改性雙基推進(jìn)劑輻射點(diǎn)火及燃燒性能研究

劉高亮，吳浩然，王月麗，王 斌，許進(jìn)升

(1.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司， 太原 030008； 2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所， 沈陽(yáng) 110074; 3.南京理工大學(xué) 機(jī)械與工程學(xué)院， 南京 210094)

1 引言

隨著武器裝備系統(tǒng)不斷發(fā)展，武器裝備需要在環(huán)境更加復(fù)雜、多變、惡劣的條件下執(zhí)行任務(wù)，從而對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性與適用性的要求不斷提高。高空環(huán)境下的固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)以及多脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的二次點(diǎn)火，會(huì)遇到發(fā)動(dòng)機(jī)低壓點(diǎn)火問(wèn)題，氧含量和低氣壓等因素均會(huì)對(duì)固體推進(jìn)劑的點(diǎn)火過(guò)程與燃燒特性產(chǎn)生影響，甚至造成如點(diǎn)火失效、點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)、燃燒火焰不穩(wěn)定、熄火和燃燒不充分影響射程等問(wèn)題[1]。目前改性雙基推進(jìn)劑廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)武器中，為滿足該推進(jìn)劑在極端環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的需求，對(duì)低溫低壓下改性雙基推進(jìn)劑點(diǎn)火燃燒過(guò)程的研究顯得十分重要和迫切。

國(guó)外Ohlemiller T J等[2-3]研究了含能材料在不同環(huán)境壓強(qiáng)、氧氣濃度和激光熱流密度下的點(diǎn)火性能與燃燒過(guò)程。Kim等[4]研究了在不同激光熱流密度下硝銨推進(jìn)劑的點(diǎn)火與燃燒特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明推進(jìn)劑點(diǎn)火存在能量閾值，即必須達(dá)到某個(gè)最低點(diǎn)火閾值才能使推進(jìn)劑完成點(diǎn)火過(guò)程。張小兵等[5]通過(guò)激光點(diǎn)火的方式點(diǎn)燃炸藥、煙火劑、火藥等敏感含能材料，對(duì)激光點(diǎn)火在大口徑火炮中的應(yīng)用提出了方案。Dulcie等[6]為了研制更可靠、更環(huán)保的直接起爆推進(jìn)劑激光點(diǎn)火器，對(duì)使用二極管激光器進(jìn)行了彈性體改性鑄造雙基推進(jìn)劑的激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究。南京理工大學(xué)的朱國(guó)強(qiáng)[7]，相恒升[8]，賴華錦[9]等通過(guò)研究了鋁鎂貧氧推進(jìn)劑在不同環(huán)境氧含量、環(huán)境壓強(qiáng)、不同激光熱流密度等試驗(yàn)條件下的激光點(diǎn)火與燃燒過(guò)程，分析得到了點(diǎn)火延遲時(shí)間與燃速隨不同環(huán)境變量變化的關(guān)系曲線，為鋁鎂貧氧推進(jìn)劑在固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。與此同時(shí)，王鴻美[10]，相恒升[11]等采用相似的方法對(duì)NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火性能與燃燒性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試及理論分析得到了不同因素對(duì)NEPE燃燒溫度、燃燒速度、火焰結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響。

近年來(lái)，關(guān)于激光點(diǎn)火的研究從對(duì)推進(jìn)劑本身的點(diǎn)火特性逐漸轉(zhuǎn)移到對(duì)作為推進(jìn)劑添加劑的金屬顆粒的點(diǎn)火研究中。楊建剛[12]采用激光點(diǎn)火器和光纖光譜儀結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，研究了不同環(huán)境氣體組分條件下鋁粉的點(diǎn)火及燃燒特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鋁粉的點(diǎn)火特性受氣體組分和鋁顆粒粒徑影響很大，受初溫影響較小。張帆[13]通過(guò)測(cè)量單顆氫化鋁燃燒過(guò)程、點(diǎn)火溫度變化和火焰結(jié)構(gòu)變化得到單顆氫化鋁存在多個(gè)燃燒階段。Weiqiang Pang等[14]研究氫硼酸鐵化合物在AP/HTPB/Al復(fù)合固體推進(jìn)劑中的反應(yīng)機(jī)理以及對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：含氫硼酸鐵化合物的HTPB固體推進(jìn)劑在不同壓力下的火焰呈現(xiàn)多火焰結(jié)構(gòu)，并且火焰溫度、鋒面隨壓力的變化和變化并且含氫硼酸鐵化合物有修正推進(jìn)劑燃燒行為的作用。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了各種環(huán)境因素和推進(jìn)劑光學(xué)敏感度等方面對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火和燃燒方面的影響，得到了不同條件下推進(jìn)劑的燃燒參數(shù)，為優(yōu)化推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥設(shè)計(jì)問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)[15]。但是大多數(shù)都是通過(guò)更改熱通量和推進(jìn)劑本身參數(shù)來(lái)進(jìn)行研究，沒(méi)有模擬低溫低壓下推進(jìn)劑的燃燒環(huán)境，通過(guò)本文對(duì)低溫低壓下改性雙基推進(jìn)劑的激光試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在復(fù)雜多變的天氣中的燃燒情況有著重要意義。

2 試驗(yàn)方法

2.1 式樣制備

本文試驗(yàn)所使用的改性雙基推進(jìn)劑主要配方包括NC 20%、NG 20%、HMX 50%、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)6%、N-甲基-4-硝基苯胺(MNA)1%、彈穩(wěn)定劑1.5%和催化劑1.5%，如表1所示。樣品尺寸為φ4 mm×5 mm，為了方便觀測(cè)火焰形狀，樣品側(cè)面涂有耐高溫的硅橡膠，以防止推進(jìn)劑燃燒時(shí)試件側(cè)向燃燒，影響觀測(cè)。

表1 改性雙基推進(jìn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

本文利用了一種環(huán)境壓強(qiáng)、環(huán)境氣體組分、激光熱流密度可以調(diào)節(jié)的小尺度激光點(diǎn)火燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于研究固體推進(jìn)劑在不同條件下的點(diǎn)火燃燒特性。該系統(tǒng)主要由激光控制系統(tǒng)、CO2激光器、光學(xué)系統(tǒng)、燃燒室和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，其示意圖如圖1。

圖1 激光點(diǎn)火試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

點(diǎn)火前，首先通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光功率和加載時(shí)間，接著使用激光功率計(jì)對(duì)激光功率進(jìn)行標(biāo)定。在常溫常壓，燃燒室內(nèi)為空氣的條件下，對(duì)2種固體推進(jìn)劑試件進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，激光加載時(shí)間為1 270 ms，小于推進(jìn)劑試件的燃燒時(shí)間。當(dāng)激光開始加載時(shí)，光電二極管將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)放大電路輸出給發(fā)光二極管，發(fā)光二極管發(fā)光并被高速攝像機(jī)捕捉到后，此時(shí)刻記為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)刻t=0 ms。另一個(gè)光電二極管對(duì)推進(jìn)劑的初始火焰信號(hào)進(jìn)行采集，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)顯示在計(jì)算機(jī)上。在推進(jìn)劑的點(diǎn)火過(guò)程中電信號(hào)的變化過(guò)程如圖2所示，因此，由于本文試驗(yàn)測(cè)試不同環(huán)境條件下推進(jìn)劑的點(diǎn)火與燃燒過(guò)程，采用氣相點(diǎn)火模型，點(diǎn)火的判定標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)氣相區(qū)火焰的發(fā)光強(qiáng)度大于某一臨界值時(shí)，確認(rèn)點(diǎn)火。

圖2 點(diǎn)火過(guò)程中電信號(hào)變化曲線

實(shí)驗(yàn)在相同壓力及溫度條件下進(jìn)行，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。為模擬火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在高空低溫低壓的環(huán)境，對(duì)推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間tig以及燃速r進(jìn)行測(cè)量。推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間tig定義為激光產(chǎn)生到推進(jìn)劑點(diǎn)燃產(chǎn)生火焰的時(shí)間間隔，推進(jìn)劑燃速r定義為推進(jìn)劑長(zhǎng)度除以高速相機(jī)拍攝到第一張火焰圖像到火焰熄滅圖像的間隔時(shí)間。激光熱流密度q范圍為0.159～1.131 W/mm2，環(huán)境壓強(qiáng)P范圍為0.01～0.1 MPa，環(huán)境溫度范圍-40～25 ℃。每次試驗(yàn)激光加載時(shí)間為1.83 s，詳細(xì)的試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果與討論

3.1 改性雙基推進(jìn)劑火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程

固體火箭推進(jìn)劑的燃燒過(guò)程表現(xiàn)為燃燒表面的回歸，一般認(rèn)為改性雙基推進(jìn)劑的燃燒波由5個(gè)區(qū)域組成，基于固體推進(jìn)劑的穩(wěn)態(tài)燃燒模型，建立了改性雙基推進(jìn)劑激光點(diǎn)火燃燒模型，如圖3所示。

圖3 改性雙基推進(jìn)劑點(diǎn)火、燃燒物理模型示意圖

初始瞬態(tài)過(guò)程從推進(jìn)劑表面施加激光開始，首先進(jìn)行激光加載，當(dāng)冷凝相的溫度足夠高時(shí)，固相開始融化和冷凝相開始分解，接著開始蒸發(fā)并進(jìn)入氣相區(qū)與空氣混合。當(dāng)冷凝相持續(xù)吸收能量、分解和蒸發(fā)時(shí)，氣相區(qū)積累了大量活性物質(zhì)，時(shí)間足夠長(zhǎng)，溫度足夠高時(shí)，氣相中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成著火現(xiàn)象。這通常發(fā)生在遠(yuǎn)離凝結(jié)相表面的地方，一經(jīng)點(diǎn)燃推進(jìn)劑迅速靠近凝結(jié)相表面，這種現(xiàn)象稱為“吹離效應(yīng)”，如圖3(b)所示，隨著質(zhì)量對(duì)流通量和熱反饋逐漸達(dá)到平衡，燃燒趨于穩(wěn)定。

不同壓強(qiáng)下，相同溫度和氧氣濃度下的一些典型的拍攝圖像如圖4所示。圖像表明，當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)不同時(shí)，火焰的初始位置有顯著差異。這是由于隨著壓強(qiáng)降低，熱解氣體向環(huán)境四周擴(kuò)散，氣相反應(yīng)區(qū)位置上移，初始火焰的位置隨之改變。從圖3可以看出：在點(diǎn)火過(guò)程形成前期，推進(jìn)劑不斷吸收激光能量，并受熱分解產(chǎn)生熱解氣體，熱解氣體逐漸擴(kuò)散至推進(jìn)劑表面上方及四周，如圖3(b)所示。

圖4 不同壓強(qiáng)下改性雙基推進(jìn)劑的火焰結(jié)構(gòu)圖像

推進(jìn)劑表面顆粒吸收激光能量產(chǎn)生火星，火星達(dá)到足夠溫度并接觸表面熱解氣體形成初始火焰。在不同壓強(qiáng)下，火焰形狀大小以及亮度都不同。常溫常壓下火焰明亮呈圓柱狀初始火焰，火焰飽滿充實(shí)，點(diǎn)火瞬時(shí)沒(méi)有明顯“吹離效應(yīng)”現(xiàn)象，負(fù)壓條件下該現(xiàn)象很明顯。在壓強(qiáng)為0.08 MPa時(shí)，初始火焰為圓柱狀，火焰中存在未充分燃燒的火星，火焰亮度較常壓下有明顯下降；在壓強(qiáng)為0.06 MPa時(shí)，形成火焰前期有較長(zhǎng)時(shí)間推進(jìn)劑產(chǎn)生火星，燃燒過(guò)程較短，火焰較不明亮，火焰形狀不穩(wěn)定；在壓強(qiáng)為0.04 MPa時(shí),初始火焰較難形成，火焰亮度較暗；在壓強(qiáng)為0.02 MPa時(shí)，初始火焰及后續(xù)火焰均不穩(wěn)定，推進(jìn)劑能夠自持燃燒但是火焰反復(fù)跳躍容易熄滅，初始火焰很小不夠明亮。

3.2 低壓對(duì)改性雙基推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)在激光熱流密度分別為0.283 W/mm2和1.132 W/mm2條件下，在不同環(huán)境壓強(qiáng)下對(duì)改性雙基推進(jìn)劑式樣的點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。在0.01 MPa、0.02 MPa、0.04 MPa、0.06 MPa、0.08 MPa和0.1 MPa環(huán)境壓強(qiáng)下，點(diǎn)火延遲時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 點(diǎn)火延遲時(shí)間隨環(huán)境壓強(qiáng)變化曲線

由圖可以看出，點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著壓強(qiáng)的增加而減小。在激光熱流密度為0.283 W/mm2時(shí)，當(dāng)壓強(qiáng)變化范圍從0.02 MPa升高到0.04 MPa時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間大約從160 ms減少到10 ms。隨著熱通量增加到2 W/mm2，壓強(qiáng)對(duì)點(diǎn)火延遲的影響越來(lái)越小，當(dāng)壓強(qiáng)從0.04 MPa升高到0.1 MPa時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間大約從100 ms減少到60 ms。眾所周知，壓強(qiáng)的降低會(huì)增加熱解產(chǎn)物向周圍環(huán)境中擴(kuò)散的速度，并降低分子間的碰撞頻率以及化學(xué)反應(yīng)速率，從而使化學(xué)反應(yīng)區(qū)域遠(yuǎn)離推進(jìn)劑表面。同時(shí)當(dāng)放熱反應(yīng)區(qū)向遠(yuǎn)離推進(jìn)劑表面移動(dòng)時(shí)，推進(jìn)劑表面所能得到的熱反饋會(huì)減少，從而導(dǎo)致較長(zhǎng)的點(diǎn)火延遲時(shí)間。

2.3 低溫對(duì)改性雙基推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響

試驗(yàn)在激光熱流密度分別為0.283 W/mm2和1.132 W/mm2時(shí)，就推進(jìn)劑初始溫度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在推進(jìn)劑初始溫度分別為-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、25 ℃時(shí)，測(cè)得的點(diǎn)火延遲時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 點(diǎn)火延遲時(shí)間隨環(huán)境溫度變化曲線

由圖6可以看出：在激光熱流密度為0.283 W/mm2時(shí)，推進(jìn)劑初始溫度從-40 ℃升高至25 ℃，點(diǎn)火延遲時(shí)間大約從180 ms減少到80 ms。但隨著激光熱流密度的增加，初始溫度對(duì)點(diǎn)火延遲的影響越來(lái)越小。在激光熱流密度升高至1.132 W/mm2時(shí)，推進(jìn)劑初始溫度從-40 ℃升高到25 ℃，點(diǎn)火延遲時(shí)間大約從150 ms減少到60 ms。結(jié)果表明，初始溫度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響受激光熱流密度的影響較大。激光熱流密度越大，初始溫度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響越小。

4 結(jié)論

1) 改性雙基推進(jìn)劑在低壓環(huán)境下點(diǎn)火時(shí)，壓強(qiáng)影響了推進(jìn)劑熱解氣體的擴(kuò)散，造成了初始火焰形狀和明亮度的差異。壓強(qiáng)越低，火焰高度越小，亮度越差；當(dāng)壓強(qiáng)降低至0.06 MPa時(shí)這種現(xiàn)象更加明顯。

2) 隨著壓強(qiáng)的降低，推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間增加，當(dāng)降低到0.02 MPa時(shí)，推進(jìn)劑很難點(diǎn)火。當(dāng)激光熱流密度增加后，壓強(qiáng)對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響減弱。由于外界熱通量增加，推進(jìn)劑熱解速率加快，能更快的補(bǔ)充氣相區(qū)域擴(kuò)散掉的熱解產(chǎn)物，達(dá)到點(diǎn)火所需氣體濃度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合和理論分析得到點(diǎn)火時(shí)間與壓強(qiáng)的平方成反比，并且隨著熱流密度的升高，壓強(qiáng)對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響越來(lái)越大。

3) 隨著推進(jìn)劑初溫的降低，點(diǎn)火延遲時(shí)間略有增加，初溫對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響遠(yuǎn)小于壓強(qiáng)對(duì)推進(jìn)劑的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合分析得到高熱流密度下，點(diǎn)火延遲時(shí)間與初始溫度為線性關(guān)系。