彈道穩(wěn)定劑對改性雙基推進劑燃燒性能的影響

熊文慧，隋九齡，劉 科

(1. 中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

固體火箭發(fā)動機在工作過程中，會出現(xiàn)燃燒室壓強和推進劑燃速等參數(shù)出現(xiàn)非正常的周期性或近似周期性的波動現(xiàn)象。當(dāng)固體火箭發(fā)動機發(fā)生不穩(wěn)定燃燒時，燃燒參數(shù)的波動幅值會超過理論設(shè)計閾值，發(fā)動機的各項性能也會發(fā)生偏離。因此，保證固體火箭發(fā)動機的穩(wěn)定燃燒是固體火箭發(fā)動機裝藥設(shè)計的重要考慮因素。在固體推進劑中加入少量的高熔點化合物粒子作為彈道穩(wěn)定劑，能有效抑制或消除固體推進劑的不穩(wěn)定燃燒，從而改善固體推進劑的燃燒性能。吳毅[1]通過研究某型固體火箭發(fā)動機的低溫燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，提出了改變彈道穩(wěn)定劑含量和粒徑的方法，能基本消除固體推進劑的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，并通過地面試車試驗得到了驗證。王江寧[2]研究了彈道穩(wěn)研究了彈道穩(wěn)定劑Al2O3粒度及含量對RDX-CMDB 推進劑的燃速影響，發(fā)現(xiàn)加入Al2O3后推進劑的燃速降低，Al2O3粒度增加后推進劑的燃速降低幅度有所減小；同時還分別研究了MgO，TiO2和ZrO2幾種不同種類的彈道穩(wěn)定劑對RDX-CMDB 推進劑的燃燒性能影響，發(fā)現(xiàn)不同彈道穩(wěn)定劑對推進劑中的催化劑活性影響不同，從而導(dǎo)致推進劑的燃速差異。另外，彈道穩(wěn)定劑的不同粒度復(fù)合對推進劑的燃速影響也不同，張曉宏[3]研究了粒徑分別為2.5 μm 和3.5 μm 的Al2O3以不同比例混合，發(fā)現(xiàn)粒度小的Al2O3所占比例越大，推進劑燃速越高，粒度大的Al2O3所占比例越大，推進劑燃速越低；而且可以通過調(diào)整這2 種粒度彈道穩(wěn)定劑的復(fù)合比例，實現(xiàn)推進劑燃速的精確調(diào)節(jié)。在改性雙基推進劑中，加入少量Al 粉提高推進劑能量及改善固體發(fā)動機的內(nèi)彈道性能，鄧重清[4]在研究AP/CMDB 推進劑時，發(fā)現(xiàn)降低鋁粉粒徑時，能提高推進劑高壓區(qū)燃速。但是，關(guān)于不同粒徑Al 粉條件下，彈道穩(wěn)定劑對推進劑燃燒性能影響的相關(guān)研究較少，有必要對這方面進行研究，分析推進劑中組分粒度對燃燒性能的影響。

通過研究某水下動力裝置高燃速改性雙基推進劑的燃燒性能，發(fā)現(xiàn)在加入不同種類和不同粒度的彈道穩(wěn)定劑及Al 粉后，改性雙基推進劑的燃燒性能存在差異。為研究內(nèi)彈道穩(wěn)定劑及Al 粉對推進劑的燃燒性能影響，通過試驗探討了Al2O3和SiC 兩種彈道穩(wěn)定劑及Al 粉對配方燃速的作用效果，研究彈道穩(wěn)定劑對燃速的影響規(guī)律及與不同粒度Al 粉復(fù)合后對燃速的綜合影響，為高燃速改性雙基推進劑的燃速調(diào)節(jié)提供參考。

1 試驗

1.1 基礎(chǔ)配方

采用某改性雙基固體推進劑為基礎(chǔ)配方，其主要組分NC+NG 占總重量的60.0%～80.0%，鋁粉約占5%，燃燒催化劑鉛銅鹽及其他添加物共約占16%。試驗時，在配方中加入一定量的Al2O3和SiC 作為彈道穩(wěn)定劑。

1.2 樣品制備

利用雙基固體推進劑傳統(tǒng)無溶劑法工藝制備吸收藥團，經(jīng)離心驅(qū)水和熟化后于臥式光輥機上壓延塑化，制備成直徑為5 mm，長度約150 mm 的燃速測試藥條。

1.3 測試方法

按照GJB 770B-2005 中706.1 的要求，用聚乙烯醇溶液對測試藥條進行包覆，待包覆液晾干后按規(guī)定鉆孔、穿靶線和點火線。將測試藥條置于藥池內(nèi)，將靶線、點火線綁在接線柱上，并檢查接線通路及充壓管路。檢查完畢后，將裝有測試藥條的底蓋裝到內(nèi)部溫度為20 ℃的燃燒室本體中，手動調(diào)節(jié)調(diào)壓閥門，充入氮氣，分別保持壓強為4 MPa，6 MPa，8 MPa，10 MPa，12 MPa，14 MPa，16 MPa。待保溫至一定時間后，進行點火，記錄燃燒時間，從而計算不同壓強下樣品藥條的燃速。

2 結(jié)果與分析

2.1 彈道穩(wěn)定劑對推進劑燃燒性能影響

選定2 種彈道穩(wěn)定劑Al2O3和SiC，分別研究2 種彈道穩(wěn)定劑對配方燃速的影響。從測試結(jié)果看，加入Al2O3和SiC 作為彈道穩(wěn)定劑后，配方測試藥條的燃燒性能發(fā)生了明顯變化，結(jié)果如表1、圖1 和圖2 所示。

表 1 彈道穩(wěn)定劑對推進劑燃燒性能的影響Tab. 1 Effect of ballistic stabilizers on propellant combustion performance

圖 1 Al2O3 含量對雙基推進劑燃燒性能的影響Fig. 1 Effect of Al2O3 content on combustion performance of double-base propellant

圖 2 SiC 含量對雙基推進劑燃燒性能的影響Fig. 2 Effect of SiC content on combustion performance of double-base propellant

在配方中分別加入1%的Al2O3后，在4 MPa時，燃速下降了1.86 mm/s，壓力指數(shù)從0.22 升高到0.37（4～8 MPa）；隨著壓力增大，與不加Al2O3配方的藥條燃速接近。壓力在10～16 MPa 時，含量為1%的Al2O3對配方的燃燒性能影響不明顯，壓力指數(shù)也較接近。加入1.5% Al2O3后，裝藥的燃速降至20.29 mm/s（10 MPa），降低了10%，而壓力指數(shù)升高到0.47。隨著Al2O3含量的增加，Al2O3對燃燒性能的影響從低壓區(qū)逐漸向高壓區(qū)轉(zhuǎn)移，變化幅度也增加。根據(jù)對雙基推進劑的燃燒過程分析認為，裝藥燃燒產(chǎn)生的熔融Al2O3在燃燒表面團聚后，微粒粒徑增大，使推進劑燃燒表面處的鉛銅鹽燃燒催化劑濃度降低，繼而影響推進劑燃速[2]。Al2O3含量越高，對燃燒催化劑在燃燒表面處的濃度影響越明顯，因此對燃燒性能的影響越大。

加入SiC 后，配方藥條的燃速均有所下降。在4～8 MPa 時，與不加SiC 的配方燃速差異波動較大，最低相差4.5%。隨著SiC 含量的增加，配方的燃速下降，壓力指數(shù)（4～8 MPa）從0.22 分別升高到0.33 和0.34，增幅達55%。在10～16 MPa 時，加入SiC 的配方燃速隨著壓強的增高，燃速越來越接近，壓力指數(shù)變化幅度較小，SiC 含量對燃速的影響變小。因此，SiC 在推進劑中主要在低壓區(qū)對其燃燒性能的產(chǎn)生影響，使推進劑燃速降低，壓力指數(shù)提高。由于SiC 自身性質(zhì)，其具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，在推進劑的燃燒過程中，會吸附一定含量的燃速催化劑和燃燒反應(yīng)中間產(chǎn)物，并隨燃氣流將之帶出燃燒表面，使配方的燃速降低。隨著壓力升高，火焰區(qū)對燃燒表面的熱反饋增加，不同彈道穩(wěn)定劑含量的配方燃速變化幅度減小[5]。

圖 3 內(nèi)彈道穩(wěn)定劑對雙基推進劑燃燒性能的影響Fig. 3 Effect of internal ballistic stabilizer on combustion performance of double-base propellant

同時，從圖3 可以看出，在配方中加入相同比例的彈道穩(wěn)定劑Al2O3和SiC 后，其對配方的燃速影響不同。加入1.5% Al2O3的配方燃速比1.5% SiC 的配方燃速低，但壓力指數(shù)較接近。在低壓時，兩者的燃速差異最大達1.38 mm/s（4 MPa），隨著壓力的增加，兩者的燃速差異逐漸減小，火焰區(qū)對燃燒表面的熱反饋作用加強，相對偏差從17.7%降低到0.5%。

2.2 鋁粉粒度對推進劑燃燒性能影響

為了研究原配方中不同鋁粉粒徑及2 種彈道穩(wěn)定劑粒度對燃燒性能的影響，分別在不同彈道穩(wěn)定劑的推進劑配方中加入粒徑為20 μm，80 μm，140 μm 的鋁粉，對比分析2 種彈道穩(wěn)定劑的性能，其結(jié)果如表2及圖4～圖6 所示。

表 2 不同配方的燃燒性能參數(shù)Tab. 2 Combustion performance parameters of different formulations

鋁粉粒徑為20 μm 時，分別加入粒度為W1.5，W2.5，W3.5 的Al2O3和SiC，其燃速如圖4 所示。在以Al2O3為穩(wěn)定劑的配方中，加入1%不同粒度的Al2O3，配方之間的差異不大，10 MPa 燃速在22.00～22.67 mm/s 之間，最大偏差為2.5%。在壓強為10 MPa 時，W2.5 的配方燃速最低；在低壓強區(qū)域，W2.5 的Al2O3配方燃速壓力指數(shù)為0.23，而在高壓強區(qū)域，其燃速壓力指數(shù)最高為0.41。對比3 種不同粒度的Al2O3對20 μm 鋁粉推進劑配方的影響，W2.5 的Al2O3對推進劑燃燒性能影響最大，使低壓區(qū)燃速壓力指數(shù)降低而高壓區(qū)燃燒壓力指數(shù)升高。用SiC 代替Al2O3后，隨著SiC 粒度的增加，配方的10 MPa 燃速有先降低后上升的趨勢，W3.5 的SiC 比W2.5 的SiC 配方燃速高1.18 mm/s，在低壓強區(qū)域，其燃速壓力指數(shù)受SiC 粒度影響較大，變化幅度達44%，而在高壓強區(qū)域粒度對燃速壓力指數(shù)影響變小。

圖 4 鋁粉粒徑為20 μm 時，2 種穩(wěn)定劑粒度對推進劑燃燒性能的影響Fig. 4 Effect of particle size on the combustion performance of propellant (dAl=20 μm)

圖 5 鋁粉粒徑為80 μm 時，2 種穩(wěn)定劑粒度對推進劑燃燒性能的影響Fig. 5 Effect of particle size on the combustion performance of propellant (dAl=80 μm)

圖 6 鋁粉粒徑為140 μm 時，2 種穩(wěn)定劑粒度對推進劑燃燒性能的影響Fig. 6 Effect of particle size on the combustion performance of propellant (dAl=140 μm)

鋁粉粒徑為80 μm 時，穩(wěn)定劑對燃燒性能的影響如圖5 所示。在10 MPa 條件下，其配方燃速與低壓強區(qū)燃速壓力指數(shù)均隨著Al2O3和SiC 粒度的增加而提高；在高壓強區(qū)域，含Al2O3配方壓力指數(shù)隨粒度增加而下降，而SiC 粒度對高壓強區(qū)域的燃速基本無影響。當(dāng)鋁粉粒徑為140 μm 時，Al2O3和SiC 粒度的變化而引起的燃速波動主要體現(xiàn)在低壓強范圍內(nèi)（4～8 MPa），而在高壓強區(qū)間對燃速影響較小。在低壓強區(qū)域，加入Al2O3的配方燃速壓力指數(shù)從0.21 分別增加到0.35 和0.30，而加入SiC 的配方燃速壓力指數(shù)從0.33 分別增加到0.27 和0.22，最高變化幅度分別達67%和50%。在高壓強區(qū)域，加入Al2O3，SiC 配方的壓力指數(shù)變化幅度分別為2.9%和11.4%，壓力指數(shù)波動明顯低于低壓強區(qū)域。

當(dāng)彈道穩(wěn)定劑的粒度一定時，推進劑的燃速壓力指數(shù)隨著Al 粉粒徑的變化趨勢不同。在穩(wěn)定劑粒度較?。╓1.5）時，Al2O3和SiC 配方的壓力指數(shù)隨Al 粉粒徑的影響很小。穩(wěn)定劑粒度為W2.5 時，Al2O3配方的低壓強區(qū)域壓力指數(shù)從0.23（20 μmAl 粉）增加到0.35（140 μmAl 粉），而對SiC 配方的壓力指數(shù)影響不大。穩(wěn)定劑粒度增加到W3.5，Al 粉粒徑對SiC 配方的壓力指數(shù)影響較大。隨著Al 粉粒徑的增大，其壓力指數(shù)均先增加后降低，低壓強區(qū)域和高壓強區(qū)域的壓力指數(shù)變化幅度最高分別為49%和24%。同時，推進劑的燃速隨著Al 粉粒徑的增大而降低。在W3.5 的Al2O3配方中，粒徑為20 μm 的Al 粉時配方燃速比加入140 μm 的Al 粉配方燃速高1.56 mm/s，降低了5.8%；而在W1.5 的SiC 配方中，20 μm 的Al 粉時配方燃速比140 μm 的Al 粉配方燃速高1.26 mm/s，Al 粉粒徑增大使燃速降幅達4.9%。經(jīng)分析認為，雙基推進劑中的Al 粉粒徑越大，其比表面積越小，與燃燒反應(yīng)物的接觸面積相對較小，影響Al 參與燃燒反應(yīng)程度，使推進劑爆熱降低，進而影響推進劑燃速。

3 結(jié) 語

通過研究彈道穩(wěn)定劑及金屬Al 粉對改性雙基推進劑燃燒性能的影響，得到如下結(jié)論：

1）隨著Al2O3含量的增加，燃速降低，壓力指數(shù)增加，Al2O3對推進劑燃燒性能的影響從低壓區(qū)向高壓區(qū)轉(zhuǎn)移，變化幅度也增加。加入SiC 后，隨著SiC 含量的增加，配方的燃速下降，對低壓強區(qū)域壓力指數(shù)影響較大，增幅達55%，對高壓區(qū)壓力指數(shù)變化幅度較小。

2）增加Al 粉粒徑，推進劑燃速降低，并在不同的彈道穩(wěn)定劑作用下，其壓力指數(shù)規(guī)律表現(xiàn)差異較大。因此，在推進劑配方設(shè)計中需綜合考慮各組分粒度的相互影響，以此設(shè)計出滿足要求的推進劑配方。