RDX-CMDB推進劑燃速溫度敏感系數(shù)的實驗研究

裴　慶，趙鳳起，郝海霞，徐司雨，張　衡

(西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室， 陜西 西安 710065)

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RDX-CMDB推進劑燃速溫度敏感系數(shù)的實驗研究

裴慶，趙鳳起，郝海霞，徐司雨，張衡

(西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室， 陜西 西安 710065)

為了揭示RDX-CMDB推進劑中各常見組分對其燃速溫度敏感系數(shù)的影響規(guī)律，制備了一系列含RDX、鋁粉及燃燒催化劑的CMDB推進劑樣品。采用氮氣靶線法測得其在2～14MPa下的燃速溫度敏感系數(shù)(σp)。討論了RDX含量、鋁粉、燃燒催化劑對RDX-CMDB推進劑燃速溫度敏感系數(shù)的影響。結果表明，提高工作壓強、增加RDX含量、添加燃燒催化劑均有助于降低RDX-CMDB推進劑在一定初始條件下的燃速溫度敏感系數(shù)。配方中引入鋁粉后可降低中低壓下RDX-CMDB推進劑的燃速溫度敏感系數(shù)，且燃速溫度敏感系數(shù)幾乎不隨壓強變化而變化。選用含鄰苯二甲酸鉛和沒食子酸鉍鋯作燃燒催化劑，均可在2～10MPa下降低RDX-CMDB推進劑的燃速壓強指數(shù)，同時降低燃速溫度敏感系數(shù)。

物理化學； RDX-CMDB推進劑；燃速；燃速溫度敏感系數(shù)；鋁粉；燃燒催化劑

引　言

固體推進劑的燃速溫度敏感系數(shù)是表征固體推進劑初溫變化對燃速影響規(guī)律的參量，也是衡量固體推進劑燃燒性能優(yōu)劣的一個重要指標[1]。初始溫度的變化會改變固體推進劑燃燒時的氣相和凝聚相化學反應速率，并對氣相火焰向燃燒表面的熱傳導過程產(chǎn)生影響，因此會影響固體推進劑的燃燒速度，進而改變固體火箭發(fā)動機的工作性能，直接影響到導彈的射程和精度。為了保證固體火箭發(fā)動機在使用溫度范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作，要求固體推進劑在極端環(huán)境下具有良好的燃燒穩(wěn)定性，其燃速溫度敏感系數(shù)應盡可能小[2-3]。固體推進劑的燃速溫度敏感系數(shù)與推進劑配方有關，因調(diào)控手段有限，目前國內(nèi)外相關研究報道較少。

含RDX的復合改性雙基推進劑(RDX-CMDB)是目前廣泛應用的一類推進劑[4]，本實驗從RDX-CMDB推進劑配方中RDX含量、鋁粉及燃燒催化劑的引入等幾個方面，系統(tǒng)研究RDX-CMDB推進劑燃速溫度敏感系數(shù)的變化規(guī)律，以期為此類推進劑的應用提供參考。

1　實　 驗

1.1原料與儀器

NC，氮質(zhì)量分數(shù)為12%，四川北方硝化棉股份有限公司；RDX，甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司；鋁粉，粒徑為12μm，蓋州市金屬粉末廠；沒食子酸鉍鋯(Gal-BiZr)，自制；鄰苯二甲酸鉛(Φ-Pb)、雷索辛酸銅(β-Cu)、通用炭黑(CB)，均為工業(yè)品；NG、其他功能添加劑，西安近代化學研究所。

AE/BX-2006型固體推進劑多功能燃速測試系統(tǒng)，西安電子科技大學與西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室聯(lián)合研制。

1.2推進劑樣品制備

RDX-CMDB推進劑基礎配方(質(zhì)量分數(shù))為：(NC+NG)64.7%，RDX 28%，其他助劑7.3%，具體配方見表1。燃燒催化劑選用傳統(tǒng)的鉛鹽-銅鹽-炭黑復合催化劑和新型綠色雙金屬鹽沒食子酸鉍鋯-銅鹽-炭黑催化劑。投藥量500g，催化劑外加。

采用吸收-驅(qū)水-放熟-壓延-切藥的常規(guī)無溶劑成型工藝制備推進劑樣品，將試樣制成Ф5mm×150mm的藥條，側面用聚乙烯醇溶液浸漬正反包覆6次并晾干。

表1　RDX-CMDB推進劑的配方

1.3燃速溫度敏感系數(shù)的測定

采用氮氣靶線法測試燃速溫度敏感系數(shù)，參照GJB2005 770B方法706.1 進行[5]。使用燃燒室外貼半導體塊的方式對燃燒室內(nèi)的溫度進行控制。將待測藥條放置在與初始溫度相同的恒溫箱內(nèi)30min后，裝入燃速測試系統(tǒng)進行燃速測試，初始溫度分別為-40、20和50℃，初始壓強分別為2、7、10和14MPa，在每個初始溫度和初始壓強下重復進行3次燃速測試，計算出單點燃速；使用Grubbs方法進行有效性驗證，若存在無效數(shù)據(jù)，則剔除后再進行2次重復測試，重新進行驗證。保持初始壓強一定，測出3個初始溫度條件下單點燃速后按照式(1)計算擬合燃速溫度敏感系數(shù)

(1)

式中：σp為燃速溫度敏感系數(shù)；u為燃燒速度；T為初始溫度；p為初始壓強。

2　結果與討論

實驗測得RDX-CMDB推進劑的燃速溫度敏感系數(shù)及相關系數(shù)(RT)見表2。

表2　RDX-CMDB推進劑燃速溫度敏感系數(shù)和相關系數(shù)

2.1RDX含量對RDX-CMDB推進劑燃速溫度敏感系數(shù)的影響

為了研究RDX-CMDB推進劑中RDX含量與燃速溫度敏感系數(shù)的關系，設計了RDX質(zhì)量分數(shù)為8%～38%的不同推進劑樣品(樣品1～樣品4)。在初始壓強一定時，依次測出初溫為-40、20和50℃時不同RDX含量推進劑樣品的燃速。不同壓強下以3個初始溫度計算的燃速溫度敏感系數(shù)隨RDX含量的變化情況如圖1所示。

圖1　不同壓強下RDX含量對燃速溫度敏感系數(shù)的影響Fig.1　Effects of RDX contents on the temperature sensitivity coefficient of burning rate for RDX-CMDB propellants at different pressures

由圖1可以看出，在不同壓強下，隨著RDX含量的增加，各個樣品的燃速溫度敏感系數(shù)(σp)總體呈現(xiàn)降低趨勢，即RDX質(zhì)量分數(shù)為38%時σp最小，RDX質(zhì)量分數(shù)為8%時σp最大。但當RDX質(zhì)量分數(shù)在18%～28%時σp值變化不大。由此可知，RDX-CMDB推進劑的燃速溫度敏感系數(shù)與RDX的含量有關，RDX質(zhì)量分數(shù)為8%～38%時，增加RDX含量有利于降低RDX-CMDB推進劑的燃速溫度敏感系數(shù)。此外，由圖1還可以看出，RDX-CMDB推進劑的燃速溫度敏感系數(shù)還與壓強有關，在RDX含量相同情況下，壓強增大，燃速溫度敏感系數(shù)減小。

CMDB推進劑燃燒時，燃燒表面及凝聚相反應區(qū)通過熱傳導作用吸收熱量，溫度由初始溫度(T0)升至表面溫度(Ts)。在此區(qū)域，硝酸酯和RDX中的硝胺基團發(fā)生熱分解反應，O-NO2鍵斷裂生成NO2和醛類物質(zhì)，這兩種物質(zhì)在靠近燃燒表面的嘶嘶區(qū)發(fā)生劇烈的氧化還原反應[6]，并放出大量的熱，溫度急劇升至暗區(qū)溫度(Td)，所生成的NO、N2O和其他產(chǎn)物在暗區(qū)繼續(xù)發(fā)生較為平緩的反應，產(chǎn)生明亮的火焰。雙基、改性雙基推進劑的燃速主要由嘶嘶區(qū)發(fā)生的放熱反應控制，從嘶嘶區(qū)反饋到燃面的熱流是決定燃速大小的主要因素。RDX-CMDB推進劑中RDX含量改變后，火焰中NO2濃度發(fā)生變化，對燃速大小產(chǎn)生重要影響[7]。初始溫度發(fā)生變化時，對燃燒表面附近發(fā)生的RDX熔融過程和RDX、硝酸酯類物質(zhì)的熱分解反應產(chǎn)生影響，進而使嘶嘶區(qū)發(fā)生的放熱反應受到影響，導致燃速發(fā)生改變。Kubota[8-9]基于燃燒波中一維一階反應的分析提出雙基、改性雙基推進劑的溫度敏感系數(shù)(σp)可由式(2)近似表示

σp=Φ+Ψ

(2)

式中：Φ為氣相溫度敏感度，由氣相區(qū)參數(shù)決定；Ψ為凝聚相溫度敏感度，由凝聚相區(qū)參數(shù)決定。

降低燃速溫度敏感系數(shù)(σp)可通過降低氣相溫度敏感度(Φ)和凝聚相溫度敏感度(Ψ)實現(xiàn)，對于RDX-CMDB推進劑，Φ對σp的影響更大，占總權重的70%。提高嘶嘶區(qū)溫度(Tf)、降低嘶嘶區(qū)反應活化能可降低氣相溫度敏感度，提高燃燒表面溫度(Ts)可降低凝聚相溫度敏感度。

2.2鋁粉對RDX-CMDB推進劑燃速溫度敏感系數(shù)的影響

以樣品3為基礎，設計了含質(zhì)量分數(shù)10%微米鋁粉的樣品5(微米鋁粉取代吸收藥，其余組分保持不變，具體配方如表1所示)，樣品3和樣品5的燃速溫度敏感系數(shù)隨壓強的變化如圖2所示。

圖2　樣品3和樣品5 的燃速溫度敏感系數(shù)隨壓強的變化曲線Fig.2　The changing curves of temperature sensitivity coefficient of burning rate vs. pressure for sample 3 and sample 5

由圖2可看出，RDX-CMDB推進劑中加入微米鋁粉后，燃速溫度敏感系數(shù)在2～14MPa下變化不大，說明壓強對該類推進劑的燃速溫度敏感系數(shù)影響并不明顯。含鋁粉的樣品5與不含鋁粉的樣品3相比，壓強為2～10MPa時，樣品5的燃速溫度敏感系數(shù)小于樣品3，壓強為14MPa時，樣品5的燃速溫度敏感系數(shù)大于樣品3。說明在中低壓強下微米鋁粉具有降低RDX-CMDB推進劑燃速溫度敏感系數(shù)的作用，當壓強大于10MPa時，鋁粉反而會增大初始溫度對推進劑燃速的影響作用。

2.3燃燒催化劑對RDX-CMDB推進劑燃速溫度敏感系數(shù)的影響

在樣品3的基礎上，設計了含鄰苯二甲酸鉛燃燒催化劑的樣品6和含新型綠色非鉛催化劑[10]沒食子酸鉍鋯的樣品7。上述3個樣品在初始溫度20℃時的燃速和燃速壓強指數(shù)如表3所示。

表3　 含不同燃燒催化劑的RDX-CMDB推進劑在初始溫度20℃時的燃速和燃速壓強指數(shù)

由表3可以看出，所選用的兩類燃燒催化劑對RDX-CMDB推進劑的燃燒均有明顯的催化作用，在一定初始壓強下可大幅提高燃速，并能有效降低RDX-CMDB推進劑的燃速壓強指數(shù)，因此有必要研究兩類燃燒催化劑對RDX-CMDB推進劑燃速溫度敏感系數(shù)的影響規(guī)律。樣品3、樣品6和樣品7的燃速溫度敏感系數(shù)隨壓強的變化如圖3所示。

圖3　樣品3、樣品6和樣品7的燃速溫度敏感系數(shù)隨壓強的變化曲線Fig.3　The changing curves of temperature sensitivity coefficients of burning rate vs. pressure for sample 3,sample 6 and sample 7

由圖3可以看出，在壓強小于10MPa時，加入燃燒催化劑可在10MPa下有效降低RDX-CMDB推進劑的燃速溫度敏感系數(shù)，在壓強較低時(2MPa)該現(xiàn)象尤為明顯。在2～7MPa時，含鄰苯二甲酸鉛燃燒催化劑的樣品6的σp值接近甚至低于0，體現(xiàn)出良好的燃燒性能調(diào)節(jié)作用；由表3可知，壓強為2～10MPa時，樣品6的燃速壓強指數(shù)較低，當壓強大于10MPa時，燃速壓強指數(shù)增大，燃速溫度敏感系數(shù)也迅速增大。含沒食子酸鉛鋯的樣品7在7～14MPa時燃速壓強指數(shù)在0.40左右，燃速溫度敏感系數(shù)總體處于較低的水平，由此可見，與樣品3相比，沒食子酸鉍鋯的加入可顯著降低RDX-CMDB推進劑在2～10MPa下的燃速溫度敏感系數(shù)。σp值隨壓強變化不大，呈緩慢上升的趨勢。與含鄰苯二甲酸鉛燃燒催化劑的樣品6相比，含沒食子酸鉍鋯的樣品7在10MPa以上具有相對較低的燃速溫度敏感系數(shù)。

3　結　論

(1)增大RDX-CMDB推進劑中RDX含量是降低其燃速溫度敏感系數(shù)的有效途徑。尤其在高壓(14MPa)條件下，高RDX含量的RDX-CMDB推進劑具有低的燃速溫度敏感系數(shù)。

(2)含微米鋁粉的RDX-CMDB推進劑的燃速溫度敏感系數(shù)幾乎不隨壓強變化而改變。加入微米鋁粉能顯著降低RDX-CMDB推進劑在10MPa以下的燃速溫度敏感系數(shù)。

(3)選用含鄰苯二甲酸鉛和沒食子酸鉍鋯的燃燒催化劑均可在2～10MPa下降低RDX-CMDB推進劑燃速壓強指數(shù)的同時降低燃速溫度敏感系數(shù)。其中含鄰苯二甲酸鉛鹽燃燒催化劑的RDX-CMDB推進劑在2～7MPa時燃速溫度敏感系數(shù)接近0。

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Experimental Research on Temperature Sensitivity Coefficient of Burning Rate for RDX-CMDB Propellant

PEI Qing, ZHAO Feng-qi, HAO Hai-xia, XU Si-yu, ZHANG Heng

(Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory, Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065，China)

In order to reveal the effects of the commonly used component on temperature sensitivity coefficient of burning rate for RDX-CMDB propellant, a series of propellant samples containing RDX, aluminium powder and combustion catalyst were prepared. Their temperature sensitivity coefficients of burning rateσPwere determined at the pressure of 2MPa to 14MPa by using nitrogen strand burner method. The influences of RDX content, aluminium powder and combustion catalysts on the temperature sensitivity coefficient of burning rate were discussed. The results show that the increase of working pressure and RDX content and the addition of combustion catalyst are healpful to reduce the temperature sensitivity coefficient of burning rate of RDX-CMDB propellant under certain initial conditions. After introducing aluminium powder into the formulation, the temperature sensitivity coefficient of burning rate of RDX-CMDB propellant at middle and low pressures can be reduced and is almost not changed with the pressure. Using lead phthalate and bismuth/zirconium gallate as combustion catalyst may reduce pressure exponent of burning rate at the pressure of 2MPa to 10MPa and reduce the temperature sensitivity coefficient of burning rate.

physical chemistry; RDX-CMDB propellant; burning rate; temperature sensitivity coefficient of burning rate; aluminium powder; combustion catalyst

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.014

2015-12-26；

2016-04-08

國家自然科學基金資助(No.21473130)

裴慶(1982-)，男，碩士，副研究員，從事固體推進劑燃燒研究。E-mail:peiqing204@sohu.com

趙鳳起(1963-)，男，博士，研究員，從事固體推進劑及含能材料研究。E-mail:zhaofqi@163.com

TJ55;V512+.3

A

1007-7812(2016)03-0073-04