GAP高能低特征信號推進(jìn)劑的燃燒性能調(diào)節(jié)

宋 琴，代志高，尹必文，項(xiàng) 麗，吳京漢

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽441003)

GAP高能低特征信號推進(jìn)劑的燃燒性能調(diào)節(jié)

宋 琴，代志高，尹必文，項(xiàng) 麗，吳京漢

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽441003)

研究了硝胺種類、固體組分含量和粒度、增塑劑與GAP的增塑比及燃速催化劑對GAP高能低特征信號推進(jìn)劑在11～19MPa下燃燒性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)HMX取代推進(jìn)劑樣品中的RDX時(shí)，推進(jìn)劑的燃速較高，壓強(qiáng)指數(shù)從0.72降至0.63；在AP和HMX總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.5%的條件下，隨著AP質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增至30%，推進(jìn)劑燃速逐漸增大，壓強(qiáng)指數(shù)由0.82降至0.45；減小AP粒度以及在配方中添加燃速催化劑或調(diào)節(jié)過渡金屬化合物J1/J2的配比，可較大幅度地增加推進(jìn)劑燃速和降低壓強(qiáng)指數(shù)，其中，J1與J2總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，二者質(zhì)量比為2∶1和1∶1時(shí)，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)較小，分別為0.50和0.48；隨著HMX粒度減小及增塑劑與GAP黏合劑的增塑比的降低，推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)降低。

聚疊氮縮水甘油醚；GAP；高能低特征信號推進(jìn)劑；燃燒性能；壓強(qiáng)指數(shù)；黏合劑；增塑劑

引 言

推進(jìn)劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的特征信號使導(dǎo)彈武器的生存能力和突防能力受到嚴(yán)重威脅，因此推進(jìn)劑的隱身對于整個(gè)導(dǎo)彈系統(tǒng)非常重要。通常，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在發(fā)射及飛行時(shí)，噴焰中的煙霧不僅有可見煙，還有紅外和紫外輻射，容易暴露導(dǎo)彈方位，也易被敵方攔截[1]；另一方面，制導(dǎo)信號(微波、電磁波和激光)穿越噴焰和煙霧區(qū)時(shí)還會(huì)衰減和被干擾，從而嚴(yán)重影響制導(dǎo)的精確性[2-3]。因此，研究具有低特征信號的新型推進(jìn)劑是固體推進(jìn)劑發(fā)展的一個(gè)重要方向。

聚疊氮縮水甘油醚(GAP)具有生成熱高、密度大、燃?xì)鉄o腐蝕性、特征信號低、燃溫低、感度低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是研制高能、鈍感和低特征信號推進(jìn)劑的關(guān)鍵材料之一，是固體推進(jìn)劑的理想黏合劑[4]。將GAP作為高能低特征信號推進(jìn)劑黏合劑時(shí)，可以彌補(bǔ)減少金屬粉以及AP含量帶來的能量損失，且其與常規(guī)氧化劑、增塑劑相容性好。在GAP高能低特征信號推進(jìn)劑配方研制過程中，為了減少一次煙和二次煙的生成量，常采用降低燃燒劑金屬Al粉和氧化劑AP含量并相應(yīng)提高HMX或RDX含量來降低推進(jìn)劑的特征信號，因此無Al粉、少AP(質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于15%)、高硝胺含量成為高能低特征信號推進(jìn)劑配方的一個(gè)重要研究趨勢。目前，某背景型號發(fā)動(dòng)機(jī)要求采用此高能低特征信號推進(jìn)劑配方，但由于該體系中多硝胺含量的特征，推進(jìn)劑在11～19MPa內(nèi)存在壓強(qiáng)指數(shù)偏高的問題，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的可靠性。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[5-6]。李偉等[7]研究認(rèn)為，在GAP少煙推進(jìn)劑中添加鉛鹽催化劑，可大幅提高高壓燃速和降低高壓段壓強(qiáng)指數(shù)；顧健等[8]研究了新型負(fù)載燃速催化劑對NEPE推進(jìn)劑燃速的影響，認(rèn)為新型負(fù)載型燃速催化劑可大幅提高推進(jìn)劑的燃速并降低壓強(qiáng)指數(shù)。

本研究從高硝胺含量推進(jìn)劑燃燒特性入手，研究了不同硝胺種類、固體組分含量、固體組分粒度、增塑劑與GAP黏合劑增塑比以及燃速催化劑對GAP高能低特征信號推進(jìn)劑燃燒性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣 品

GAP黏合劑、硝酸酯、AP(IV類)、NG/TEGDN以及NG/BTTN共混，湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所；HMX(β型一級品)、RDX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；AP(Ⅲ類)，大連高佳化工有限公司；

1.2 推進(jìn)劑制備

推進(jìn)劑基礎(chǔ)配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：AP≤15%，硝胺>50%，硝化甘油(NG)和三甘醇二硝酸酯(TEGDN)或1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)組合硝酸酯增塑劑/GAP黏合劑混膠15%～30%，燃速穩(wěn)定劑0.5%～2%，其他功能助劑2%～4%。

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50～60℃下捏合50～70min，出料并真空澆注，置于50℃油浴烘箱內(nèi)固化7d得到推進(jìn)劑方坯。

1.3 推進(jìn)劑燃速測定

采用水下聲發(fā)射法測定推進(jìn)劑燃速。首先將推進(jìn)劑制成4mm×4mm×110mm的藥條，測試壓強(qiáng)分別為11、13、16和19MPa時(shí)藥條的燃燒時(shí)間，每個(gè)壓強(qiáng)下測定5根藥條。其他操作與數(shù)據(jù)處理均參照GJB770B-2005中的706.1方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 硝胺種類對GAP高能低特征信號推進(jìn)劑燃燒性能的影響

在保持配方其他組分不變的情況下，考察了相同粒度和含量的RDX和HMX對推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見圖1。

從圖1中可以看出，配方體系中采用HMX后，推進(jìn)劑在11～19MPa下燃速均高于含RDX的配方，但壓強(qiáng)指數(shù)較低。分析認(rèn)為，HMX密度大于RDX，其在推進(jìn)劑中的體積分?jǐn)?shù)大，燃燒時(shí)，熱分解產(chǎn)生的熱量更高，因此燃速更高。

2.2 固體組分含量對GAP高能低特征信號推進(jìn)劑燃燒性能的影響

由于本研究中的GAP高能低特征信號推進(jìn)劑配方中無Al粉，因此該推進(jìn)劑中的主要有效固體組分為AP和HMX，重點(diǎn)考察了在AP和HMX總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.5%的情況下，改變AP含量對GAP高能低特征信號推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，在AP和HMX總含量不變的條件下，隨著AP質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增至30%，推進(jìn)劑在11～19MPa下的燃速呈增長趨勢，壓強(qiáng)指數(shù)逐漸降低。這是由于HMX的熔融溫度比分解溫度低，在分解前會(huì)先熔化吸熱，使推進(jìn)劑燃燒表面溫度降低。一般認(rèn)為，HMX在推進(jìn)劑的燃燒表面起惰性添加劑的作用，且AP的反應(yīng)活性高于HMX，AP分解產(chǎn)生大量的富氧化合物與GAP黏合劑、硝酸酯增塑劑等分解的富燃產(chǎn)物(CmHn、醛類等)反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，從而使推進(jìn)劑燃速增加。當(dāng)AP含量增大后，低壓下推進(jìn)劑燃速比高壓下的燃速提高更顯著，因此增加AP含量，同時(shí)降低HMX含量，推進(jìn)劑燃速增大，壓強(qiáng)指數(shù)降低，但同時(shí)也會(huì)影響推進(jìn)劑的羽煙信號特征。

2.3 固體組分粒度對GAP高能低特征信號推進(jìn)劑燃燒性能的影響

分別考察了HMX粒徑為95μm時(shí)，AP粒徑對推進(jìn)劑燃燒性能的影響，以及AP粒度為7μm時(shí)，HMX粒度對推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見表1。

表1 AP及HMX粒度對推進(jìn)劑燃燒性能的影響

從表1可以看出，隨著AP粒度的減小，推進(jìn)劑在11～19MPa下燃速均逐漸增大，壓強(qiáng)指數(shù)逐漸降低。AP燃燒產(chǎn)生的氧化性氣體產(chǎn)物和黏合劑熱分解產(chǎn)生的可燃性氣體產(chǎn)物形成的擴(kuò)散火焰控制GAP推進(jìn)劑的燃燒過程；AP細(xì)粒度含量越多，其比表面積越大，有利于熱分解和凝聚相放熱反應(yīng)，AP在推進(jìn)劑燃燒表面附近放熱增加，傳給表面的熱量也增加，故推進(jìn)劑的燃速提高。從表1也可看出，隨著HMX粒度的減小，推進(jìn)劑在11～19MPa下燃速均降低，壓強(qiáng)指數(shù)也降低，這是由于在推進(jìn)劑燃燒時(shí)，硝胺在燃燒表面吸熱熔化，當(dāng)其粒度減小時(shí)，熔化吸熱增大，促進(jìn)凝聚相吸熱反應(yīng)進(jìn)行，減少其放熱量，進(jìn)而降低凝聚相的反應(yīng)熱，降低了燃燒表面的氣體反應(yīng)速度和擴(kuò)散速度，從而降低了推進(jìn)劑的燃速。同時(shí)也說明，在該配方體系中，調(diào)節(jié)AP和HMX的粒度，可一定程度降低推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)。

2.4 增塑比對GAP高能低特征信號推進(jìn)劑燃燒性能的影響

在GAP高能低特征信號推進(jìn)劑配方體系中，含能的硝酸酯增塑劑是推進(jìn)劑的重要組成部分，且含能增塑劑對燃燒火焰結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生重要的影響，進(jìn)而影響推進(jìn)劑的燃燒行為，因此調(diào)節(jié)增塑比(即NG和TEGDN或BTTN組合硝酸酯增塑劑與GAP黏合劑質(zhì)量比)，分析其對推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，隨著硝酸酯增塑劑與GAP黏合劑增塑比的降低，即推進(jìn)劑在11～19MPa各個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)均明顯降低。這是由于硝酸酯增塑劑對GAP黏合劑的熱分解有一定的促進(jìn)作用，而且隨著硝酸酯增塑劑含量的降低，體系的放熱量減少，反饋至燃燒表面的熱量減少，從而燃速降低。

2.5 燃速催化劑對GAP高能低特征信號推進(jìn)劑燃燒性能的影響

研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的燃速催化劑(C粉、過渡金屬化合物J1、J2和J3)對推進(jìn)劑燃燒性能的影響，并在此基礎(chǔ)上研究了J1和J2組合燃速催化劑不同配比(質(zhì)量比)對推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見圖4和表2。

從圖4可以看出，在基礎(chǔ)配方中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的燃速催化劑后，推進(jìn)劑在11～19MPa范圍內(nèi)各個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)燃速均明顯增大，壓強(qiáng)指數(shù)降低，其中添加燃燒性能調(diào)節(jié)劑C粉，推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)降至0.58，而添加過渡金屬化合物J1或J2，推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)降至0.53，說明添加燃速催化劑是降低推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的有效技術(shù)手段。分析認(rèn)為，GAP黏合劑體系燃燒后產(chǎn)生的織態(tài)碳結(jié)構(gòu)是C粉、過渡金屬化合物J1和J2催化劑發(fā)揮催化作用的載體，對推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)有顯著影響。

表2 J1/J2配比對推進(jìn)劑燃燒性能的影響

從表2中可以看出，J1/J2質(zhì)量比對壓強(qiáng)指數(shù)有一定的影響，但規(guī)律性不強(qiáng)(隨J1含量增大，壓強(qiáng)指數(shù)變化趨勢為升高-降低-升高)，二者存在最佳配比，即J1/J2質(zhì)量比為2∶1和1∶1時(shí)，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)較小，分別為0.50和0.48，說明調(diào)節(jié)組合燃速催化劑相對含量對降低壓強(qiáng)指數(shù)有一定的效果。

3 結(jié) 論

(1)推進(jìn)劑配方中通過采用HMX、降低硝酸酯增塑劑和GAP黏合劑增塑比以及減小AP和HMX的粒度，可一定程度地降低推進(jìn)劑在11～19MPa的壓強(qiáng)指數(shù)。

(2)在AP和HMX總含量不變的條件下，增大AP含量，可明顯增大推進(jìn)劑的燃速和降低壓強(qiáng)指數(shù)。

(3)在配方體系中添加一定含量的燃速催化劑，可有效提高推進(jìn)劑的燃速，并降低推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)，其中，燃速催化劑總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，J1和J2質(zhì)量比為1∶1時(shí)，推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)降幅最大，可降至0.48。

[1] 張海燕. 新型高能氧化劑CL-20[J]．推進(jìn)技術(shù),1999(7):44-47.

ZHANG Hai-yan. New high energy oxidizer CL-20[J]. Journal of Propulsion Technology, 1999(7):44-47.

[2] 張瑞慶. 固體火箭推進(jìn)劑技術(shù)[M]．北京:兵器工業(yè)出版社,1986.

[3] 侯林法. 復(fù)合固體推進(jìn)劑[M]．北京:宇航出版社,1994.

[4] 王天放，李疏芬．新型高能聚合物GAP的熱分解和燃燒[J]．火炸藥學(xué)報(bào)，2005,28(1)：5-8.

WANG Tian-fang, LI Shu-fen. The thermal Decomposition and combustion of a new type high energy polymer GAP[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2005,28(1)：5-8.

[5] 徐思羽．含硝胺推進(jìn)劑的彈道調(diào)節(jié)劑的研究前景[J]．推進(jìn)技術(shù)，1989,10(4):23-27．

XU Si-yu. Research prospect on ballistic modifier of nitramine propellants[J]. Journal of Propulsion Technology, 1989,10(4):23-27．

[6] 吳芳，王世英，龐愛民．NEPE推進(jìn)劑燃燒性能研究概況[J]．推進(jìn)技術(shù)，2003,24(7):51-55．

WU Fang, WANG Shi-ying, PANG Ai-min. Research on the combustion properties of NEPE propellants[J]. Journal of Propulsion Technology, 2003,24(7):51-55．

[7] 李偉，尹欣梅，王小英，等．鉛鹽催化劑對GAP少煙推進(jìn)劑燃燒性能的影響[J]．火炸藥學(xué)報(bào)，2016,39(6)：80-83.

LI Wei, YIN Xin-mei, WANG Xiao-ying，et al. Effect of lead salt catalysts on the combustion properties of GAP reduced smoke propellant[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2016,39(6)：80-83.

[8] 顧健，張小平，龐愛民，等．新型負(fù)載燃速催化劑對NEPE推進(jìn)劑燃速的影響[J]．火炸藥學(xué)報(bào)，2015,38(5)：79-82.

GU Jian, ZHANG Xiao-ping, PANG Ai-min，et al. Influence of new loading burning-rate catalysts on burning-rate of NEPE propellants[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2015,38(5)：79-82.

RegulationoftheCombustionPropertiesforGAPPropellantwithHighEnergyandLowSignature

SONG Qin, DAI Zhi-gao, YIN Bi-wen, XIANG Li, WU Jing-han

(Hubei Institute of Aerospace Chemotechnology, Xiangyang Hubei 441003, China)

The effects of nitramine variety, content and granularity of solid component, plasticizing ratio of plasticizer and GAP binders, and burning-rate catalysts on the combustion properties of GAP propellant with high energy and low signature under 11-19MPa were studied. Results show that the burning rate of the propellant sample is higher and the pressure exponents decrease from 0.72 to 0.63 when HMX is substituted for RDX in the propellant samples. As the total mass fraction of AP and HMX is 67.5%, the burning rate increases gradually and the pressure exponent decreases from 0.82 to 0.45 with increasing the mass fraction of AP from 5% to 30%. Reducing the granularity of AP, adding the burning-rate catalysts and adjusting the ratios of transition metal compounds J1and J2,can greatly increase the burning rate of the propellant and reduce the pressure exponent. In which,when the total mass fraction of J1and J2is 3% and the ratios of J1and J2are 2∶1 and 1∶1, the pressure exponents of the propellant are smaller, which are 0.50 and 0.48 respectively. With reducing the granularity of HMX and decreasing the plasticizing ratios of plasticizers and GAP binders, the burning rates and pressure exponents of the propellants reduce.

glycidyl azide polymer; GAP ；propellant with high energy and low signature; combustion properties; pressure exponent; binder; plasticizer

TJ55;V512

A

1007-7812(2017)05-0060-04

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.011

2017-04-26；

2017-09-06

宋琴(1987-)，女，碩士，從事固體推進(jìn)劑研究。E-mail:songqin1721@163.com