固体推进剂在生产、储运及使用过程中,因摩擦、接触-分离等作用易积累静电荷,形成高电场环境,诱发静电放电(Electrostatic Discharge, ESD),进而可能导致推进剂意外点火或爆炸,严重威胁航天与武器系统的安全性
[1]。本文聚焦于固体推进剂的静电击穿这一关键物理过程,旨在揭示其内在机理及关键材料参数的影响规律。研究基于电-热耦合理论,构建了一维多材料分层结构的固体推进剂静电击穿仿真模型,并引入了表征绝缘-导电态突变的Sigmoidal温度依赖电导率本构关系
[2]。利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,系统模拟了在强电场作用下推进剂内部微孔缺陷处热点的形成、演化及最终击穿的全过程。重点定量分析了材料电导率参数(包括高导态电导率
σhigh

和临界转变温度
Tc)以及粘结剂热导率k对击穿特性(如热点峰值温度
Tmax、达到峰值的时间
tmax及最大焦耳热功率密度
Qmax)的敏感性。仿真结果表明,
σhigh

增大会显著加速热点形成并加剧能量聚集,
Tc 升高则可有效延迟击穿、增强材料稳定性,而提高粘结剂热导率k能促进热量扩散,从而抑制热点发展。为验证模型可靠性,本研究选取了四种典型配方的固体推进剂样品(三组元、LSTJJ、X-15、JY)进行了系统的静电击穿实验,获取了其击穿电压阈值及Weibull统计分布。实验测得击穿电压分布于2.48 kV至22.31 kV之间,通过Weibull分析得到其安全设计电场阈值(10%失效概率)为1.91 kV/mm。实验数据所呈现出的不同配方推进剂抗击穿能力差异与仿真揭示的电导率、热导率影响规律高度吻合,有力地支撑了仿真模型的正确性与预测能力。本研究通过仿真与实验相结合的方法,深化了对固体推进剂静电击穿物理图像的理解,所获得的关键参数影响规律及安全阈值可为新型高能推进剂的配方优化和静电防护设计提供重要的理论依据与数据支撑。
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