（一）按计划执行情况

第一阶段：研究准备。

课题组按照任务书要求进行网上和实地走访调研。首先，针对水射流切割设备的选型，分别实地调研了国内水射流切割行业的四家有代表性的企业，分别是南京大地水刀有限公司、上海金箭水刀有限公司、山东福禄水刀有限公司和保定锐迅安防科技有限公司。

在此之前，我们曾经选用南京大地水刀有限公司出品的纯水射流切割设备，改进后对复合固体推进剂进行切割试验。据了解，该公司也生产磨料水射流设备。因此，我们将它作为调研的首家单位。经过对该磨料水射流设备进行实地观摩并与技术人员交流之后，我们发现该设备并不适合作为推进剂等危化品的切割试验之用，其原因包括：首先，该设备采用在喷头处添加磨料的方式进行切割，即所谓的后混合技术，在该技术条件下，水射流的压力没有降低（不低于300 MPa），加之有磨料的切割作用，推进剂受冲击作用的安全性无法得到保障；其次，受喷头形状限制，即使改为磨料水射流，对推进剂的冲击作用仍然是冲刷而不是切割，效率没有明显提高，而且喷嘴材质易受磨料的侵蚀，累计使用时间不超过3个小时，造成试验的成本过高。上海金箭水刀有限公司和山东福禄水刀有限公司出品的水刀设备同样存在这类问题。经细致了解，这三家公司出品的磨料水射流设备，整体设备的发生装置和切割装置体积庞大，动力源单一，不利于机动化作业。总体而言，后混合磨料添加方式比较适合固定式、危险性较小的机加工作业。对于危险性较大的火工品切割作业，该设备还是存在压力过大的问题，因此该方式不应被过度关注。

保定锐迅安防科技有限公司作为我们的协作单位，曾经在“智能水刀排爆机器人”项目上，提供过整套水射流发生装置。该设备采用前混合磨料水射流设计，选取柱塞泵增压，可以使整体设备实现小型化和机动化。试验也证明，由于磨料与水提前混合，在射出时已初步形成固液两相流，因此在相同出口压力下，其切割能力大大提高。在这种情况下，选取前混合磨料水射流技术具有非常重要的现实意义。2016年5月，课题组一行来到该公司，介绍了课题的基本情况并听取公司技术人员的汇报，对其生产的三种产品，即汽油机型号、柴油机型号和插电式水射流切割设备进行了初步对比。我们认为前两种适合野外作业，对动力源要求不高，特别是汽油机的体积更小（排爆机器人中就是选用该型号）；插电式属于相对固定式的，由于本课题属于理论项目，研究对象是复合固体推进剂的小块方坯，尚未涉及火箭发动机的整体处废，因此，选用相对固定的插电式水射流切割设备即可。经咨询，该设备售价为45万人民币左右，因此采取租用方式进行试验。至此，我们初步完成了对切割设备选型的调研并安排了切割小试的大概时间。

我们针对切割安全性的研究目的制作相应的推进剂方坯。由“热点”相关理论可知，推进剂受外力冲击发生燃烧/爆炸的根本原因可以归纳为内部温度达到爆发点，因此必须对水射流切割部位的温升进行实时监控。通过在方坯预制时埋置温度传感器可以实现温度的实时传递。最为理想的情况就是，温度传感器的触头无限接近于水射流的切割路径，这样才能准确测出被切割部位的温升。但是，这种理想情况在实践方面实现难度较大，因为推进剂方坯是浇筑而成的，传感器在其内部不好固定，随着固化时间的推移，其点位会发生较大幅度的变化，因此，制作下来废品率较高，导致样品的成本居高不下。最后，通过开模设计专用的方坯模具才能解决此问题。为了保证采温数据的真实可靠，在每一块方坯中都埋置了4个Pt100铂电阻温度传感器。这样，即使在切割过程中某一个被水射流打坏，其他的也能将数据保存下来。

第二阶段：切割过程仿真计算。

磨料水射流对三组元（AP/AI/HTPB）复合固体推进剂的切割试验，目前国内尚未有相关单位开展类似工作，究其原因，还是由于切割设备压力过高使得安全性不能得到保证。因此，必须在正式实验前开展相关的仿真计算，对磨料水射流的切割机理进行一定的研究。

从数值模拟的角度来看，磨料水射流冲击HTPB推进剂过程是一个大变形、破碎的过程，传统网格法在处理此类问题时，存在着网格扭曲及界面追踪困难等难以克服的问题，而SPH（smoothed particle hydrodynamics）方法作为一种新型无网格粒子法，计算过程完全不需要网格，非常适合处理此类问题。但是，SPH方法作为一种新的数值计算方法，算法本身并不十分完善，对典型的液固作用问题还不能进行有效处理。因此，我们针对传统SPH方法进行了改进和发展，提出了基于双流体模型的SDPH和VOF耦合新方法并进行了磨料射流喷出过程的数值模拟。VOF方法作为网格法中求解具有连续性界面的多项流方法，在捕捉运动界面具有较大优势，同时VOF方法基于的欧拉网格法，在求解流体流动和传热数值领域具有适应面广、解题能力强、通用性好的特点，得到的离散方程能够很好地保持原微分方程的守恒性，并且各物理意义明确、方程形式规范，特别适合处理诸如激波大变形、流体湍流运动、化学反应等问题；而SPH方法作为拉格朗日流体动力学方法，具有无网格性、自适应性、拉格朗日粒子性等特点，特别适用于界面追踪、物质单点追踪等，将改造后的SDPH和VOF耦合新方法解决气液固三相流问题可以充分发挥各自方法的优势，克服以往的缺陷。(www.daowen.com)

第三阶段：切割温升与效率试验。

仿真结果显示，选用前混合磨料水射流作为切割介质后，由于出口压力显著降低，出现温升变化的概率不大。为了验证这一推断，我们赶制了20块推进剂方坯，赴保定锐迅安防科技有限公司开展了相应的切割小试，分别测试5个不同压力下的切割深度、切割速度和切割温度。

试验结果表明：对于三组元HTPB推进剂而言，使用磨料水射流目前来看并没有发现实质性危险，内部温升幅度最大不超过20℃，与其爆发点400℃相差甚远，从这个角度可以判断出，由于黏合剂的作用，磨料粒子对于推进剂的含能物质的机械作用有限，加之转化而来的热量也很快被大流量的水流带走。因此，小试阶段的危险性不高。当然，这不能说明中试以及工程化应用的危险性同样如此，因为工程化期间的危险因素还包括爆炸性气溶胶的产生以及切割时间的延长造成的热量聚集，等等。总体来说，在最高出口压力50 MPa的磨料水射流作用下，推进剂内部温升变化不大，初步达到我们的试验目的。切割效率以最大切割深度为衡量指标，通过单因素和正交试验，分别考察了出口压力、磨料浓度比、靶距和切割速度的影响，并得出了最佳组合。

第四阶段：整理资料，完成报告撰写。

项目组整理了项目文档，总结了研究成果，撰写了结题报告。

（二）研究目标完成情况

项目的研究目标：研究磨料水射流切割HTPB推进剂的可行性，研究切割过程的仿真分析，研究切割过程的安全性、切割效率并完成参数的优化。

完成情况：通过开展前混合磨料水射流对HTPB推进剂的切割试验，基于过程安全性和切割效率考虑，对磨料水射流切割的可行性进行了分析论证，得出该方法切割温度低、火花持续时间极短，在90%的置信水平下，安全可靠度不低于99.52%，得出不会引起爆炸的结论，研究结果表明该切割方式优于高压水射流切割方式，安全性有足够保证；分析了磨料水射流对该材料的破坏方式。研究表明，切割机理为水射流冲击和磨料微切削的共同作用。射流核心区以水射流的冲击破坏为主，核心区与边缘区域间以磨料的微切削作用为主，因入射角度不同而使切割能力不同，射流束边缘区域磨粒对推进剂造成疲劳破坏。利用前混合磨料水射流，对高、低两种燃速的HTPB推进剂开展切割试验，着重研究不同切割条件下工艺参数对切割安全性和效率的影响，进而为参数优化提供理论依据。选取切割速度（V）、出口压力（P）、磨料浓度比（T）和靶距（L）等4个工艺参数为主要影响因素，以内部温升为安全性衡量指标，以最大切割深度（H）作为切割效率的衡量指标，分别通过单因素试验和正交试验进行分析，进而完成工艺参数的优化。