GAP微煙推進(jìn)劑的燃燒性能影響因素研究①

宋考生，顧 健，魯國(guó)林

(1.二炮駐8610廠軍事代表室，宜昌 444200;2.中國(guó)航天科技集團(tuán)四院四十二所，襄陽(yáng) 441003)

0 引言

新型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器的發(fā)展對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)提出了射程遠(yuǎn)、速度快、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單［1］、低特征信號(hào)等要求。因此，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)對(duì)固體推進(jìn)劑的能量指標(biāo)、力學(xué)性能及燃燒性能提出了更高要求。GAP型低特征信號(hào)推進(jìn)劑配方采用大劑量硝酸酯增塑，含有硝胺、GAP、硝酸酯等高能組分，具有能量高、力學(xué)性能好的特點(diǎn)，是當(dāng)前研究的最高水平的固體推進(jìn)劑之一。但由于推進(jìn)劑中含有大量的固體填料，雖然提高了推進(jìn)劑的能量，改善了推進(jìn)劑的力學(xué)性能，但隨之帶來(lái)的問(wèn)題則是燃燒性能和工藝性能變差，燃速壓強(qiáng)指數(shù)明顯提高，燃速調(diào)節(jié)困難［2－5］。工程研究表明，推進(jìn)劑燃燒性能的優(yōu)劣。直接關(guān)系到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外彈道性能的穩(wěn)定性［6－7］。因此，為了保證火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，固體推進(jìn)劑研制必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)。

燃速和壓強(qiáng)指數(shù)是推進(jìn)劑內(nèi)彈道性能的重要參數(shù)。表征固體推進(jìn)劑燃速(r)和環(huán)境壓強(qiáng)(p)之間的關(guān)系一般采用 Vieille 經(jīng)驗(yàn)公式［1，8］r=apn。其中，n 為燃速壓強(qiáng)指數(shù);a為燃速系數(shù)。

壓強(qiáng)指數(shù)n是評(píng)價(jià)推進(jìn)劑燃燒性能的重要參數(shù)，它反映了推進(jìn)劑的燃速對(duì)壓強(qiáng)變化的敏感程度，顯而易見(jiàn)，n值越大，由于壓強(qiáng)波動(dòng)引起的燃速變化越大，或者燃速波動(dòng)引起的燃燒室壓強(qiáng)的波動(dòng)也越大。因此，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)都要求推進(jìn)劑藥柱具有較低的壓強(qiáng)指數(shù)，壓強(qiáng)指數(shù)低的推進(jìn)劑可提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性，更有利于推進(jìn)劑自身的使用和推廣。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別研究了增塑劑、AP和HMX的含量及AP粒度級(jí)配等基本因素對(duì)GAP微煙推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 推進(jìn)劑制備

推進(jìn)劑采用藥漿澆注工藝，將推進(jìn)劑組分預(yù)混后，加入到VKM-5型立式捏合機(jī)中，于50℃下捏合70 min，出料并真空澆注，放置于50℃油浴烘箱內(nèi)固化7 d，得到推進(jìn)劑方坯。

1.2 性能表征

采用水下聲發(fā)射法測(cè)定推進(jìn)劑燃速。首先，將推進(jìn)劑制成4 mm×4 mm×110 mm的藥條，包覆后測(cè)試3、6、8、10 MPa 時(shí)藥條燃燒時(shí)間，采樣頻率為 1 kHz，每個(gè)壓強(qiáng)下測(cè)定5根藥條。其他操作與數(shù)據(jù)處理均參照GJB 770B—2005 中的706.1。

2 結(jié)果與討論

2.1 增塑劑對(duì)燃速及壓強(qiáng)指數(shù)的影響

含能的硝酸酯增塑劑作為粘合劑基體的重要組成部分，硝酸酯種類對(duì)推進(jìn)劑配方燃燒性能產(chǎn)生很大影響。表1給出了4種硝酸酯增塑劑對(duì)GAP微煙推進(jìn)劑燃燒性能的影響。

表1 硝酸酯對(duì)GAP微煙推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 1 Effect of nitrate ester on the combustion property for minimum-smoke GAP propellant

由表1可看出，使用增塑劑NG/TEGDN和TEGDN代替增塑劑 BTTN和 NG/BTTN后，隨著硝酸酯基—ONO2含量的降低，即粘合劑體系含能程度降低，推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)都明顯下降。其中，燃速壓強(qiáng)指數(shù)降低的效果尤為明顯，說(shuō)明可采用增塑劑品種改變和匹配降低推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)。

2.2 HMX/AP相對(duì)含量對(duì)燃速及壓強(qiáng)指數(shù)的影響

配方研究中，采用NG/TEGDN增塑劑，在保持配方參數(shù)基本相同的情況下，對(duì)比了HMX/AP的相對(duì)含量對(duì)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)的影響，見(jiàn)于表2。從表2可見(jiàn)，當(dāng)HMX和AP的總含量保持不變時(shí)，AP含量降低(對(duì)應(yīng)于HMX的含量增加)，推進(jìn)劑燃速隨之降低，而壓強(qiáng)指數(shù)卻升高。

表2 HMX/AP相對(duì)含量對(duì)GAP微煙推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 2 Effect of the relative content of HMX/AP on the combustion property for minimum-smoke GAP propellant

2.3 AP粒度級(jí)配對(duì)燃速及壓強(qiáng)指數(shù)的影響

調(diào)節(jié)高能復(fù)合固體推進(jìn)劑燃燒性能最常用、最簡(jiǎn)單、對(duì)推進(jìn)劑其他性能影響最小的方法是調(diào)節(jié)推進(jìn)劑固體組分的粒度。GAP微煙推進(jìn)劑中主要含有AP和HMX等固體組分，而AP粒度的變化對(duì)燃燒性能的影響較大。因此，研究AP的粒度對(duì)GAP微煙推進(jìn)劑燃燒性能的影響規(guī)律，根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的粒度級(jí)配。

AP作為復(fù)合推進(jìn)劑的主要固體組分之一，其粒度對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能影響很大。采用適當(dāng)AP粒度級(jí)配，可有效地調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)。在保持配方參數(shù)基本不變的情況下，對(duì)比了級(jí)配后AP粒度對(duì)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 AP粒度級(jí)配對(duì)GAP微煙推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 3 Effect of granularity graduation of AP on the combustion property for minimum-smoke GAP propellant

對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸(圖1)，結(jié)果如下:

式中 N為子樣數(shù);R為線性擬合相關(guān)系數(shù)。

由以上分析可知，細(xì)粒度AP可大幅提高推進(jìn)劑燃速，并降低壓強(qiáng)指數(shù)。原因在于AP粒度減小，其表面積增大，它與推進(jìn)劑其他組分接觸界面隨之增大。推進(jìn)劑燃燒時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)分解量增大，且它的分解產(chǎn)物距AP固相較近，有利于向燃燒表面熱反饋，使推進(jìn)劑燃速增大。

圖1 r隨d50的變化關(guān)系Fig.1 The variation relationship of r vs d50

2.4 對(duì)GAP微煙推進(jìn)劑的燃速及壓強(qiáng)指數(shù)分析

復(fù)合推進(jìn)劑的特征是晶狀氧化劑成分與多種形態(tài)燃料在推進(jìn)劑內(nèi)部混合。因此，燃燒狀態(tài)具有擴(kuò)散燃燒特性。一般常用復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒，主要表現(xiàn)為氧化劑的燃燒形態(tài)。

復(fù)合推進(jìn)劑的燃速是由推進(jìn)劑燃燒表面產(chǎn)生的氧化劑成分與燃料成分的分解氣體相互擴(kuò)散，生成可燃混合氣體的階段決定的。在本研究GAP微煙推進(jìn)劑中，AP的含量較高。因此，可基于AP系復(fù)合推進(jìn)劑燃燒形態(tài)的粒狀擴(kuò)散火焰(GDF)模型來(lái)探討其燃速特性。

根據(jù)GDF模型，推進(jìn)劑的燃速可由式(2)計(jì)算:

p/r=a+bp2/3(2)式中 p為壓強(qiáng);a為在燃燒表面可燃?xì)怏w與反應(yīng)速度的系數(shù);b為在燃燒表面氧化劑成分氣體及燃料成分氣體與擴(kuò)散速度的系數(shù)。

由式(2)可知，推進(jìn)劑燃速取決于氣體的反應(yīng)速度時(shí)，對(duì)b的依賴性變小;而推進(jìn)劑燃速取決于擴(kuò)散速度時(shí)，對(duì)a的依賴性變小。在采用AP和HMX作為氧化劑時(shí)，與燃速呈線性關(guān)系;在利用GAP粘合劑作為燃料時(shí)，由于AP和HMX具有依賴擴(kuò)散速度的特性，所以其燃速取決于氧化劑成分的粒度大?。?－10］。

另一方面，從GAP微煙推進(jìn)劑的配方組成來(lái)看，只有硝酸酯和AP是富氧組分，其余皆為貧氧，貧氧組分的完全燃燒主要依靠AP提供氧元素。因而在推進(jìn)劑火焰中AP火焰的周圍，富氧的分解物將與貧氧的組分發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成火焰［11］。由于本配方中AP含量較高，因此可推斷在AP火焰周圍形成的是初始擴(kuò)散火焰。根據(jù)擴(kuò)散火焰的特點(diǎn)，其燃速和壓強(qiáng)指數(shù)將對(duì)AP的粒度特別敏感。表3的數(shù)據(jù)恰好證明了這一點(diǎn)。總而言之，由于AP的引入，在推進(jìn)劑火焰結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了一個(gè)初始擴(kuò)散火焰，導(dǎo)致推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)對(duì)AP粒度非常敏感。

根據(jù)以上分析可知，在GAP微煙推進(jìn)劑中，氧化劑AP的粒度對(duì)于配方的燃速控制至關(guān)重要，是燃速調(diào)節(jié)的控制因素，但AP的擴(kuò)散火焰燃燒也導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)AP粒度同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低燃速和壓強(qiáng)指數(shù)。

3 結(jié)論

(1)使用增塑劑TEGDN和NG/TEGDN代替NG/BTTN，可使推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)明顯降低。

(2)AP含量降低(對(duì)應(yīng)于HMX的含量增加)，燃速降低，而壓強(qiáng)指數(shù)升高。

(3)氧化劑AP的粒度是推進(jìn)劑燃速調(diào)節(jié)的控制因素，AP的擴(kuò)散火焰燃燒形態(tài)導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)AP粒度同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低燃速和壓強(qiáng)指數(shù)。

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