固體推進(jìn)劑混合裝備研究現(xiàn)狀與發(fā)展 ①

陸志猛，曾慶林，鄭麗兵，夏 強(qiáng)

(1.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北航鵬化學(xué)動(dòng)力科技有限責(zé)任公司，襄陽 441003;2.湖北航鵬化學(xué)動(dòng)力科技有限責(zé)任公司，含能組件制造技術(shù)與裝備湖北省工程研究中心，襄陽 441003;3.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641)

0 引言

固體推進(jìn)劑是由多種滿足不同特定功能要求的原材料如氧化劑、高活性金屬燃料、含能炸藥、增塑劑、高分子預(yù)聚物等，通過特定制造工藝、復(fù)雜的物理過程和化學(xué)反應(yīng)形成的具有粘彈特性的含能材料[1-2]。固體推進(jìn)劑制造過程中最危險(xiǎn)的工藝是混合工藝，在固體推進(jìn)劑混合過程中，高粘度的粘合劑、大量成團(tuán)的固體顆粒與其他組分一起交互作用，在物料內(nèi)部產(chǎn)生巨大粘阻力，增大了混合的難度[3-7]。另外，固體推進(jìn)劑中的諸多組分都屬于易燃易爆的材料，對(duì)混合設(shè)備的安全性能要求高。因此，在生產(chǎn)中通常采用結(jié)構(gòu)特殊的混合設(shè)備進(jìn)行混合，或者多臺(tái)不同類型混合設(shè)備相結(jié)合來完成所需要的混合工藝。根據(jù)固體推進(jìn)劑的混合工藝要求，目前用于固體推進(jìn)劑混合的槳式混合設(shè)備一般需要滿足以下特性：較小的混合間隙、較大的功率體積比(W/m3)、便于卸空(出料)、安全、可靠。

自20世紀(jì)40年代，固體推進(jìn)劑混合設(shè)備經(jīng)歷了從臥式到立式、從批產(chǎn)到連續(xù)、從有槳到無槳的技術(shù)發(fā)展。目前，復(fù)合固體推進(jìn)劑主要采用槳式混合裝備，經(jīng)過幾十年的裝備技術(shù)發(fā)展，其生產(chǎn)安全性、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品規(guī)模等性能指標(biāo)不斷得到改進(jìn)和提高。根據(jù)混合機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能的不同，用于固體推進(jìn)劑混合的設(shè)備分為有槳批產(chǎn)式、有槳連續(xù)式和無槳式混合等三類，下面分別介紹它們的研究現(xiàn)狀及發(fā)展。

1 有槳批產(chǎn)式混合設(shè)備

固體推進(jìn)劑有槳批產(chǎn)式混合設(shè)備經(jīng)歷了由臥式混合機(jī)向立式混合機(jī)發(fā)展過程。

雙臂臥式混合機(jī)(圖1)有兩根水平安裝的攪拌槳葉，臥式混合機(jī)混合容量從1 L 到5 m3，根據(jù)混合對(duì)象不同，其輸入功率范圍0.02～0.5 kW/kg。雙臂臥式混合機(jī)缺陷：安全性差，由于攪拌槳葉水平放置，混合過程中物料的高度高于軸承位，在混合過程中物料可能滲入密封函和軸承內(nèi)部，造成含能材料的過度摩擦，易產(chǎn)生安全事故；雙臂臥式混合機(jī)出料過程復(fù)雜。

圖1 雙臂臥式混合機(jī)示意圖

20世紀(jì)60年代開始雙槳葉立式混合機(jī)被逐步用于固體推進(jìn)劑混合。立式混合機(jī)通常采用雙槳葉或者三槳葉裝配模式，槳葉由不銹鋼材料制作，表面進(jìn)行高度拋光。與雙臂臥式混合機(jī)相比，立式混合機(jī)具有混合性能好、可靠性高的特點(diǎn)，獲得的推進(jìn)劑具有較好的燃燒和力學(xué)性能[8-10]。法國圭亞娜航天中心的推進(jìn)劑工廠裝有兩臺(tái)6814 L J.H.Dag三槳立式混合機(jī)(圖2)，1991年建成投產(chǎn)，用以生產(chǎn)阿里安5助推器等大型發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，可同時(shí)混合約12 t復(fù)合固體推進(jìn)劑[11]。

圖2 6814 L三槳立式混合機(jī)

自動(dòng)化和高安全是未來批產(chǎn)式立式混合裝備發(fā)展方向。在自動(dòng)化方面，主要集成機(jī)械手、自主導(dǎo)航技術(shù)、在線測試技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)及最新的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)固料、液料的自動(dòng)加料，熱水、真空等接口自動(dòng)對(duì)接，混合鍋?zhàn)詣?dòng)翻轉(zhuǎn)出料和自動(dòng)清洗，混合工藝過程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，信息化管控，主要參數(shù)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄和保存，混合前后工序自動(dòng)銜接；在高安全方面，主要通過混合裝備自身關(guān)鍵零部件安全性能提升以及先進(jìn)的控制、采集和分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)事故預(yù)示和綜合預(yù)警、還可通過配置快速泄爆裝置，讓立式混合機(jī)只燃燒不爆炸，綜合提升立式混合機(jī)的安全性和可靠性。

2 有槳連續(xù)式混合設(shè)備

2.1 雙螺桿混合機(jī)

20世紀(jì)60年代前后，在Polaris戰(zhàn)略導(dǎo)彈計(jì)劃的背景下，美國 Rocketdyne 公司和 Aerojet solid propulsion 公司嘗試固體推進(jìn)劑快速混合連續(xù)加工工藝，并達(dá)到1815 kg/h的裝藥生產(chǎn)能力，累計(jì)生產(chǎn)了8500 t推進(jìn)劑[12-13]。針對(duì)ASRM計(jì)劃，美國研發(fā)了兩臺(tái)UK-400連續(xù)設(shè)備，推進(jìn)劑產(chǎn)能最高可達(dá)4.5 t/h，后來由于美國宇航局資金大幅減少，這些生產(chǎn)線于20世紀(jì)90年代后期關(guān)閉并拆除。

歐盟在雙螺桿連續(xù)化生產(chǎn)線研制上投入較大，Herakles公司2005年建成一個(gè)中試規(guī)模的連續(xù)混合試驗(yàn)設(shè)備(圖3)，產(chǎn)能約200 kg/h；Herakles公司通過中試設(shè)備開展驗(yàn)證試驗(yàn)， 證明使用TSM雙螺桿技術(shù)進(jìn)行SRM大批量生產(chǎn)的制造周期較短，且推進(jìn)劑在混合工序的在置量減少。2016年至今，Herakles公司加快推進(jìn)固體推進(jìn)劑大批量連續(xù)混合裝備研發(fā)(圖4)，產(chǎn)能3～4.5 t/h，并計(jì)劃應(yīng)用到新一代運(yùn)載器Ariane 6[14]。

圖3 Herakles公司中試連續(xù)混合設(shè)備

圖4 Herakles公司大型連續(xù)混合設(shè)備

雙螺桿混合機(jī)有兩個(gè)協(xié)同轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋結(jié)構(gòu)的螺桿，根據(jù)固體推進(jìn)劑混合工藝要求，每個(gè)螺桿上設(shè)置有輸送段、捏合段、擠壓段及除氣段等功能。改變螺旋結(jié)構(gòu)配置可調(diào)節(jié)停留時(shí)間的分布，達(dá)到預(yù)定的剪切速率，實(shí)現(xiàn)物料連續(xù)混勻。雙螺桿混合機(jī)螺桿直徑規(guī)格為15～300 mm，最大長徑比L/D≤100，轉(zhuǎn)速可達(dá)500 r/min。

國內(nèi)固體推進(jìn)劑雙螺桿連續(xù)混合裝藥工藝設(shè)備方面研究較少，為滿足國內(nèi)大型發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥量需求，近幾年，國內(nèi)大力研發(fā)復(fù)合固體推進(jìn)劑連續(xù)混合系統(tǒng)，主要解決螺桿混合過程在高剪切或擠壓力作用下的安全性問題，計(jì)劃在未來十年實(shí)現(xiàn)雙螺桿連續(xù)化裝藥技術(shù)工程化應(yīng)用。

2.2 蠕動(dòng)混合機(jī)

1978年， SPILLMAN開發(fā)出一種包含橡膠和滾筒的蠕動(dòng)混合機(jī)，該裝置混合輸送流體能力較差。2010年，YOSHIHAMA開發(fā)了一種基于腸蠕動(dòng)的蠕動(dòng)混合機(jī)(圖5)，采用直纖型人工肌肉，并證明了其可用于高粘度和固、液兩相物料的輸送和混合機(jī)[15]。2018年，日本中央大學(xué)和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)一款能制造固體火箭燃料的蠕動(dòng)混合機(jī)，模擬了包含高氯酸銨粉末、鋁粉和彈性體粘合劑在內(nèi)的推進(jìn)劑連續(xù)混合出料情況(圖6)。

圖5 蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)原理及設(shè)備示意圖

圖6 蠕動(dòng)輸送過程示意圖

蠕動(dòng)混合機(jī)的捏合原理：待混合物料通過柱塞運(yùn)動(dòng)裝入蠕動(dòng)膠管中，膠管兩側(cè)對(duì)稱、依次布局的擠壓板的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)膠管產(chǎn)生波浪式擠壓，物料在經(jīng)歷多次擠壓后實(shí)現(xiàn)混勻。蠕動(dòng)混合機(jī)物料捏合過程中，壓板隔著彈性的膠管對(duì)物料進(jìn)行擠壓、捏合，安全性比槳葉式混合較好，但適應(yīng)粘度范圍較窄。

2.3 多腔混合機(jī)

德國IKA公司研制一種在全球取得專利權(quán)的多腔式連續(xù)混合機(jī)CONTERNA(圖7)，其構(gòu)造是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，即捏合腔體的數(shù)量以及捏合工具和出料模塊的設(shè)計(jì)可以適應(yīng)不同的客戶需求。CONTERNA的理念實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)機(jī)器多個(gè)工藝步驟合成，如混合、捏合、滾軋和擠壓高粘度的介質(zhì)。捏合腔體上蓋可拆卸，整個(gè)捏合腔體可液壓打開，便于清洗和維護(hù)。

圖7 IKA公司多腔式連續(xù)混合機(jī)

西安近代化學(xué)研究所近幾年在從事多腔式連續(xù)混合技術(shù)研究[16]，每個(gè)腔室呈豎“8”字形，包括進(jìn)料腔室、捏合腔室、出料腔室。腔室個(gè)數(shù)可調(diào)、槳葉組合可調(diào)、每個(gè)腔室槳葉轉(zhuǎn)速可獨(dú)立控制、每個(gè)腔室溫度可獨(dú)立控制，能夠適用高固含量復(fù)合材料的混合，目前未見固體推進(jìn)劑領(lǐng)域的應(yīng)用報(bào)道。

3 無槳式混合設(shè)備

3.1 聲共振混合機(jī)

聲共振混合機(jī)作為一種全新的無槳混合技術(shù)，近幾年應(yīng)用在推進(jìn)劑、PBX炸藥、共晶炸藥及高品質(zhì)炸藥的制備等軍用領(lǐng)域。

2010年，美國學(xué)者POURPOINT[17]采用聲共振混合機(jī)混合了鋁/冰推進(jìn)劑，并在美國ALICE導(dǎo)彈上進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖8所示。

圖8 ALICE導(dǎo)彈準(zhǔn)備、點(diǎn)火及升空

2010年，美國學(xué)者SANTOS等研究了聲共振混合機(jī)混合凝膠推進(jìn)劑，采用SiO2和JP-8質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～7%，混合效果較好[18]。2012年，美國學(xué)者HEISTER等開展了高燃速復(fù)合固體推進(jìn)劑的實(shí)驗(yàn)研究，配方中固含量80%～84%，物料混合時(shí)間為5 min，后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，在6.9 MPa壓力下，燃燒速率為14～40 mm/s[19]。2013年，美國學(xué)者REESE等采用聲共振混合機(jī)混合一種新型硝酸酯復(fù)合推進(jìn)劑，配方中各物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)：SMX 83%，鋁粉2%，HTPB 11.15%，異葵壬酸酯2.23%，MDI 1.62%，混合時(shí)間為10 min。作者通過對(duì)其混合后性能進(jìn)行研究，認(rèn)為從推進(jìn)劑性能、加工、安全性以及燃燒性能等方面綜合考慮，SMX-HTPB推進(jìn)劑補(bǔ)充或取代AP成為下一代固體火箭推進(jìn)劑[20]。

聲共振混合機(jī)通過振動(dòng)傳導(dǎo)低頻、高強(qiáng)度聲波能量實(shí)現(xiàn)物料的混合，利用機(jī)械共振原理以最小的能量打破物料混合的邊界條件，激發(fā)物料進(jìn)行自振動(dòng)快速混合，是整場的無槳混合；不但能夠?qū)崿F(xiàn)被混物料整場不留死角的均勻分散，而且能夠避免有槳混合過程中因槳葉的剪切或與壁面的摩擦碰撞對(duì)被混物料造成物理或化學(xué)破壞。

從聲共振混合原理(圖9)可知，如果混合容器直接采用單發(fā)或多發(fā)小型發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，可能會(huì)帶來固體推進(jìn)劑制造工藝的顛覆性進(jìn)步，使固體推進(jìn)劑等危險(xiǎn)材料的傳統(tǒng)混合工序、藥漿翻轉(zhuǎn)和澆注工序等多作業(yè)工藝過程革新為一體化原位混合裝藥(圖10)，大幅度提高生產(chǎn)過程的安全性和生產(chǎn)能力。

圖9 聲共振混合原理及產(chǎn)品示意圖

圖10 小型發(fā)動(dòng)機(jī)一體化原位混合裝藥

3.2 離心混合機(jī)

離心混合機(jī)是在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的產(chǎn)品，由于需要高速旋轉(zhuǎn)，所以限制了它的容積大小，現(xiàn)在最大的規(guī)格是有效容積3 L，主要在歐美和日本等國家進(jìn)行生產(chǎn)。離心混合機(jī)原理圖如圖11所示。

圖11 離心混合機(jī)原理圖

2013年，湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所徐海元[21]等開展了固體推進(jìn)劑離心混合工藝的研制，離心混合機(jī)在2000 r/min轉(zhuǎn)速下，在10 min內(nèi)可實(shí)現(xiàn)物料的均勻混合。但高轉(zhuǎn)速要求，限制了離心混合機(jī)的生產(chǎn)能力，難以研制大型化產(chǎn)品，僅可用于配方研究或小型發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，難以滿足大型發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥需求。

3.3 重力混合機(jī)

重力混合機(jī)又叫醉桶式混合機(jī)，是將待混物料通過物料桶的多維轉(zhuǎn)動(dòng)在自身重力作用下翻滾以達(dá)到均勻混合的目的。重力混合示意圖如圖12所示。重力混合機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、混合過程中物料承受的剪切壓強(qiáng)小、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。 但是，重力混合機(jī)主要依靠物料重力達(dá)到混合目的， 混合效率低， 而且只適合固體顆粒和低粘度物料的混合，對(duì)于固體推進(jìn)劑等高粘度物料， 其混合效果不理想。

圖12 重力混合機(jī)示意圖

4 混合裝備技術(shù)發(fā)展

4.1 仿真技術(shù)

目前國內(nèi)混合設(shè)備方案的確定和改進(jìn)研究，長期以來主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，一直缺乏一套專業(yè)的、有效的方法和手段，仿真技術(shù)是推動(dòng)混合裝備技術(shù)發(fā)展的最好解決方法。針對(duì)固體推進(jìn)劑等危險(xiǎn)物料的混合工藝仿真技術(shù)旨在將裝備研發(fā)、工藝仿真、生產(chǎn)過程等進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)籌，實(shí)現(xiàn)混合裝備的快速設(shè)計(jì)和配置，提升固體推進(jìn)劑裝藥的效率。

隨著計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)值求解流體力學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)在化工領(lǐng)域攪拌釜的仿真模擬發(fā)展迅速[21-24]。CFD方法可以將用于描述流動(dòng)和傳熱過程的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒規(guī)律的復(fù)雜的偏微分形式的納維-斯托克斯方程轉(zhuǎn)化，分析混合釜內(nèi)的速度、壓力和能量的分布情況[25-26]。

法國Herakles公司通過對(duì)大型立式混合機(jī)混合復(fù)合固體推進(jìn)劑的混合過程進(jìn)行了仿真分析(圖13)，能夠獲得藥漿在在混合腔體內(nèi)三維空間內(nèi)任意位置的速度、壓力、粘性、剪切率等參數(shù)，Herakles公司通過仿真分析，進(jìn)一步優(yōu)化了混合工藝參數(shù)，混合效率提升約30%；瑞士iTEC公司通過專用軟件開展仿真技術(shù)分析，簡要構(gòu)建了物料特性參數(shù)、固體推進(jìn)劑混合過程的物理化學(xué)反應(yīng)過程和混合裝備攪拌、捏合之間的協(xié)同關(guān)系。

(a)Temperature (b)Pressure (c)Shear force

采用仿真計(jì)算，能夠避免推進(jìn)劑藥漿等高風(fēng)險(xiǎn)材料的實(shí)際混合實(shí)驗(yàn)所帶來的各種傷害，能夠有效預(yù)測危險(xiǎn)發(fā)生的情形，從而在試驗(yàn)、生產(chǎn)過程中提前采取降低風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防措施，避免產(chǎn)生安全事故。因此，混合裝備的發(fā)展離不開仿真技術(shù)的進(jìn)步。仿真技術(shù)與工藝裝備有效結(jié)合，構(gòu)建由工藝裝備、仿真軟件平臺(tái)、服務(wù)器、客戶端和數(shù)據(jù)庫等組成工藝仿真系統(tǒng)(圖14)，工藝仿真系統(tǒng)可以將仿真數(shù)據(jù)、現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行聯(lián)用分析，為用戶提供可視化的APP程序，為工藝裝備及工藝過程的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)工藝精確控制，提高工藝的可靠性，最終實(shí)現(xiàn)混合工藝過程的安全能力提升。

圖14 工藝仿真系統(tǒng)

4.2 混合裝備發(fā)展

近些年來，高能量、高燃速、低易損、低特征、寬適應(yīng)、強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)是固體推進(jìn)劑技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)，世界發(fā)達(dá)國家以新型固體推進(jìn)制研制為重點(diǎn)，非常重視將先進(jìn)混合裝備技術(shù)用于固體推進(jìn)劑的制備與生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是針對(duì)固體推進(jìn)劑安全、高效自動(dòng)化制造領(lǐng)域，研制出了以雙螺桿自動(dòng)化混合和聲共振混合為核心的裝藥技術(shù)，可加工炸藥、發(fā)射藥、推進(jìn)劑、煙火劑等多種含能材料產(chǎn)品。固體推進(jìn)劑先進(jìn)混合設(shè)備的發(fā)展路線如圖15所示。

圖15 先進(jìn)混合裝備發(fā)展路線圖

目前，固體推進(jìn)劑裝藥制造工藝仍以便于生產(chǎn)組織和柔性制造的立式混合機(jī)為主，大力發(fā)展可用于一體化混合裝藥的聲共振混合裝備技術(shù)。未來，新型固體推進(jìn)劑的制造過程向高安全、高效率、無人化和智能化方向發(fā)展，自動(dòng)化立式混合機(jī)、雙螺桿混合機(jī)及聲共振混合機(jī)等代表了固體推進(jìn)劑制造業(yè)先進(jìn)混合裝備的發(fā)展方向，是未來固體推進(jìn)劑技術(shù)發(fā)展對(duì)高能量密度材料制造、柔性制造和安全高效制造的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

本文介紹了有槳批產(chǎn)式、有槳連續(xù)式和無槳式混合裝備等三類固體推進(jìn)劑混合裝備，簡要介紹了CFD在化工領(lǐng)域攪拌釜的仿真模擬技術(shù)和國外大型立式混合機(jī)混合復(fù)合固體推進(jìn)劑的仿真技術(shù)，認(rèn)為仿真技術(shù)是推動(dòng)混合工藝裝備技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。國內(nèi)目前固體推進(jìn)劑裝藥制造工藝仍以自動(dòng)化程度較低的立式混合機(jī)為主，后續(xù)需大力發(fā)展可用于一體化裝藥的聲共振混合裝備技術(shù)、自動(dòng)化立式混合機(jī)及雙螺桿混合機(jī)等為代表的先進(jìn)混合裝備?；旌涎b備的快速發(fā)展是實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑智能制造的基礎(chǔ)，是未來高能量、高燃速、低易損、低特征、寬適應(yīng)等新型固體推進(jìn)劑安全高效制造的基礎(chǔ)。