內(nèi)彈道穩(wěn)定劑對(duì)中高燃速RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

王江寧，楊 斌，孫志剛，尚 帆，謝 波，馬 亮

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065; 2.宜賓北方川安化工有限公司，四川 宜賓 644219)

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內(nèi)彈道穩(wěn)定劑對(duì)中高燃速RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

王江寧1，楊 斌2，孫志剛1，尚 帆1，謝 波1，馬 亮1

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065; 2.宜賓北方川安化工有限公司，四川 宜賓 644219)

以一種中高燃速改性雙基推進(jìn)劑配方為基礎(chǔ)配方，添加不同粒度的Al2O3及不同品種的內(nèi)彈道穩(wěn)定劑， 研究了6～20MPa下推進(jìn)劑燃速和燃速壓強(qiáng)指數(shù)的變化規(guī)律，并對(duì)其燃燒機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，添加Al2O3后推進(jìn)劑的燃速降低,且隨著壓強(qiáng)的升高，燃速降低的幅度減小；不同品種的內(nèi)彈道穩(wěn)定劑對(duì)燃速及燃速壓強(qiáng)指數(shù)降低和提高的幅度不同，TiO2提高了推進(jìn)劑高壓段的燃速，MgO幾乎不影響推進(jìn)劑燃速，而Al2O3、ZrO2均降低了推進(jìn)劑的燃速。添加不同粒度的Al2O3后，均使燃燒表面的催化劑含量(濃度)降低，改變了催化劑的催化效率，從而導(dǎo)致添加芳香鉛A催化劑的推進(jìn)劑中Al2O3粒徑分別為10μm和2.5μm時(shí)，燃速相應(yīng)降低0.25mm/s和1.25mm/s。不同品種的內(nèi)彈道穩(wěn)定劑對(duì)燃燒表面催化劑含量、分散均勻性、催化活性的影響不同，TiO2、MgO的活性高于Al2O3和ZrO2，從而表現(xiàn)出添加TiO2、MgO的推進(jìn)劑燃速高于添加Al2O3、ZrO2的推進(jìn)劑。

物理化學(xué)；燃燒性能；改性雙基推進(jìn)劑；內(nèi)彈道穩(wěn)定劑；Al2O3

引 言

Al2O3是雙基和改性雙基推進(jìn)劑常用的內(nèi)彈道穩(wěn)定劑，常用的規(guī)格型號(hào)符合GB2479工業(yè)磨料要求，其平均粒徑為1.0、2.5、3.5、5.0、7.0、10.0μm。國(guó)內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了大量研究工作[1-4]。李上文等[1]研究了不同粒度Al2O3對(duì)燃速為6.5mm/s(5MPa，20℃)平臺(tái)燃速改性雙基推進(jìn)劑的燃速影響規(guī)律，結(jié)果表明，Al2O3粒度為5～10μm時(shí)對(duì)燃速無(wú)影響、2.5～3.5μm時(shí)燃速提高約2mm/s。張曉宏等[5]對(duì)利用燃燒穩(wěn)定劑調(diào)節(jié)燃速作了研究，結(jié)果表明，粒徑為3.5μm 的Al2O3對(duì)燃速提高的幅度小于粒徑為2.5μm的Al2O3，因此通過(guò)兩種粒度Al2O3按比例組合，將W-2改性雙基推進(jìn)劑的平臺(tái)燃速由12.4mm/s(10～11MPa，20℃)降低為11.4mm/s。李上文、陳竚、張曉宏等[1,6-7]還研究了MgO、CaCO3、 ZrO2、ZrB2等內(nèi)彈道穩(wěn)定劑對(duì)低壓(5MPa)低燃速(基礎(chǔ)配方燃速小于8mm/s)雙基和改性雙基推進(jìn)劑平臺(tái)燃速的影響規(guī)律，結(jié)果表明，ZrO2、ZrB2使空白配方燃速提高，其催化能力隨其粒度減小而上升。由此可見(jiàn)，雖然Al2O3、MgO、CaCO3、ZrO2、ZrB2主要作用是內(nèi)彈道穩(wěn)定劑，但對(duì)燃燒性能有一定的影響，研究?jī)?nèi)彈道穩(wěn)定劑對(duì)燃燒性能的影響規(guī)律，對(duì)雙基和改性雙基推進(jìn)劑燃速性能的調(diào)節(jié)具有重要意義。

本試驗(yàn)通過(guò)研究平臺(tái)燃速為25～30mm/s(10MPa，20℃)改性雙基推進(jìn)劑的燃燒性能，發(fā)現(xiàn)添加粒徑2.5μm的Al2O3降低了基礎(chǔ)配方推進(jìn)劑的平臺(tái)燃速，為此專門(mén)設(shè)計(jì)了含不同粒度Al2O3的改性雙基推進(jìn)劑配方，研究了Al2O3對(duì)中高燃速改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響規(guī)律，并分析了相關(guān)的燃燒機(jī)理，以期為中高燃速改性雙基推進(jìn)劑研究過(guò)程中燃燒性能的調(diào)節(jié)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品和儀器

NC，含氮量12.0%，四川北方硝化棉股份有限公司；NG，西安近代化學(xué)研究所；RDX，工業(yè)純，蘭州白銀銀光化學(xué)材料廠；Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2、芳香鉛A均為工業(yè)級(jí)。

靜態(tài)恒壓燃速儀，北京航天動(dòng)力研究所。

改性雙基推進(jìn)劑配方組成如表1所示，其中芳香鉛A催化劑與文獻(xiàn)[1]中一致。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用傳統(tǒng)螺壓工藝，即“吸收-光輥壓延-切藥”制備塑化良好、符合標(biāo)準(zhǔn)直徑和長(zhǎng)度(Φ5mm×5mm×150mm)的燃速藥條。將已處理過(guò)的藥條側(cè)面用聚乙烯醇溶液浸漬包覆6次并晾干，在恒壓燃燒室中按照GJB770B-2005方法706.1“燃速-靶線法”測(cè)試燃速并計(jì)算燃速壓強(qiáng)指數(shù)。溫度為20℃，壓強(qiáng)范圍為6～20MPa。

表1 改性雙基推進(jìn)劑的配方

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)彈道穩(wěn)定劑對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響

按照表1設(shè)計(jì)的改性雙基推進(jìn)劑配方，在無(wú)Al2O3的基礎(chǔ)推進(jìn)劑配方(MA-1)中，分別添加相同粒度(2.5μm)和含量的內(nèi)彈道穩(wěn)定劑Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2，研究其對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 內(nèi)彈道穩(wěn)定劑對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響Fig.1 Influence of different kinds of internal ballistics stabilizer on the combustion performance of propellant

由圖1可以看出，與無(wú)Al2O3的基礎(chǔ)配方推進(jìn)劑MA-1相比，添加MgO的MA-6推進(jìn)劑在6～20MPa的整體燃速-壓強(qiáng)曲線位于MA-1推進(jìn)劑下方，但與MA-1推進(jìn)劑的十分接近，6、8、20MPa時(shí)幾乎重合。說(shuō)明添加2.5μm的MgO對(duì)推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)影響很小。

添加TiO2的MA-7推進(jìn)劑，6、8MPa下的燃速低于基礎(chǔ)配方推進(jìn)劑MA-1,10MPa下燃速與MA-1相同，14、17、20MPa下燃速高于MA-1，而且17、20MPa下高出3mm/s左右。

添加ZrO2的MA-8推進(jìn)劑，6～20MPa下燃速均低于MA-1推進(jìn)劑，但隨著壓強(qiáng)升高，燃速逐漸接近MA-1推進(jìn)劑，20MPa下燃速幾乎相同。6～20MPa下推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)低于MA-1推進(jìn)劑。

與添加Al2O3的MA-2推進(jìn)劑相比，添加MgO后6～14MPa下燃速比MA-2推進(jìn)劑高1mm/s左右，17和20MPa下燃速相同；14～17MPa下的燃速壓強(qiáng)指數(shù)為0.16，小于MA-2推進(jìn)劑的0.23。添加TiO2后，推進(jìn)劑6～9MPa下燃速低于MA-2推進(jìn)劑，9～20MPa燃速逐漸高于MA-2推進(jìn)劑，尤其17～20MPa下顯著高于MA-2推進(jìn)劑，約高3mm/s；6～17MPa下燃速壓強(qiáng)指數(shù)顯著高于MA-2推進(jìn)劑，而17～20MPa下燃速壓強(qiáng)指數(shù)為0.11，小于MA-2推進(jìn)劑的0.19。添加ZrO2的情況與MA-1推進(jìn)劑類似。

燃燒機(jī)理研究結(jié)果表明[8]，在推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中，Al2O3和Pb、Cu、CB等催化劑均會(huì)在燃燒表面積聚。根據(jù)這一觀點(diǎn)，本研究認(rèn)為Al2O3在燃燒表面的積聚，導(dǎo)致Pb、Cu、CB等催化劑相對(duì)濃度減小，這必然引起推進(jìn)劑燃燒性能的波動(dòng)，認(rèn)為這是Al2O3等穩(wěn)定劑影響燃速及燃速壓強(qiáng)指數(shù)大小的根本原因。

根據(jù)李上文等[1,9-10]的報(bào)道，當(dāng)PbO、芳香酸鉛B等Pb催化劑濃度(添加量)降低時(shí)則推進(jìn)劑燃速升高，當(dāng)芳香酸鉛A等Pb催化劑濃度(添加量)降低時(shí)則推進(jìn)劑燃速降低，本研究的MA系列推進(jìn)劑中添加了芳香鉛A催化劑，在添加Al2O3以后，造成推進(jìn)劑燃燒表面鉛催化劑濃度降低，則燃速降低[9-10]。

2.2 Al2O3粒度對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響

按照表1設(shè)計(jì)的改性雙基推進(jìn)劑配方，在無(wú)Al2O3的基礎(chǔ)推進(jìn)劑MA-1中，分別添加粒徑為2.5、5.0、7.0、10.0 μm的Al2O3，得到1組燃速—壓強(qiáng)曲線，如圖2所示。

圖2 Al2O3粒度對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響Fig.2 Influence of the particle size of Al2O3 on the combustion performance of propellant

根據(jù)圖1的燃速測(cè)試結(jié)果，按公式(1)計(jì)算不同壓強(qiáng)下添加Al2O3后的燃速變化系數(shù)y，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

y=ux/u1

(1)

式中：u1為基礎(chǔ)推進(jìn)劑MA-1的燃速，ux為添加不同粒度Al2O3以后推進(jìn)劑的燃速。

表2 不同壓強(qiáng)下燃速變化系數(shù)

由圖1和表2可知，17MPa以下，添加Al2O3后，推進(jìn)劑的燃速均降低，降幅隨壓強(qiáng)增大而減小；當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到20MPa時(shí)，燃速等于或高于無(wú)Al2O3時(shí)推進(jìn)劑的燃速。從燃速降低系數(shù)分析可知，10、14、17MPa時(shí)隨Al2O3粒度增大，燃速降低幅度減小，即Al2O3粒度增大對(duì)基礎(chǔ)配方推進(jìn)劑的燃速影響減小，與張曉宏等[5]報(bào)道“Al2O3粒度增大，提高W-2推進(jìn)劑燃速的幅度降低”的規(guī)律一致。

為了進(jìn)一步研究和驗(yàn)證添加不同粒度Al2O3后推進(jìn)劑的燃燒規(guī)律，對(duì)不同壓強(qiáng)下燃速變化系數(shù)(y)的平均值與壓強(qiáng)(p)作圖，見(jiàn)圖3，擬合結(jié)果為一條直線，其方程為y=0.0040+0.9233p，相關(guān)系數(shù)為：R2=0.9947。

圖3 燃速變化系數(shù)與壓強(qiáng)的關(guān)系Fig.3 Relation of burning rate variation coefficient and pressure

由圖3可見(jiàn)，壓強(qiáng)與燃速變化系數(shù)的平均值具有較好的線性相關(guān)性，說(shuō)明表2數(shù)據(jù)及其規(guī)律具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性。

綜上所述可知，Al2O3粒度變化對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響與燃燒表面Pb、Cu、CB等催化劑的濃度和分散均勻性有關(guān)，Al2O3粒度越大對(duì)燃燒表面鉛催化劑濃度的影響越小，所以對(duì)燃速的影響幅度降低。此結(jié)論可以指導(dǎo)工程應(yīng)用時(shí)燃燒性能的調(diào)節(jié)。

3 結(jié) 論

(1)在RDX-CMDB推進(jìn)劑中添加Al2O3后，燃燒表面芳香鉛A催化劑的濃度降低，導(dǎo)致推進(jìn)劑燃速降低，Al2O3粒度增大對(duì)燃燒表面鉛催化劑濃度的影響作用降低，則對(duì)燃速的影響幅度也降低。

(2)不同內(nèi)彈道性能穩(wěn)定劑對(duì)燃燒表面Pb、Cu、CB等催化劑含量的影響和催化劑活性的影響不同，TiO2、MgO的活性高于Al2O3和ZrO2，從而表現(xiàn)出添加TiO2、MgO的推進(jìn)劑燃速高于添加Al2O3、ZrO2的推進(jìn)劑。

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Influence of Interior Ballistic Stabilizer on the Combustion Performance of Middle and High Burning Rate RDX-CMDB Propellants

WANG Jiang-ning1, YANG Bin2, SUN Zhi-gang1, SHANG Fan1, XIE Bo1, MA Liang1

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China;2.Yibin North Chuan′anChemical Industry Co. Ltd, Yibin Sichuan 644219, China)

The change rule of burning rate and pressure exponent of the propellant in the range of 6-20MPa was studied taking a kind of middle or high burning rate CMDB propellant as basic formula and adding Al2O3with different particle size and different kinds of internal ballistics stabilizer.The combustion mechanism was analyzed. The results show that the burning rate decreases when Al2O3is added. The reduction range of burning rate reduces with the pressure rising. The range of enhancement or reduction of different kinds of internal ballistics stabilizer to burning rate and pressure exponent is different. TiO2increases the burning rate in high pressure stage and MgO does not affect the burning rate of propellant while Al2O3and ZrO2both decrease the burning rate of propellant. The catalyst content (or concentration) on the combustion surface decreases when different particle size of Al2O3is added. The catalytic efficiency of catalyst is changed, which leads to 0.5mm/s and 1.25mm/s reduction on burning rate of propellant added aromatic lead A and Al2O3with the particle size of 10μm and 2.5μm, respectively. The influence of internal ballistics stabilizer on catalyst content, dispersal uniformity and catalyst activity is different. The activity of TiO2and MgO is higher than that added Al2O3and ZrO2, which reflects that the burning rate of propellant added TiO2or MgO is higher than that added Al2O3and ZrO2.

physical chemistry; combustion performance; composite modified double-base propellant; interior ballistic stabilizer;Al2O3

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.05.020

2016-04-06；

2016-07-13

國(guó)防科工局基礎(chǔ)產(chǎn)品創(chuàng)新科研項(xiàng)目(SJQC1510)

王江寧(1964-)，男，研究員，從事固體推進(jìn)劑研究。E-mail:wangjiangning001@sohu.com

TJ55;V512

A

1007-7812(2016)05-0119-04