單室雙推力固體火箭發(fā)動機(jī)用NEPE低燃速推進(jìn)劑的燃燒性能

代志高，宋 琴，吳京漢，項(xiàng) 麗，尹必文

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽 441003)

0 引言

雙推力發(fā)動機(jī)是固體火箭發(fā)動機(jī)的一個(gè)重要分支，它分為單室雙推力發(fā)動機(jī)和雙室雙推力發(fā)動機(jī)[1]。單室雙推力發(fā)動機(jī)是指用一個(gè)燃燒室產(chǎn)生兩級推力的發(fā)動機(jī)，這種發(fā)動機(jī)可為火箭提供起飛時(shí)的大推力及飛行過程中的續(xù)航推力[2]。通過發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單室雙推力的技術(shù)途徑主要有：(1)噴管一定，選用一種推進(jìn)劑，改變?nèi)紵娣e，實(shí)現(xiàn)雙推力；(2)噴管一定，選用燃速不同的兩種推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)雙推力；(3)燃面調(diào)節(jié)與燃速調(diào)節(jié)的各種組合實(shí)現(xiàn)雙推力；(4)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)噴管實(shí)現(xiàn)雙推力。技術(shù)途徑(2)可采用兩種燃速不同的推進(jìn)劑呈同心層排列的裝藥結(jié)構(gòu)(套裝)和兩種燃速不同的推進(jìn)劑前后串聯(lián)的裝藥結(jié)構(gòu)(串裝)。串裝式通孔雙燃速發(fā)動機(jī)在起飛時(shí)，助推段裝藥推進(jìn)劑和續(xù)航段裝藥推進(jìn)劑同時(shí)燃燒；在飛行時(shí)，只有續(xù)航段裝藥推進(jìn)劑燃燒。為滿足飛行過程中發(fā)動機(jī)較長的工作時(shí)間，要求續(xù)航段裝藥推進(jìn)劑在高壓和低壓同時(shí)具有低的燃速。為減少燃速波動對燃燒室壓力的影響，要求續(xù)航段裝藥推進(jìn)劑在高壓段和低壓段同時(shí)具有較低壓強(qiáng)指數(shù)。本文研究的NEPE低燃速推進(jìn)劑應(yīng)用于采用通孔串聯(lián)兩種不同燃速推進(jìn)劑單室雙推力發(fā)動機(jī)。

NEPE推進(jìn)劑打破了雙基推進(jìn)劑和復(fù)合推進(jìn)劑的界限，它充分發(fā)揮了雙基推進(jìn)劑中液體硝酸酯能量高、復(fù)合推進(jìn)劑中聚醚聚氨酯粘合劑力學(xué)性能好的特點(diǎn)。NEPE推進(jìn)劑采用大量含能組分——硝胺和硝酸酯，由于兩者的固有性質(zhì)及大量的使用，導(dǎo)致該類推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)偏高，燃速可調(diào)范圍窄，且燃燒性能難以調(diào)節(jié)，燃速與壓強(qiáng)指數(shù)調(diào)節(jié)技術(shù)之間相互制約[3]，一般情況下燃速升高壓強(qiáng)指數(shù)降低，燃速降低則壓強(qiáng)指數(shù)升高。無論是在雙基推進(jìn)劑中，還是在復(fù)合固體推進(jìn)劑中，加入燃速調(diào)節(jié)劑是調(diào)節(jié)燃速、降低壓強(qiáng)指數(shù)的有效方法之一[4-5]。燃速調(diào)節(jié)劑可分為增速劑和降速劑，國內(nèi)外對增速劑的研究都較活躍，但對降速劑的研究則較少，特別是對既能降低燃速又能降低壓強(qiáng)指數(shù)的降速劑的研究更少。國內(nèi)外學(xué)者在推進(jìn)劑中加入一些可抑制AP熱分解的鹽類或通過一些新型含能材料(如FOX-12、DNP等)部分取代配方中的硝胺，來降低推進(jìn)劑燃速[6]。楊立波等[7]通過降速劑共聚甲醛(POM)和蔗糖八醋酸酯(SOA)的復(fù)配，降低了雙基低燃速推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)，但未同時(shí)降低推進(jìn)劑燃速。

本文研究了NEPE推進(jìn)劑低壓和高壓燃燒性能的主要影響因素，并獲得了既能降低低壓和高壓燃速，又能降低低壓段和高壓段壓強(qiáng)指數(shù)的降速劑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 推進(jìn)劑樣品制備

推進(jìn)劑樣品制備工藝為傳統(tǒng)復(fù)合推進(jìn)劑制造工藝，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54～60 ℃下捏合85～100 min，出料并真空澆注，放置于50 ℃油浴烘箱內(nèi)固化7 d得到推進(jìn)劑方坯。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

推進(jìn)劑靜態(tài)燃燒性能測試采用水下聲發(fā)射法測定。首先將推進(jìn)劑制成4 mm×4 mm×110 mm的藥條，測試25 ℃、3～8 MPa、12～22 MPa壓強(qiáng)下各壓力點(diǎn)藥條的燃燒時(shí)間，采樣頻率為1 K，選取的每個(gè)壓力下同時(shí)測定測試5根藥條燃速數(shù)據(jù)；然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，求出平均燃速，根據(jù)Vieille經(jīng)驗(yàn)式r=apn，通過線性回歸方法求出壓強(qiáng)指數(shù)n。

1.3 推進(jìn)劑配方

推進(jìn)劑粘合劑分別采用聚醚和疊氮聚醚作為粘合劑時(shí)，同一壓強(qiáng)下的燃速依次升高，燃速隨壓強(qiáng)變化的敏感性也依次升高[8]；增塑劑中的硝酸酯基含量越高，同一壓強(qiáng)下燃速越高。因此，配方選用聚醚為粘合劑，硝酸酯基含量低的硝酸酯為增塑劑，通過熱力學(xué)理論計(jì)算、考慮高能固體推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)原則及理論基礎(chǔ)，結(jié)合原材料成熟度，確定以無規(guī)共聚醚/硝酸酯/AP/HMX/Al為基本組分，為保證推進(jìn)劑能量性能，通過理論計(jì)算確定配方固體含量為80%，推進(jìn)劑配方基本組成見表1。

表1 推進(jìn)劑配方基本組成

2 結(jié)果分析與討論

2.1 AP含量對推進(jìn)劑燃燒性能的影響

推進(jìn)劑配方固體組分主要為HMX、AP，固定HMX與AP總含量不變，研究了AP含量對推進(jìn)劑燃速(4、17.5 MPa)和壓強(qiáng)指數(shù)(3～8 MPa、14～22 MPa)的影響，結(jié)果見圖1、圖2。

從圖1、圖2可看出：(1)隨著配方中AP含量的降低，推進(jìn)劑4、17.5 MPa燃速逐漸降低；當(dāng)AP含量由47%降低為27%時(shí)，推進(jìn)劑4 MPa燃速降低幅度為13.2%，推進(jìn)劑17.5 MPa燃速降低幅度為3.21%，這可能是由于AP含量降低后，推進(jìn)劑配方中有效氧含量降低，推進(jìn)劑燃燒時(shí)不能得到充分燃燒，使燃燒釋放的熱量減少，從而導(dǎo)致推進(jìn)劑燃速降低；(2)隨著配方中AP含量降低，低壓段靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)增加，而高壓段靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)降低。

2.2 固體組分粒度對推進(jìn)劑燃燒性能的影響

固體組分粒度在推進(jìn)劑中合理的分布可提高燃燒表面結(jié)構(gòu)的均勻性，改善推進(jìn)劑的燃燒性能?？疾炝薃P粒度、HMX粒度對推進(jìn)劑燃速(4、17.5 MPa)和壓強(qiáng)指數(shù)(3～8 MPa)的影響，結(jié)果見圖3～圖6。

從圖3、圖4可看出，固定配方中AP含量不變，AP粒度增加，推進(jìn)劑4 MPa燃速和17.5 MPa燃速均降低而低壓段壓強(qiáng)指數(shù)增加。這是由于AP細(xì)粒度含量越多，AP的比表面積越大，這樣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，故而推進(jìn)劑的燃速提高。

從圖5、圖6可看出，固定配方中HMX含量不變，隨著HMX粒度增加，推進(jìn)劑4、17.5 MPa燃速降低，低壓段靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)也呈降低趨勢。

2.3 燃燒性能調(diào)節(jié)劑對推進(jìn)劑燃燒性能的影響

2.3.1 胺類化合物對推進(jìn)劑燃燒性能的影響

國內(nèi)外學(xué)者[9]對胺類化合物、碳酸鹽在丁羥推進(jìn)劑中進(jìn)行了使用性能研究。研究結(jié)果表明，胺類化合物、碳酸鹽能夠降低丁羥推進(jìn)劑的燃速。考察了草酸胺、草酰胺、草酸胺/CaCO3(1∶1)對推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見圖7、圖8和表2。

表2 胺類物質(zhì)對推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的影響

從圖7、圖8、表2可看出，推進(jìn)劑配方中加入上述物質(zhì)只能小幅度降低推進(jìn)劑4 MPa和17.5 MPa燃速，同時(shí)提高了推進(jìn)劑低壓段和高壓段壓強(qiáng)指數(shù)。

2.3.2 新型有機(jī)化合物對推進(jìn)劑燃燒性能的影響

新型有機(jī)化合物RTJ、RTA含有能吸附NO2和ClOx的稠環(huán)，通過降低“嘶嘶”區(qū)內(nèi)強(qiáng)氧化劑(NO2和ClOx)的百分含量，降低了“嘶嘶”區(qū)內(nèi)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，從而降低了“嘶嘶”區(qū)的溫度梯度，達(dá)到降低推進(jìn)劑燃速的目的。同時(shí)分子中含有能夠抑制AP分解的基團(tuán)，提高了AP的分解溫度，也達(dá)到了降低推進(jìn)劑燃速的目的。開展了RTJ、RTJ/RTA對推進(jìn)劑燃燒性能的影響研究，結(jié)果見圖9、圖10和表3。

表3 RTJ含量對推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的影響

從圖9、圖10、表3可看出：(1)配方中加入RTJ能夠顯著降低推進(jìn)劑4 MPa和17.5 MPa燃速，隨著配方中RTJ含量增加，推進(jìn)劑燃速降低；(2)配方中加入RTJ推進(jìn)劑高壓段壓強(qiáng)指數(shù)降低，但推進(jìn)劑低壓段壓強(qiáng)指數(shù)增加。

將RTJ與RTA進(jìn)行組合，考察其相對含量(3/1、1/1)對推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見圖11、圖12和表4。

從圖11、圖12、表4可看出：(1)RTJ/RTA等量代替RTJ，RTJ/RTA制得的推進(jìn)劑4、17.5 MPa燃速略低于RTJ制得的推進(jìn)劑4、17.5 MPa燃速；(2)RTJ/RTA等量代替RTJ，對低壓燃速、高壓燃速不同程度的降低，隨著壓強(qiáng)增加，燃速降低幅度增大，RTJ/RTA制得的推進(jìn)劑3～8 MPa、17.5～22 MPa的靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)低于RTJ制得的推進(jìn)劑3～8 MPa、17.5～22 MPa的靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)，特別是推進(jìn)劑高壓段壓強(qiáng)指數(shù)降幅較大；(3)RTJ/RTA(3/1)制得的推進(jìn)劑低壓段壓強(qiáng)指數(shù)略高于RTJ/RTA(1/1)制得的推進(jìn)劑低壓段壓強(qiáng)指數(shù)；RTJ/RTA(3/1)制得的推進(jìn)劑高壓段壓強(qiáng)指數(shù)低于RTJ/RTA(1/1)制得的推進(jìn)劑高壓段壓強(qiáng)指數(shù)。

表4 RTJ/RTA對推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的影響

2.4 降速劑RTJ/RTA使用性能研究

2.4.1 RTJ/RTA含量對推進(jìn)劑燃燒性能的影響

固定降速劑RTJ/RTA的相對含量(3/1)，考察了其加入量(外加)對推進(jìn)劑靜態(tài)燃燒性能的影響，結(jié)果見圖13、圖14和表5。

從圖13、圖14、表5可看出，(1)固定降速劑的相對含量，隨著加入量增加，推進(jìn)劑燃速降低，壓強(qiáng)越高推進(jìn)劑燃速降低幅度越大，當(dāng)加入量為5%時(shí)，推進(jìn)劑4 MPa燃速為3.082 mm/s，17.5 MPa燃速為5.996 mm/s；(2)固定組合降速劑的相對含量，隨著加入量的增加，推進(jìn)劑低壓段靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)基本保持不變，高壓段靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)降低，當(dāng)加入量為5%時(shí)，低壓段靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.53，高壓段靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.48。

表5 RTJ/RTA加入量對推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的影響

2.4.2 RTJ/RTA作用機(jī)理分析

對AP、AP+ RTJ /RTA(3/1)進(jìn)行了DSC分析，其結(jié)果如圖15、圖16所示。

從圖15、圖16可看出，AP中混入RTJ/RTA，AP晶型轉(zhuǎn)變峰基本保持不變，AP低溫分解峰由304.4 ℃升高到312.1 ℃，升高了7.7 ℃，高溫分解峰由371.2 ℃升高到408.1 ℃，升高了36.9 ℃。AP中混入RTJ/RTA后AP低溫、高溫分解峰溫度升高，說明RTJ/RTA對AP的分解有抑制作用，導(dǎo)致推進(jìn)劑燃速降低。

2.4.3 動態(tài)燃燒性能的驗(yàn)證

根據(jù)上述研究結(jié)果，確定燃燒性能調(diào)節(jié)劑RTJ/RTA加入量為5%，RTJ/RTA的相對含量為3/1，通過BSFφ75 mm 發(fā)動機(jī)的裝藥和試車，驗(yàn)證了推進(jìn)劑的動態(tài)燃燒性能，結(jié)果見表6。

表6 推進(jìn)劑動態(tài)燃燒性能(BSFφ75 mm)

從表6可看出，推進(jìn)劑4 MPa動態(tài)燃速為3.90 mm/s，17.5 MPa動態(tài)燃速為8.93 mm/s；低壓段(3～8 MPa)動態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.49，高壓段(14～22 MPa)動態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.44，推進(jìn)劑在實(shí)現(xiàn)低燃速同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較低的壓強(qiáng)指數(shù)。

3 結(jié)論

(1)通過合理調(diào)節(jié)配方中AP含量、固體組分粒度以及添加高效的RTJ/RTA降速劑，得到燃速和壓強(qiáng)指數(shù)低的高固體含量NEPE推進(jìn)劑配方。

(2)配方中加入胺類化合物，只能小幅度降低推進(jìn)劑4 MPa和17.5 MPa燃速，同時(shí)提高了推進(jìn)劑低壓段和高壓段壓強(qiáng)指數(shù)；加入新型有機(jī)化合物RTJ能夠顯著降低推進(jìn)劑4 MPa和17.5 MPa燃速，推進(jìn)劑高壓段壓強(qiáng)指數(shù)降低，但推進(jìn)劑低壓段壓強(qiáng)指數(shù)增加。

(3)與配方中單獨(dú)加入RTJ比較，加入等量的RTJ/RTA組合降速劑，推進(jìn)劑4 MPa和17.5 MPa燃速降低，同時(shí)推進(jìn)劑高壓段和低壓段壓強(qiáng)指數(shù)降低；隨著加入量的增加，推進(jìn)劑低壓段靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)基本保持不變，高壓段靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)降低。

(4)通過DSC對RTJ/RTA作用機(jī)理進(jìn)行了初步研究。研究表明，RTJ/RTA提高了AP低溫、高溫分解峰溫，對AP的分解起到抑制作用，從而降低了推進(jìn)劑燃速。

[1] 斯維特洛夫,戈盧別夫.防空導(dǎo)彈設(shè)計(jì)[M].北京:中國宇航出版社,2004.

[2] 林小樹,王寶山,金世學(xué).雙燃速固體發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道計(jì)算方法[J].固體火箭技術(shù),1991,14(4):12-18.

LIN Xiaoshu,WANG Baoshan,JIN Shixue.The method of internal ballistic calculation of solid rocket motors with dual burning rate[J].Journal of Solid Rocket Technology,1991,14(4):12-18.

[3] 吳芳,王世英,龐愛民.NEPE推進(jìn)劑燃燒性能研究概況[J].飛航導(dǎo)彈,2003,24(7):51-55.

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

[4] 張小平.復(fù)合燃速調(diào)節(jié)劑對NEPE推進(jìn)劑高壓燃燒性能的影響[J].固體火箭技術(shù),2007,30(2):128-131.

ZHANG Xiaoping.Effects of composite burning-rate modifiers on combustion properties of NEPE propellant under high pressure[J].Journal of Solid Rocket Technology,2007,30(2):128-131.

[5] Curtis D D.Control of propcessibility by particle size in high energy solid propellant[P].USP 4693764,1987.

[6] 張正中,曹芳潔,劉曉軍.降低固體推進(jìn)劑燃速研究進(jìn)展[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料,2014,12(3):25-28.

ZHANG Zhengzhong,CAO Fangjie,LIU Xiaojun.Research progress in decreasing burning rate of solid propellants[J].Chemical Propellants & Polymeric Materials, 2014,12(3):25-28.

[7] 楊立波,周瑞.復(fù)合降速劑對低燃速推進(jìn)劑燃燒性能的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào),2013,36(6):70-73.

YANG Libo,ZHOU Rui.Effects of composite deceleration agents on the combustion characteristics of the propellant with low burning rate[J].Chinese Journal of Explosives and Propellant,2013,36(6):70-73.

[8] 王芳,張小平,胡潤芝,等.硝酸酯增塑聚醚高能推進(jìn)劑高壓燃燒性能研究[J].推進(jìn)技術(shù),2004,25(5):469-472.

WANG Fang,ZHANG Xiaoping,HU Runzhi.Study on combustion properties of nitrate ester plasticized polyether propellants at high pressure[J].Journal of Propulsion Technology,2004,25(5):469-472.

[9] 孫運(yùn)蘭,李疏芬,丁敦輝.復(fù)合推進(jìn)劑中的降速劑[J].推進(jìn)技術(shù),2005,26(4):376-380.

SUN Yunlan,LI Shufen,DING Dunhun.Additives of lowing the burning rate in composite propellants[J].Journal of Propulsion Technology,2005,26(4):376-380.