復(fù)合推進(jìn)劑應(yīng)變條件下燃速變化實(shí)驗(yàn)研究①

胡松啟，鄧 哲，劉迎吉

(西北工業(yè)大學(xué)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

0 引言

隨著推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥構(gòu)型越來(lái)越復(fù)雜，且發(fā)動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)、運(yùn)輸和發(fā)射過(guò)程中，推進(jìn)劑裝藥受到很大載荷。載荷會(huì)使推進(jìn)劑藥柱內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，可能引起裝藥燃燒發(fā)生變化，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能的改變，導(dǎo)致固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。所以，對(duì)于應(yīng)變條件下裝藥的燃速規(guī)律研究十分必要。

裝藥結(jié)構(gòu)完整性的破壞會(huì)造成火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道參數(shù)的巨大改變，引發(fā)災(zāi)難性后果。目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合推進(jìn)劑拉伸裂紋與脫粘現(xiàn)象開(kāi)展了深入研究，總結(jié)了拉伸態(tài)推進(jìn)劑性能的變化規(guī)律，得到了許多重要成果。Smith T L［1］以玻璃小球?yàn)樘盍?，獲得了復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率方程。李敬明等［2］研究了NEPE推進(jìn)劑在拉伸載荷作用下的破壞情況。郭翔等［3］運(yùn)用單向拉伸手段，研究了不同拉伸速率(0．5～500 mm/min)、測(cè)試溫度(25～70℃)對(duì)NEPE推進(jìn)劑最大抗拉強(qiáng)度和最大伸長(zhǎng)率的影響。王亞平等［4］采用單向拉伸和掃描電子顯微鏡的實(shí)驗(yàn)手段，研究了慢拉伸速率對(duì)丁羥復(fù)合固體推進(jìn)劑拉伸性能的影響，并對(duì)不同拉伸速率下丁羥推進(jìn)劑的破壞機(jī)理進(jìn)行了分析。Kumar等［5］對(duì)固體推進(jìn)劑裂紋中的火焰?zhèn)鞑ズ腿紵M(jìn)行了研究，并得出結(jié)論:靠近裂紋進(jìn)口處點(diǎn)火火焰峰擴(kuò)展速率增大，并達(dá)到最大值;然后，在靠近裂紋頂點(diǎn)處減速，最大火焰峰傳播速度隨著燃燒室增壓速率(或隨推進(jìn)劑燃速)的增大而增大;研究還表明，裂紋腔中的最大壓強(qiáng)隨燃速增大而增大，但卻隨裂紋間隙寬度的增加而減少。Bencher［6］的研究表明，推進(jìn)劑在外界載荷作用下，顆粒與基體之間界面將發(fā)生脫粘，從而引起推進(jìn)劑力學(xué)性能的非線性。

本文采用實(shí)驗(yàn)手段研究了拉伸應(yīng)變條件下復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒性能，測(cè)定不同燃燒室壓強(qiáng)下，復(fù)合推進(jìn)劑拉伸應(yīng)變?yōu)?% ～20%狀態(tài)時(shí)的燃速變化，獲取拉伸應(yīng)變條件下復(fù)合推進(jìn)劑的燃速變化規(guī)律，為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道設(shè)計(jì)提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1．1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置基于靶線法測(cè)試原理，利用卡槽夾持推進(jìn)劑樣品進(jìn)行拉伸，測(cè)試固體推進(jìn)劑在不同應(yīng)變、不同壓強(qiáng)下的燃速。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，采用高壓氮?dú)馄空{(diào)節(jié)燃燒室環(huán)境壓強(qiáng)，燃燒室與緩沖瓶相連，以保證工作過(guò)程中燃燒室基本處于恒壓狀態(tài)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig．1 Experiment system

推進(jìn)劑樣品拉伸裝置(圖2)放置于圖1的燃燒室中，將藥條試樣加工成工字型，便于利用卡槽夾持拉伸產(chǎn)生應(yīng)變，以此來(lái)研究復(fù)合推進(jìn)劑平行于燃面方向拉伸應(yīng)變對(duì)燃速的影響。

1．2 推進(jìn)劑配方

本文用推進(jìn)劑配方見(jiàn)表1。

1．3 實(shí)驗(yàn)條件

考慮到復(fù)合推進(jìn)劑的工作壓強(qiáng)范圍及實(shí)驗(yàn)條件，選擇實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)分別為4、6、8 MPa，試樣的應(yīng)變量ε設(shè)置為0%、10%、15%、20%。對(duì)于每個(gè)壓強(qiáng)、每個(gè)應(yīng)變條件下，至少取得3個(gè)有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 拉伸裝置示意圖Fig．2 of tension device

表1 推進(jìn)劑配方Table 1 Formulas of propellant

2 結(jié)果與分析

分別對(duì)1#、2#和3#推進(jìn)劑試樣按上述實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行燃速測(cè)試，按照實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)、應(yīng)變量設(shè)計(jì)及平行性實(shí)驗(yàn)的要求，測(cè)得無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下燃速數(shù)據(jù)如表2所示，拉伸狀態(tài)下燃速測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 無(wú)應(yīng)變條件下推進(jìn)劑燃速Table 2 Burning rate of propellant under no strain

表3 有應(yīng)變條件下推進(jìn)劑燃速Table 3 Burning rate of propellant under strain

從表2和表3分析1#推進(jìn)劑在4 MPa時(shí)的燃速變 化可看出，應(yīng)變?yōu)?0%狀態(tài)下的燃速比應(yīng)變?yōu)?0%狀態(tài)下的燃速提高了1．219 mm/s，應(yīng)變?yōu)?0%狀態(tài)下的燃速比無(wú)應(yīng)變條件下的燃速提高了1．132 mm/s。分析3種試樣在4、6、8 MPa壓強(qiáng)下燃速的增量，可得出相同的結(jié)論:在0% ～20%應(yīng)變范圍內(nèi)，燃速的增幅并沒(méi)有發(fā)生突躍變化，即復(fù)合推進(jìn)劑試樣中固體顆粒與粘合劑接觸面沒(méi)有發(fā)生脫粘和大的裂紋。

在以往的研究中，對(duì)拉伸應(yīng)變狀態(tài)下復(fù)合推進(jìn)劑燃速的研究多集中于脫粘和裂紋擴(kuò)展這兩種情況之下，壓強(qiáng)的大小決定了火焰高度，在裂紋寬度大于2倍的火焰高度時(shí)，火焰會(huì)竄入裂紋之中，進(jìn)而使燃面劇增，推進(jìn)劑的宏觀燃速變大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，微小拉伸應(yīng)變情況下的燃燒速度也會(huì)有一定改變，曾甲牙［7］通過(guò)對(duì)復(fù)合推進(jìn)劑進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，運(yùn)用SEM方法發(fā)現(xiàn)在小應(yīng)變條件下，HTPB推進(jìn)劑的固體粒子與粘合劑中間產(chǎn)生空穴，兩相界面處偶聯(lián)膠絲被拉長(zhǎng)。這說(shuō)明固體推進(jìn)劑在小應(yīng)變狀態(tài)下也會(huì)產(chǎn)生一定的細(xì)小空隙，但這種空隙的寬度較小，火焰不能竄入其中。

陽(yáng)建紅等［8］運(yùn)用聲發(fā)射信號(hào)法(AE)對(duì)拉伸態(tài)復(fù)合推進(jìn)劑的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量研究，由于在復(fù)合固體推進(jìn)劑這種顆粒高填充比復(fù)合材料中，粘合劑基體強(qiáng)度最弱，故微裂紋起初在基體成核，隨著載荷作用的增加?；w微裂紋數(shù)量增加，當(dāng)應(yīng)力足夠大、作用時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，顆粒界面開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋等損傷，這些基體和顆粒界面的微裂紋形狀尺寸大致相當(dāng)，且相互作用很小，對(duì)應(yīng)著聲發(fā)射的第一類聲源，第一類聲源對(duì)應(yīng)于HTPB中的細(xì)微結(jié)構(gòu)改變。此時(shí)，推進(jìn)劑內(nèi)部還沒(méi)有發(fā)生宏觀的裂紋。

Norman［9］指出復(fù)合推進(jìn)劑中固體顆粒的局部燃速遵循阿雷尼烏斯定律，而且氣相火焰對(duì)于固相的熱反饋不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是一維方向，從微觀角度來(lái)看，熱反饋是復(fù)雜的三維過(guò)程。復(fù)合推進(jìn)劑在微小拉伸應(yīng)變條件下，AP顆粒與HTPB之間并沒(méi)有產(chǎn)生大的裂紋與脫粘，但HTPB經(jīng)過(guò)拉伸之后密度變小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變疏松。在壓強(qiáng)不變的情況下，火焰高度也相對(duì)不變。此時(shí)，AP的分解速度與單位時(shí)間內(nèi)所釋放的熱量大小也不會(huì)發(fā)生改變。然而，拉伸條件下HTPB的密度變小，導(dǎo)致單位體積的HTPB分解速度加快。如此一來(lái)，接近AP顆粒附近的HTPB會(huì)很快吸熱分解氣化，圖3中灰色區(qū)域的HTPB將會(huì)加快分解與反應(yīng)的速度，這種效應(yīng)又導(dǎo)致了AP顆粒與粘合劑接觸面積的減小，從而也在一定程度上加大了AP的燃燒面積，這些效果的累積就造成了微小拉伸應(yīng)變條件下復(fù)合推進(jìn)劑燃速的增加。

圖3 復(fù)合推進(jìn)劑燃燒模型Fig．3 Composite propellant combustion model

復(fù)合推進(jìn)劑的燃速大小對(duì)壓強(qiáng)的依賴性很強(qiáng)，單純分析應(yīng)變狀態(tài)下燃速的變化，很難排除壓強(qiáng)的干擾，故定義一個(gè)新變量［10］:燃速比 r'/r，即在同一壓強(qiáng)的時(shí)候，應(yīng)變條件下的燃速與非應(yīng)變條件下燃速的比值，以此分析應(yīng)變對(duì)于燃速的影響。各壓強(qiáng)下，3種推進(jìn)劑的燃速比與應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)曲線用二次函數(shù)擬合后，其燃速比與應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系可用式(1)表示:

表4給出了二次函數(shù)擬合曲線對(duì)應(yīng)于式(1)的各項(xiàng)系數(shù)。

表4 燃速比與應(yīng)變之間的關(guān)系Table 4 Relationship between burning rate ratio and strain

對(duì)于1#和2#推進(jìn)劑，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)下，其二次項(xiàng)系數(shù)a2的值均較小，二次項(xiàng)對(duì)r'/r的值影響很小，故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，式(1)中的二次項(xiàng)可忽略。在3#推進(jìn)劑中，二次項(xiàng)的值對(duì)燃速比會(huì)有一定程度的影響，為了準(zhǔn)確地對(duì)燃速變化進(jìn)行描述，不能忽略二次項(xiàng)。3#推進(jìn)劑在每個(gè)實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)下，其二次項(xiàng)系數(shù)a2的值均較大。初步分析，其原因?yàn)镠TPB含量的減少導(dǎo)致。從表1可看出，在總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)中，3#試樣HTPB的含量比1#和2#試樣僅低2%，但在拉伸條件下，推進(jìn)劑力學(xué)性能主要僅受粘合劑影響，3#試樣HTPB的含量比1#和2#減少了13．3%，在增大了推進(jìn)劑中鋁粉含量的同時(shí)，減少了推進(jìn)劑中粘合劑的含量，導(dǎo)致推進(jìn)劑的延展性能變差，在對(duì)試樣進(jìn)行拉伸時(shí)，推進(jìn)劑粘合劑中產(chǎn)生疏松和空隙的數(shù)量和尺寸會(huì)增加;另一方面，固體(Al)含量的增加及粘合劑含量的減少，使得顆粒之間間隙變小，HTPB更加容易受熱分解，固體顆粒的表面容易暴露出來(lái)，呈現(xiàn)出更大的燃速變化幅度。

3 結(jié)論

(1)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置能可靠測(cè)試?yán)鞈?yīng)變條件下推進(jìn)劑樣品在不同壓強(qiáng)下的燃速。

(2)研究的復(fù)合推進(jìn)劑在應(yīng)變20%以內(nèi)，粘合劑會(huì)產(chǎn)生微小疏松和空隙，這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變會(huì)使粘合劑密度降低，從而單位體積粘合劑所受加熱反饋?zhàn)兇?，推進(jìn)劑燃速有所增加，但推進(jìn)劑燃速?zèng)]有發(fā)生突變。

(3)1#和2#樣品的燃速比(即應(yīng)變條件下的燃速與非應(yīng)變條件下燃速的比值)隨應(yīng)變的增大而呈線性增大。在20%應(yīng)變下，壓強(qiáng)分別為4 MPa和8 MPa時(shí)，1#、2#、3#推進(jìn)劑的燃速比在兩種壓強(qiáng)下分別相差0．64%、0．45%、0．78%，應(yīng)變是影響拉伸態(tài)復(fù)合推進(jìn)劑燃速比的主要因素。

(4)固體含量較高的復(fù)合推進(jìn)劑(3#)，在拉伸狀態(tài)下燃速比呈現(xiàn)二次曲線增長(zhǎng)可能的原因是推進(jìn)劑粘合劑減少，在應(yīng)變狀態(tài)下更易產(chǎn)生疏松和空隙，其燃速變化機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

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