AP的聚集對(duì)CTPB推進(jìn)劑端燃藥柱邊界效應(yīng)的影響①

杜 芳，喬應(yīng)克，肖金武，李 冰，張運(yùn)剛，羅 薇

(中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十二所，襄陽(yáng) 441003)

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AP的聚集對(duì)CTPB推進(jìn)劑端燃藥柱邊界效應(yīng)的影響①

杜 芳，喬應(yīng)克，肖金武，李 冰，張運(yùn)剛，羅 薇

(中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十二所，襄陽(yáng) 441003)

為考察AP的聚集對(duì)端燃藥柱燃燒邊界效應(yīng)的影響，以CTPB推進(jìn)劑端燃藥柱為研究對(duì)象，從藥柱剖切面的中心到邊界進(jìn)行等距取樣，分別采用GJB 770B—2005和SEM-EDS測(cè)試了不同部位試樣的燃速和Cl元素含量(代表AP含量)。結(jié)果表明，在藥柱剖切面上，燃速由中心向邊界逐漸增加，呈現(xiàn)出典型的燃速邊界效應(yīng)；同樣，AP含量也由中心向邊界逐漸增加，表明燃速邊界效應(yīng)是由AP含量分布不均造成的。澆注方式對(duì)端燃藥柱燃速邊界效應(yīng)具有明顯影響，采用全燃面澆注方式可以消除藥漿澆注過(guò)程中側(cè)向流動(dòng)導(dǎo)致的AP含量分布不均的現(xiàn)象，從而弱化燃速邊界效應(yīng)，有助于提高端燃藥柱的燃燒穩(wěn)定性。

端面燃燒；AP；聚集；澆注方式；邊界效應(yīng)

0 引言

在端面燃燒的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于推進(jìn)劑/絕熱層界面處的推進(jìn)劑燃速高于藥柱中心區(qū)推進(jìn)劑燃速[1]，存在藥柱燃面出現(xiàn)錐面的現(xiàn)象，即所謂燃速的邊界效應(yīng)。此時(shí)，由于藥柱呈錐面燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓強(qiáng)和推力將增大，其有效工作時(shí)間縮短[2]，同時(shí)也會(huì)使燃燒殘藥量增大，壓強(qiáng)下降段的拖尾時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值，給發(fā)動(dòng)機(jī)性能預(yù)估帶來(lái)困難，最終影響導(dǎo)彈的射程和命中精度。

引起燃速邊界效應(yīng)的原因一般有界面應(yīng)力、界面?zhèn)鳠?、液體組分遷移和固體組分聚集等[3-6]。本文針對(duì)端燃藥柱出現(xiàn)錐面燃燒現(xiàn)象，以CTPB推進(jìn)劑端燃藥柱為研究對(duì)象，采用測(cè)燃速、SEM-EDS測(cè)Cl元素，證實(shí)澆注過(guò)程藥漿流動(dòng)引起出現(xiàn)錐面燃燒現(xiàn)象，提出了可行的全燃面澆注方法。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

推進(jìn)劑配方的基本組成：CTPB粘合劑體系，18.3%；氧化劑AP，42.5%；降溫劑JW1，37.5%；功能助劑1.7%。推進(jìn)劑藥柱制備工藝采用VKM-5立式混合機(jī)混合、真空澆注、60 ℃固化成型。

采用圖1所示的2種澆注方式制備以NBR為包覆層的藥柱試樣，尺寸為φ156 mm×200 mm。

剝下包覆藥柱上的包覆層，從藥柱中間部位取出一塊推進(jìn)劑試樣(如圖2所示的陰影部分)，以所取的推進(jìn)劑試樣的中部(對(duì)應(yīng)包覆藥柱的中心點(diǎn))為基準(zhǔn)，向兩邊均勻切片(如圖3所示)，記錄各切片到藥柱中心點(diǎn)的距離，隨后按GJB 770B—2005標(biāo)準(zhǔn)制樣，測(cè)試每一片試樣的燃速。

圖3 藥塊切片制樣示意圖Fig.3 Sketch of propellant sample slice

1.2 測(cè)試表征

靜態(tài)燃速采用WAE2000固體推進(jìn)劑燃速測(cè)試儀測(cè)試，測(cè)試方法參照GJB 770B—2005執(zhí)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 端燃藥柱燃面的燃速分布規(guī)律

采用前述1.1節(jié)的方法，分別對(duì)2種澆注方式制備的藥柱試樣進(jìn)行取樣和制樣，測(cè)試7 MPa下燃速r7MPa，將切片到藥柱中心點(diǎn)的距離記為L(zhǎng)，并做出r7MP-L關(guān)系圖，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同澆注方式制備的藥柱燃速分布Fig.4 Burning rate distribution under different casting methods

由圖4可見(jiàn)，2種澆注方式制得藥柱的燃面燃速分布明顯不同，對(duì)于全燃面澆注方式，僅在近界面層約10 mm范圍存在燃速升高現(xiàn)象，界面區(qū)域與中心區(qū)域燃速之比約為1.03∶1，其余燃面范圍的燃速變化較小，在2.45 mm/s左右正常波動(dòng)。而對(duì)于中心澆注方式(見(jiàn)圖1)，僅在澆注花板覆蓋的燃面區(qū)域，即距藥柱燃面中心約30 mm以內(nèi)區(qū)域的燃速變化較小，在2.33 mm/s左右正常波動(dòng)，其余區(qū)域由近藥柱中心向推進(jìn)劑/絕熱層界面，明顯存在燃速逐漸升高的趨勢(shì)，且在近界面層約10 mm范圍燃速升高幅度更大，其界面區(qū)域與中心區(qū)域燃速之比約為1.14∶1，明顯高于前述的全燃面澆注方式。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，CTPB推進(jìn)劑端燃藥柱的燃面存在燃速的邊界效應(yīng)，澆注方式不同，邊界效應(yīng)大小有別。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[6-8]，初步分析認(rèn)為，上述現(xiàn)象可能與AP在燃面不同部位含量不同有關(guān)，而澆注方式會(huì)影響氧化劑AP在藥柱燃面范圍內(nèi)的分布。

2.2 AP引起邊界效應(yīng)的機(jī)理分析

為證實(shí)在所研究的CTPB推進(jìn)劑端燃藥柱燃面是否存在AP含量分布問(wèn)題，以中心澆注藥柱為研究對(duì)象，采用SEM-EDS連用儀器觀察了其燃面不同區(qū)域取樣的表面形貌，并測(cè)試了Cl元素的含量。試樣取自圖4中的區(qū)域1、4、7、10，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

由圖5可見(jiàn)，綠色團(tuán)塊代表Cl元素，由于推進(jìn)劑中Cl元素來(lái)自氧化劑AP，通過(guò)綠色團(tuán)塊多少可定性判斷出AP含量的高低；不同部位推進(jìn)劑試樣中AP的分布是不均勻的，由燃面中心點(diǎn)向界面區(qū)，灰色團(tuán)塊明顯增多，表明AP含量越高。在掃描電鏡下可觀察到有白色的固體小顆粒在不斷的“跳動(dòng)”，并在不同的試樣中“跳動(dòng)”的小顆粒的多少為：10>7>4>1，分析認(rèn)為不斷“跳動(dòng)”的小顆粒為細(xì)粒度的AP。

由圖6可見(jiàn)，峰的高低代表氯元素相對(duì)含量的高低，通過(guò)Cl元素含量可推算出AP的大致含量。對(duì)EDS面總譜圖進(jìn)行分析計(jì)算，可得4個(gè)取樣區(qū)域的Cl元素的含量分別為8.52%、9.16%、9.49%、10.77%，據(jù)此計(jì)算可知，AP的含量分別為37.7%、40.5%、42.0%、47.7%。

(a)區(qū)域1 (b)區(qū)域4

(c)區(qū)域7 (d)區(qū)域10

圖6 不同部位試樣中Cl元素的EDS面總譜圖Fig.6 EDS photos of Cl in propellant samples at different parts

以上儀器分析結(jié)果表明，在CTPB推進(jìn)劑端燃藥柱的燃面中，由燃面的中心點(diǎn)向界面區(qū)存在AP含量逐漸增加的明顯趨勢(shì)，推進(jìn)劑/絕熱層界面區(qū)AP的濃度明顯高于燃面中心點(diǎn)。表明AP在燃面的含量分布，是導(dǎo)致端燃藥柱界面區(qū)燃速高于中心點(diǎn)(即燃速的邊界效應(yīng))的主要原因。

分析認(rèn)為，對(duì)于全燃面澆注方式，只有接近界面區(qū)的燃速稍高，其余燃面區(qū)燃速在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，這歸因于：推進(jìn)劑中氧化劑AP為兩級(jí)配，氧化劑在絕熱層附近不能均勻排列(見(jiàn)圖7[5])，存在許多空隙，藥柱澆注解除真空藥漿下沉，細(xì)粒度氧化劑AP會(huì)填充到這些空隙中，絕熱層附近的AP粒徑會(huì)比其他部位相對(duì)較小，從而導(dǎo)致燃速也相對(duì)較高。對(duì)于中心澆注方式，除了上述AP在界面區(qū)排列問(wèn)題外，還存在藥漿的側(cè)向流動(dòng)引起的固體組分濃度的分布。由于固體組分顆粒粒度、粒形和密度的差異，流動(dòng)速度大小會(huì)不同，造成側(cè)向流動(dòng)藥漿內(nèi)部的固體組分的均勻程度發(fā)生了變化,導(dǎo)致AP濃度沿藥柱燃面中心向界面層逐漸增加，因而推進(jìn)劑燃速也隨之增加，結(jié)果導(dǎo)致對(duì)中澆注方式制備的端燃藥柱的界面層燃速增高幅度明顯高于全藥面澆注方式。

圖7 推進(jìn)劑/絕熱層界面處固體顆粒尺寸分布Fig.7 Particle size distribution at side walls of the propellant grain

3 結(jié)論

(1)CTPB推進(jìn)劑端燃藥柱燃面存在燃速由燃面中心點(diǎn)向推進(jìn)劑/絕熱層界面逐漸增加的現(xiàn)象，其原因主要?dú)w因于細(xì)粒度AP在界面層附近的聚集及藥漿澆注過(guò)程中側(cè)向流動(dòng)導(dǎo)致的AP濃度的不均勻分布。

(2)澆注方式對(duì)端燃藥柱燃速邊界效應(yīng)具有明顯影響，采用全燃面澆注方式可消除藥漿澆注過(guò)程中側(cè)向流動(dòng)導(dǎo)致的AP濃度的分布現(xiàn)象，弱化邊界效應(yīng)。

[1] Davenas A.固體火箭推進(jìn)劑技術(shù)[M].北京:宇航出版社,1997.

[2] 夏志全.端面燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)研制中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].固體火箭技術(shù),2000,23(2):12-15.

[3] Gonthier B,Tauzia J M.Burning rate enhancement phenomena in end-burning solid propellant grains[C] // AIAA/SEA/ASME/ASEE,21st Joint Propulsion Conference,1985.

[4] Jolley W H,Hooper J F,Hilton PR,et al.Studies on coning in end-burning rocket motors[C] // AIAA/SEA/ASME/ASEE,21st Joint Propulsion Conference,1985.

[5] Probster M,Schmucker R H.Ballistic anomalies in solid rocker motors[C] // 36th Congress of the International Astronautical Federation Stockholm,Sweden,October 7-12,1985.

[6] Messner A M.Transient coning in end-burning solid propellant grains[R].AIAA 80-1138.

[7] Say les D C.U ltra-ultrahigh burning rate composite modified double-base propellan ts containing porous ammonium perchlorate [ P] .US 4944816,1990.

[8] 王伯羲,馮增國(guó),楊榮杰.火炸藥燃燒理論[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1997.

(編輯：呂耀輝)

Influence of AP concentration on boundary effect of CTPB propellant end-burning grain

DU Fang，QIAO Ying-ke，XIAO Jin-wu，LI Bing，ZHANG Yun-gang，LUO Wei

(42nd Institute of the Fourth Academy of CASC，Xiangyang 441003，China)

Based on CTPB propellant end-burning grain and equidistant interval sampling from the center of grain section to boundary,the burning rates and Cl contents(representing AP contents)of different parts of grain section were determined to disclose the influence of AP concentration on boundary effect by using GJB770B—2005 Standard and SEM-EDS respectively.The experimental results show that the burning rates of different parts of grain section increase gradually from center to boundary,which takes on a typical boundary effect. Similarly,the AP contents of different parts of grain section also increase gradually from center to boundary,which indicates that the boundary effect results from the uneven distribution of AP content in different parts of grain.Furthermore,the casting style can affect the boundary effect significantly.When uniform casting style is adopted,the uneven distribution of AP caused by the lateral flow in the process of propellant slurry-casting can be eliminated and the boundary effect can be weakened as well.As a result,the combustion stability of end-burning grain will be increased evidently.

end-burning；AP；concentration；casting style；coning effect

2014-01-22；

：2014-02-24。

杜芳(1987—)，女，碩士，研究方向?yàn)楣腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)理論研究。E-mail：dufang0123@163.com

V512

A

1006-2793(2015)01-0083-03

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.015