DIANP對雙基推進劑燃燒速率的影響

趙 穎，楊建興，茍兵旺

?

DIANP對雙基推進劑燃燒速率的影響

趙 穎，楊建興，茍兵旺

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

采用靶線燃速測速法，研究了新型增塑劑1，5-二疊氮基-3-硝基-氮雜戊烷（DIANP）的引入及含量變化對雙基推進劑燃燒速率的影響，并討論了不同催化劑對含有DIANP的雙基推進劑燃燒速率的影響。實驗結果表明：在爆熱相近的情況下，DIANP部分取代硝化甘油，在10MPa下燃速可提高20%以上，壓力指數(shù)升高20%左右，提高幅度與所使用的催化劑品種有關；在配方其它組分不變的條件下，用DIANP部分取代硝化甘油，隨著配方中DIANP含量的增加推進劑爆熱減小，燃速先增加然后降低，燃速存在一個最大值。

雙基推進劑；DIANP；燃燒速率；燃速壓力指數(shù)

雙基推進劑由于制備工藝成熟、燃速和能量調節(jié)范圍廣的特點，廣泛應用于各類戰(zhàn)術導彈發(fā)動機裝藥[1]，降低特征信號、調節(jié)能量和燃燒性能是其主要研究方向。1，5-二疊氮基-3-硝基-氮雜戊烷（簡稱DIANP）是一種新型的含能增塑劑[2-4]，據(jù)報道含有DIANP的發(fā)射藥具有能量高、燃速高、爆溫低的特點[5-6]，但是關于DIANP在推進劑中的應用報道較少。為此本文探討了DIANP對雙基推進劑燃燒速率的影響。

1 實驗

1.1 配方設計

為了研究DIANP的加入對雙基推進劑燃燒速率的影響，選取含有硝化棉（NC）、硝化甘油（NG）、Ⅱ號中定劑（C2）的雙基體系為基本配方，分別采用了兩類燃速催化劑，并用DIANP部分取代了硝化甘油NG。爆熱對推進劑的燃速影響很大，一般來說，爆熱越高，燃速也越高，為了消除爆熱的影響，應保證試驗配方爆熱相近。按照上述原則，設計了一系列配方，如表1所示。表1中配方B1和B2使用的燃速催化劑為水楊酸鉛/水楊酸銅，B3和B4使用的燃速催化劑為氧化鉛/氧化銅。另外，為了研究DIANP加入量對推進劑爆熱和燃速的影響，結合B2配方設計了B5、B6配方，催化劑均為水楊酸鉛/水楊酸銅。

表1 實驗配方的組成與能量性能

Tab.1 Experiment compositions and its energetic index

1.2 原材料及儀器

原材料：硝化棉、雙基吸收藥，四川瀘州化工廠；DIANP，西安近代化學研究所；銅鹽、鉛鹽，化學純，營口精細化工廠。儀器：靶線法燃速測試設備，西安近代化學研究所；JR-4型絕熱式爆熱量熱計，西安近代化學研究所。

1.3 樣品制備

采用雙基推進劑常用的吸收、壓延塑化、無溶劑法壓伸工藝，進行試驗樣品制備。采用Ф5mm模具、63t油壓機成型，壓制出實心藥條供燃燒速率測試。

1.4 測試方法

采用靶線法測定幾種雙基推進劑的燃速。壓力分別為10MPa和20MPa，每個壓力下測定5根藥條，采用數(shù)理統(tǒng)計方法對離散數(shù)據(jù)進行取舍后統(tǒng)計平均，依據(jù)=ap方程，取對數(shù)ln=ln+ln，求出壓強指數(shù)。線性擬合相關系數(shù)均大于0.999。爆熱測試采用GJB 770B-2005絕熱法。

2 實驗結果及討論

2.1 DIANP的理化性能

DIANP是一種新型增塑劑，它與硝化甘油等常用含能增塑劑的理化性能對照見表2。由表2可見，新型含能增塑劑DIANP與傳統(tǒng)的硝化甘油增塑劑相比，具有以下特點：（1）凝固點低，有利于提高雙基推進劑的低溫力學性能；（2）揮發(fā)性低、摩擦感度和撞擊感度低，有助于提高生產安全性；（3）爆溫低，有助于降低高溫燃氣對噴管的燒蝕。雖然DIANP能量較低，但是由于它對硝化棉的溶塑能力比硝化甘油強，在推進劑中允許使用能量較高的高氮量硝化棉，可以彌補其能量較低的缺陷。

表2 增塑劑DIANP 和NG的理化性能[7-10]

2.2 DIANP引入對雙基推進劑燃速的影響

利用靶線法進行燃燒速率測試，測試結果見表3。

表3 DIANP的引入對雙基推進劑燃速的影響 (mm·s-1)

Tab.3 The results of burning rate on experiment compositions

由表3測結果可見，對于使用水楊酸鉛/水楊酸銅作為催化劑的雙基推進劑B1配方和B2配方，用DIANP部分取代硝化甘油，在10MPa下燃速提高23.5%，在20MPa下燃速提高36.3%，同時壓力指數(shù)升高24.6%；對于使用氧化鉛/氧化銅作為催化劑的雙基推進劑B3配方和B4配方，用DIANP部分取代硝化甘油，在10MPa下燃速提高29.5%，在20MPa下燃速提高36.4%，同時壓力指數(shù)升高15.2%。由此可見，在配方爆熱相近的情況下，用新型含能增塑劑DIANP部分取代硝化甘油，可以大幅度提高雙基推進劑的燃速，相應地其燃速壓力指數(shù)也有所升高。使用不同的催化劑，燃速及壓力指數(shù)提高幅度不同，相對而言，使用氧化鉛/氧化銅的效果要更好，提高燃速的比例高，同時壓力指數(shù)升高的幅度較小。

2.3 DIANP含量對雙基推進劑燃速的影響

為了研究加入DIANP的含量對推進劑爆熱和燃速的影響，在B1配方的基礎上，分別加入10%、20%、30%含量的DIANP替代NG，組成混合含能增塑劑，配方代號依次為B2、B5、B6，其燃速及燃速壓力指數(shù)測試結果見表4。由表2測試的結果可見，隨著DIANP加入及加入量的增大，雙基推進劑的爆熱降低。由表4測試結果可見，B5配方和B2配方相比較，DIANP含量由10%提高到20%，在10MPa下燃速提高39.0%，在20MPa下燃速提高36.8%，但是壓力指數(shù)反而降低2.8%；B6配方和B5配方相比較，DIANP含量由20%提高到30%，在10MPa下燃速反而降低19.8%，在20MPa下燃速降低15.9%，壓力指數(shù)升高8.7%；B6配方和B2配方相比較，DIANP含量由10%提高到30%，在10MPa下燃速僅提高11.5%，在20MPa下燃速僅提高15.0%，壓力指數(shù)升高5.6%。由此可見，在雙基推進劑其它組分基本不變的基礎上，用DIANP部分取代NG組成混合含能增塑劑，隨著DIANP加入量的增大，雙基推進劑的燃速先增后降，有一個最大值，而壓力指數(shù)相對燃速變化不大。

表4 DIANP含量對雙基推進劑燃速的影響 (mm·s-1)

Tab.4 The results of burning rate on experiment compositions

文獻[11]的研究表明火藥分解熱的增加與火藥燃速的增加是一致的，DIANP的分解熱為3 463J/g，硝化甘油NG的分解熱為2 628J/g，DIANP的加入會導致雙基推進劑分解熱的增加，從而造成燃速的增加；另外，DIANP中C-N3鍵斷裂生成N2，N2從藥體中溢出時在藥體中產生空隙，從而增大了燃燒反應面積，也將導致火藥燃速增加。

關于疊氮硝胺DIANP的加入導致燃速壓力指數(shù)增加的機理，主要是因為DIANP分子中沒有可裂解的自由基[CHO]，而硝化甘油NG熱分解時存在一定含量的自由基[CHO]。在燃燒反應中[CHO]起調節(jié)氧化性氣體摩爾分數(shù)的作用，分子結構中[CHO]基團的含量越高，燃速壓力指數(shù)越小[12]。從表3可以看出，不同催化劑對燃速壓力指數(shù)的影響不同，可以通過研究合適的催化劑來解決這個問題。

3 結論

（1）在爆熱相近的情況下，采用DIANP部分取代硝化甘油，10MPa下燃速可提高20%以上，壓力指數(shù)提高約20%，提高幅度與所使用的催化劑品種有關。（2）在配方其它組分不變的條件下，用DIANP部分取代硝化甘油，隨著配方中DIANP含量的增加推進劑爆熱減小，燃速先增加后降低，燃速存在一個最大值，而壓力指數(shù)相對變化不大。（3）DIANP作為含能增塑劑取代或部分取代NG，可以調節(jié)雙基推進劑的燃燒性能。

[1] 張續(xù)柱.雙基火藥[M].北京:北京理工大學出版社,1997.

[2] Flanagan J E.1，5-diazido-3-nitrazapentane and method of preparation thereof:US,5013856[P].1991.

[3] Simmons R L.Azido nitramine:US,4450110[P].1984．

[4] 姬月萍,李普瑞,汪偉,等.含能增塑劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].火炸藥學報,2005,28(4):47-51.

[5] 魏學濤,卿輝,崔鵬騰,等.疊氮硝胺發(fā)射藥燃燒性能調控技術[J].火炸藥學報,2004,27(4):46-49.

[6] 楊建興,賈永杰,劉毅,等.含RDX的疊氮硝胺發(fā)射藥熱分解與燃燒性能[J].含能材料,2012,20(2):180-183.

[7] 姬月萍,蘭英,李普瑞,等.1，5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷的合成及表征[J].火炸藥學報,2008,31(3):44-46.

[8] 王建靈,姬月萍,高福磊,等.疊氮硝胺安全性能參數(shù)的實驗測定[J].含能材料,2011,19(6):693-696.

[9] 楊建興,崔鵬騰,賈永杰,等.1,5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷對硝化棉的溶塑作用[J].火炸藥學報,2011,34(2):84-87.

[10] 汪偉,丁峰,梁憶,等. DIANP純度標準物質的制備及表征[J].火炸藥學報,2010,33(5):52-55.

[11] 劉子如.含能材料熱分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[12] 王進,李疏芬,張曉宏,等.疊氮硝酸酯對硝胺改型雙基推進劑燃燒性能的影響[J].火炸藥學報,2001,24(2):22-24.

Effect of DIANP on Combustion Rate of Double-based Propellant

ZHAO Ying，YANG Jian-xing，GOU Bing-wang

(Xi’an Modern Chemistry Research Institure, Xi’an, 710065)

The effect of 1, 5-diazido-3-nitrazapentane (DIANP) and its content on the burning rate of double-based propellant was studied by strand target method. The effect of different kinds of catalyzer on the burning rate of double-based propellant containing DIANP was also discussed. The results show that, under 10MPa and close explosion temperature, when the NG is partially replaced by DIANP, the burning rate increases 20% above, and the pressure exponent increases about 20%. The range of increasing is related to the kind of catalyzer. When the NG is partially replaced by DIANP and other compositions is unalterable, the explosion heat of propellant will decrease as the content of DIANP increasing, and the burning rate will increase firstly and then decrease, there is a maximum burning rate.

Double-base propellant；DIANP；Burning rate；Pressure exponent

1003-1480（2018）03-0032-03

V512+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.008

2017-12-30

趙穎（1974-），女，工程師，從事推進劑燃燒性能研究。