在较低剪切速率条件下，药浆表观粘度值较高，混合时不能产生湍流，药浆呈现层流运动状态。在层流混合系统中，由于混合流场受控于线性粘性力，流线保持不变，其时变性较差，粒子的运动轨线不相交，很难达到较优的混合性能[4]。

固体推进剂混合物组分中某些成分如黑索金(RDX)和氧化剂高氯酸铵(AP)等属于易燃、易爆的化学材料，剧烈冲击、过高温度都可能导致其爆炸，尤其是黑索金感度非常高。另外，由于固体推进剂固体组分含量高，导致混合过程中物料的粘稠系数极高，可能产生很大扭矩，导致桨叶变形，或者局部破损，从而造成设备的失效，导致设备停车，甚至发生爆炸事故。据报道，美国锡奥科耳公司的埃尔克顿分公司、隆霍恩分公司以及美国海军推进剂工厂等单位曾多次发生混合工序着火、爆炸事故，我国从1962年开始，也先后发生过10多起含能材料混合设备的着火爆炸事故[5]。还发生过众多故障、设备停车等，由于混合过程一般要求连续生产72小时以上，其中出现的任何停车检修事故都将带来巨大的经济损失。严酷的现实使人们认识到含能材料混合过程中安全与可靠性的重要性。可见，这些组分的化学特性导致固体推进剂混合过程属于易燃、易爆的高危生产过程，需要对其混合过程出现的化学热反应、机械摩擦、骤然冲击等现象进行控制，从而保证安全、高效生产。