添加劑種類及添加比例對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能的影響

摘要：研究了常壓下9種添加劑對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能的影響，并從中挑選出3種效果較好的添加劑。模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)推進(jìn)劑的燃燒情況，研究了選出的3種添加劑的添加比例對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能的影響。結(jié)果表明，不同添加劑和添加比例對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能都有明顯影響，添加5%鎂粉或1%草酸亞鐵的KNDX推進(jìn)劑燃速、溫度和比沖等性能最佳。

關(guān)鍵詞：改性KNDX推進(jìn)劑 添加劑 燃燒性能

引言

硝酸鉀-葡萄糖復(fù)合推進(jìn)劑（KNDX）是由硝酸鉀（KN）和葡萄糖（DX）為主要原料制成的推進(jìn)劑。因?yàn)槠湓蟽r(jià)廉易得、制作簡單方便、貯存安全穩(wěn)定，并且有較完備的推進(jìn)劑性能參數(shù)可用于內(nèi)彈道模擬和火箭設(shè)計(jì)，所以被廣泛應(yīng)用。然而KNDX推進(jìn)劑比沖不高，可以通過添加少量添加劑來有效調(diào)節(jié)該推進(jìn)劑的燃燒性能。針對這種情況，本文通過實(shí)驗(yàn)測試并分析了各種添加劑和添加比例對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能的影響。

1.實(shí)驗(yàn)

KNDX推進(jìn)劑樣品的制備：將硝酸鉀和葡萄糖固體分別粉碎并過篩，按質(zhì)量比65：35稱取硝酸鉀和葡萄糖，并混合均勻，再次過篩，用變色硅膠干燥推進(jìn)劑，并密封保存。

常壓下推進(jìn)劑燃燒實(shí)驗(yàn)：將碳酸鈣和9種添加劑分別添加3%和5%在KNDX推進(jìn)劑中制成20種改性KNDX推進(jìn)劑（其中添加碳酸鈣的2種為對照組）。將20種改性KNDX推進(jìn)劑和未改性的KNDX推進(jìn)劑分別燃燒，測試其燃速、溫度、燃面和殘?jiān)康葦?shù)據(jù)。

一定壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃燒實(shí)驗(yàn)：將草酸亞鐵、二茂鐵和鎂粉3種添加劑分別添加1%、2%、3%、4%和5%在KNDX推進(jìn)劑中制成15種改性KNDX推進(jìn)劑。將15種改性KNDX推進(jìn)劑和未改性KNDX推進(jìn)劑裝入自行設(shè)計(jì)的燃燒裝置中，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)推進(jìn)劑的燃燒情況，測試其燃速、溫度和比沖等性能數(shù)據(jù)。

2.結(jié)果與討論

（1）添加劑種類對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能的影響。結(jié)果表明，添加二茂鐵、鎂粉、草酸亞鐵、乙酸鉛、升華硫、氧化鐵和氧化銅可以有效地改善推進(jìn)劑燃燒性能，使推進(jìn)劑在燃燒時(shí)溫度更高、燃速更快、殘?jiān)?；添加鋁粉和碳粉對KNDX推進(jìn)劑的燃燒無明顯改變；添加碳酸鈣會(huì)降低推進(jìn)劑的燃燒性能。添加不同種類的添加劑，性能改善的情況也不同，燃速調(diào)節(jié)劑（例如草酸鹽、二茂鐵和鉛、銅的氧化物及其鹽）主要提高推進(jìn)劑的燃速，金屬可燃劑（例如鎂粉、鋁粉等）主要提高推進(jìn)劑的燃溫和比沖。

（2）添加比例對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能的影響。本文測試了不同添加比例的草酸亞鐵、二茂鐵和鎂粉的改性KNDX推進(jìn)劑的燃燒性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同一種添加劑的添加比例對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能影響較大。

（3）草酸亞鐵對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能的影響。KNDX推進(jìn)劑的性能隨草酸亞鐵添加比例的不同而有不同程度的改變，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明，添加1%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)模擬裝置性能取得最大改善，隨著草酸亞鐵添加比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)平均推力、最大推力和推進(jìn)劑比沖都有下降的趨勢。添加1%草酸亞鐵的推進(jìn)劑線性燃速增加了70%以上，在燃燒時(shí)質(zhì)量流量更加穩(wěn)定，但后期仍有輕微喘燃現(xiàn)象。添加1%草酸亞鐵的KNDX推進(jìn)劑燃燒溫度明顯升高，噴管出口處的氣體溫度從未改性的420℃上升到了620℃。

（4）二茂鐵對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。結(jié)果表明：在常壓下添加二茂鐵對KNDX推進(jìn)劑產(chǎn)生了良好的燃速調(diào)節(jié)效果，但在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作的較高壓強(qiáng)下，添加二茂鐵的效果并不理想，有明顯的喘燃現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)模擬裝置的各項(xiàng)性能隨二茂鐵添加比例的增加而有所改善，在所測的5種添加比例中，添加5%的KNDX推進(jìn)劑取得了最好的效果，但相對于其他添加劑仍不理想。添加5%二茂鐵后，推進(jìn)劑線性燃速增加了60%以上，發(fā)動(dòng)機(jī)推力和推進(jìn)劑比沖都隨著二茂鐵添加比例的增加有相對較大的改善。

（5）鎂粉對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。結(jié)果表明：改性KNDX推進(jìn)劑各方面的性能都隨著鎂粉添加比例的增加而穩(wěn)步提高。在1%-5%的添加比例范圍內(nèi)，鎂粉的添加比例越大，對KNDX推進(jìn)劑的改善效果就越明顯。當(dāng)添加5%鎂粉后，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量流量和推力明顯穩(wěn)定，幾乎沒有喘燃現(xiàn)象，線性燃速增加了一倍多。因?yàn)殒V粉燃燒放熱量大，能量輸出高[1]，推進(jìn)劑燃燒溫度和亮度有了大幅度的提高，所以添加鎂粉可以為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供閃亮的尾焰。但隨著燃?xì)鉁囟鹊脑龈?，所需防熱層也越厚[2]，在本文實(shí)驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)模擬裝置的燃燒室會(huì)因高溫而受損。

3.結(jié)論

（1）不同的添加劑和不同的添加比例對KNDX推進(jìn)劑燃燒性能有較大影響，并與燃燒環(huán)境壓強(qiáng)的大小有關(guān)。

（2）在常壓開放環(huán)境下，添加比例為3%或5%的添加劑對KNDX推進(jìn)劑的改善效果為：二茂鐵>鎂粉>草酸亞鐵>乙酸鉛>升華硫>氧化鐵>氧化銅>鋁粉>碳粉>不添加>碳酸鈣。二茂鐵、鎂粉和草酸亞鐵對KNDX推進(jìn)劑燃速、溫度、燃面和殘?jiān)坑休^大改善。

（3）在發(fā)動(dòng)機(jī)模擬裝置工作的一定壓強(qiáng)下，添加劑對KNDX推進(jìn)劑的改善效果為：5%鎂粉>1%草酸亞鐵>5%二茂鐵>不添加。

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘功配.高等煙火學(xué)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.63-64

[2] 方蘭，馮祖鉞，付全如，等.探空火箭設(shè)計(jì)[M].宇航出版社，1993.298-299

[3] 陸殿林，樊學(xué)忠，孫玉坤，等.XXLDB推進(jìn)劑燃燒性能研究[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2001，（4）：50-51

（本文作者為江蘇省南菁高級中學(xué)在讀學(xué)生，業(yè)余火箭愛好者）endprint