變推力發(fā)動機(jī)用高壓強(qiáng)指數(shù)GAP推進(jìn)劑的燃燒性能研究①

王 惠，張惠坤，池 鐵，翟 峰，鮑海明

(上海航天化工應(yīng)用研究所，湖州 313000)

0 引言

為應(yīng)對現(xiàn)代空襲兵器的威脅，適應(yīng)未來復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，防空導(dǎo)彈技術(shù)在向遠(yuǎn)程、高機(jī)動性和多用途的方向發(fā)展，進(jìn)而對固體火箭發(fā)動機(jī)提出了更高的性能要求[1-2]。變推力固體發(fā)動機(jī)在實(shí)現(xiàn)推力隨機(jī)調(diào)節(jié)的同時，可更加合理分配和充分利用固體推進(jìn)劑的能量，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈的多任務(wù)，提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)、應(yīng)變及生存能力[3-5]。變推力固體發(fā)動機(jī)的實(shí)現(xiàn)途徑很多，其中，喉栓式變推力固體發(fā)動機(jī)通過調(diào)節(jié)噴管喉部面積可以實(shí)現(xiàn)推力大小的無級調(diào)節(jié)，對于發(fā)動機(jī)中推進(jìn)劑而言，在保證燃燒穩(wěn)定的情況下，壓強(qiáng)指數(shù)的值愈高，推力對喉部面積的變化越敏感，這就可通過調(diào)節(jié)較小喉部面積來達(dá)到較大的推力比[4-5]，推力調(diào)節(jié)比可達(dá)10甚至100。一般固體發(fā)動機(jī)要求推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)在0.2～0.5之間，而喉栓式變推力固體發(fā)動機(jī)要求推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)在0.5～1之間[4-6]。

目前關(guān)于降低推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)方面的研究很多，但關(guān)于提高推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)方面的研究卻很少，現(xiàn)有的含高硝胺、高硝酸酯增塑的高能固體推進(jìn)劑具有較高壓強(qiáng)指數(shù)[7-10]，但危險等級高，不適用于變推力發(fā)動機(jī)。疊氮粘合劑具有生成熱高、密度大、熱穩(wěn)定性好，制得的推進(jìn)劑能量高、感度低等優(yōu)點(diǎn)，因而在復(fù)合固體推進(jìn)劑中廣泛應(yīng)用[11-13]。

本文以GAP為粘合劑，研究GAP推進(jìn)劑的燃燒性能，特別是壓強(qiáng)指數(shù)，以期獲得提高推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的途徑，滿足變推力發(fā)動機(jī)對推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的需求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

高氯酸銨(AP)，工業(yè)級，大連高佳化工有限公司；奧克托金(HMX)，5類，江蘇紅光化工有限公司；高氯酸鉀(KP)，化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；GAP膠(聚疊氮縮水甘油醚)，黎明化工研究院；增塑劑A3，雙(2，2-二硝基丙醇)縮甲醛/雙(2，2-二硝基丙醇)縮乙醛，黎明化工研究院；球形鋁粉(Al)，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；甲苯二異氰酸酯，甘肅銀達(dá)化工有限公司；燃速催化劑RC-1，RC-2，RC-3，RC-4，自制。

1.2 GAP推進(jìn)劑樣品的制備

按照表1的配方組成，將各組分(除固化劑外)稱量在一起、放入(70±5) ℃水浴烘箱中預(yù)烘15～20 min、預(yù)混后，將藥漿倒入立式混合機(jī)中混合50～60 min，加入固化劑再混合50～60 min，真空澆注后放在(60±5) ℃水浴烘箱中固化7 d，制備得到GAP推進(jìn)劑樣品。

表1 GAP推進(jìn)劑的配方組成

1.3 性能測試

靜態(tài)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)測試：采用靶線法燃速儀(國產(chǎn)BXF-2000)，參照GJB 770B—2005方法706.1進(jìn)行靜態(tài)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)測試。將樣品切成5 mm×5 mm×150 mm的藥條，記錄的有效長度為100 mm，藥條側(cè)面用標(biāo)準(zhǔn)液包覆，采用靶線法測試推進(jìn)劑的燃燒性能。

動態(tài)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)測試：參照GJB 96A—2001進(jìn)行φ118 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的制備，參照GJB 2365A—2004和GJB 97A—2001進(jìn)行發(fā)動機(jī)的動態(tài)燃燒性能的測試和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化劑的影響

氧化劑是復(fù)合固體推進(jìn)劑的主要組分，提供推進(jìn)劑燃燒所需的氧，占比例也最大，對推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)必有一定的影響。固定氧化劑含量54%，研究不同種類氧化劑配比對GAP推進(jìn)劑燃燒性能的影響，如表2所示?？梢钥闯觯?dāng)5%HMX、KP分別取代AP后，GAP推進(jìn)劑在1～15 MPa下的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)差異較小，壓強(qiáng)指數(shù)僅從0.47變化到0.46，對GAP推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)的提高效果不明顯。

表2 氧化劑種類對GAP推進(jìn)劑燃燒性能的影響

在氧化劑總含量為54%的條件下，改變氧化劑粒徑及配比，研究細(xì)氧化劑粒徑及配比對GAP推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，隨著細(xì)AP粒徑和含量的變化，GAP推進(jìn)劑在1～15 MPa的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)均有顯著的變化，圖1和圖2分別為細(xì)AP粒徑和含量對GAP推進(jìn)劑燃速的影響趨勢圖。

圖1 細(xì)AP粒徑對推進(jìn)劑燃速的影響趨勢圖

圖2 UFAP含量對推進(jìn)劑燃速的影響趨勢圖

表3 細(xì)氧化劑粒徑及配比對GAP推進(jìn)劑燃燒性能的影響

結(jié)合表3和圖1、圖2可以看出，細(xì)AP的粒徑越小，UFAP(dAP<2 μm)含量越高，推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)均逐漸增加，在1～15 MPa壓強(qiáng)下，推進(jìn)劑靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)最高可達(dá)0.74。分析認(rèn)為，細(xì)AP粒徑越小，UFAP含量提高，均使得AP的比表面積增大，從而提高凝聚相中AP的分解反應(yīng)速率和推進(jìn)劑的產(chǎn)氣量，進(jìn)而提高氣相中氧化性氣體反應(yīng)物濃度，最終提高推進(jìn)劑的燃速。同時，隨著壓強(qiáng)的升高，AP的分解速率加快，氣相反應(yīng)物濃度更高，從而提高了燃速的增長幅度，進(jìn)而提高推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)[14]。

2.2 增塑比的影響

在推進(jìn)劑體系中，除了氧化劑體系，粘合劑體系的差異對推進(jìn)劑的燃燒性能也有一定的影響。GAP粘合劑為含能粘合劑，是推進(jìn)劑的彈性基體，增塑劑A3，為含能增塑劑，兩者均提供可燃元素，又提供了氧，所以增塑比(增塑劑/粘合劑比值，PL/PO)的大小對推進(jìn)劑的燃燒性能也有一定影響。

根據(jù)獲得的氧化劑對GAP推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)影響規(guī)律，結(jié)合考慮實(shí)際生產(chǎn)過程中藥漿的工藝性能，選定細(xì)氧化劑UFAP含量20%，研究了不同增塑比對GAP推進(jìn)劑的燃燒性能的影響，結(jié)果如表4所示，增塑比對推進(jìn)劑燃速的影響趨勢圖如圖3所示。

圖3 不同增塑比對推進(jìn)劑燃速的影響趨勢圖

由表4和圖3可見，隨著增塑比從1.0增加到1.4，GAP推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)均是逐漸增加的，壓強(qiáng)指數(shù)從0.49增加到0.57，分析認(rèn)為，增塑比增加，即小分子A3的硝基含量增加，對GAP粘合劑的分解具有一定促進(jìn)作用，體系的放熱量增加，反饋至燃燒表面的熱量增加，從而燃速提高，同時隨著壓強(qiáng)的升高，燃速的增幅加大，因而推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)升高。其中，增塑比從1.2增加到1.4時，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)增加幅度減小，說明增塑比的適量增加，有助于推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的提高。

表4 增塑比對GAP推進(jìn)劑燃燒性能的影響

2.3 燃速催化劑的影響

調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)的方法很多，最常用且對推進(jìn)劑其他性能影響最小的方法是加入燃速催化劑。按照表1和以上研究結(jié)果，選擇推進(jìn)劑的固含量72%，氧化劑UFAP含量20%，增塑比1.2，研究一系列燃速催化劑對GAP推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見表5，推進(jìn)劑燃燒性能變化規(guī)律見圖4。

表5 燃速催化劑對GAP推進(jìn)劑燃燒性能的影響

圖4 不同燃速催化劑對推進(jìn)劑燃速的影響趨勢圖

從表5和圖4可見，不同種類燃速催化劑對GAP推進(jìn)劑燃燒性能的影響差異較大，燃速催化劑RC-1、RC-2、RC-3及RC-4均能顯著提高GAP推進(jìn)劑1～15 MPa的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)，其中燃速催化劑RC-4制備的GAP推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)最高，為0.78，7 MPa下燃速為37.16 mm/s。進(jìn)而研究RC-4含量對推進(jìn)劑燃燒性能的影響，隨著RC-4含量從1%增加到2%時，GAP推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)沒有再升高，壓強(qiáng)指數(shù)從0.78降到0.75，說明與加入2%燃速催化劑RC-4配方相比，加入1%燃速催化劑RC-4的GAP推進(jìn)劑能得到更高的壓強(qiáng)指數(shù)。

從圖4還可以看出，燃速催化劑的種類不同，推進(jìn)劑高壓區(qū)間(9～15 MPa)的燃速有不同的變化規(guī)律，計(jì)算獲得高壓區(qū)間(9～15 MPa)的壓強(qiáng)指數(shù)，數(shù)據(jù)如表5中所示。不同燃速催化劑對高壓段的壓強(qiáng)指數(shù)影響差異性較大，其中1%含量RC-4的推進(jìn)劑高壓區(qū)間壓強(qiáng)指數(shù)最低，為0.37，且低于1～15 MPa的壓強(qiáng)指數(shù)0.78，說明高壓段燃速對壓強(qiáng)的敏感程度降低，高壓燃速出現(xiàn)平緩的趨勢，這有利于推進(jìn)劑在高壓范圍燃燒的穩(wěn)定性和變推力發(fā)動機(jī)在高壓范圍內(nèi)的正常工作。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，不同燃速催化劑在不同的壓力區(qū)間，對GAP推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)有不同的作用效果，本實(shí)驗(yàn)中只研究了四種單一催化劑的作用效果，而復(fù)配催化劑的作用效果及在不同壓力區(qū)間對GAP推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

2.4 動態(tài)燃燒性能測試

基于氧化劑、增塑比、燃速催化劑對GAP推進(jìn)劑燃燒性能的影響規(guī)律，確定高壓強(qiáng)指數(shù)GAP推進(jìn)劑的基本配方組成：固含量72%，UFAP含量20%，增塑比1.2，RC-4燃速催化劑含量1%。對此高壓強(qiáng)指數(shù)GAP推進(jìn)劑進(jìn)行φ118標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)動態(tài)燃燒性能表征，動、靜態(tài)燃燒性能對比見表6。通過對表6各壓強(qiáng)點(diǎn)的動態(tài)燃速進(jìn)行計(jì)算，得出推進(jìn)劑在1～15 MPa的動態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.66，滿足變推力發(fā)動機(jī)對高壓強(qiáng)指數(shù)(0.5～1.0)的要求，同時高壓范圍(9～15 MPa)的動態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.51，低于1～15 MPa壓強(qiáng)范圍的壓強(qiáng)指數(shù)，說明高壓范圍燃速對壓強(qiáng)的敏感程度較低，這有利于高壓區(qū)間燃燒的穩(wěn)定性，保障變推力發(fā)動機(jī)在寬壓力范圍內(nèi)的正常工作。采用φ118發(fā)動機(jī)對推進(jìn)劑進(jìn)行能量測試，發(fā)動機(jī)推力、壓強(qiáng)-時間曲線如圖5所示。

圖5 φ118標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)發(fā)動機(jī)推力、壓強(qiáng)-時間曲線

表6 高壓強(qiáng)指數(shù)GAP推進(jìn)劑的動靜態(tài)燃燒性能對比

φ118標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果：在平均壓強(qiáng)8.134 MPa條件下，推進(jìn)劑動態(tài)燃速為41.81 mm/s，實(shí)測比沖為2402 N·s/kg，換算至7 MPa下標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測比沖為2407 N·s/kg(245.6 s)。

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)得出一種高壓強(qiáng)指數(shù)GAP推進(jìn)劑的基本配方組成：氧化劑UFAP含量20%，增塑比1.2，燃速催化劑RC-4含量1%。推進(jìn)劑的靜態(tài)燃速為37.16 mm/s(7 MPa)，壓強(qiáng)指數(shù)達(dá)到0.78(1～15 MPa)，可滿足喉栓式變推力發(fā)動機(jī)的使用要求。

(2)燃速催化劑的種類不同，推進(jìn)劑高壓范圍(9～15 MPa)的燃速有不同程度的變化趨勢，含燃速催化劑RC-4的推進(jìn)劑高壓范圍內(nèi)壓強(qiáng)指數(shù)最低，更有利于推進(jìn)劑在高壓范圍內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性和變推力發(fā)動機(jī)在高壓范圍內(nèi)正常工作。

(3)高壓強(qiáng)指數(shù)GAP推進(jìn)劑φ118標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)試車燃速為41.81 mm/s (8.134 MPa)，壓強(qiáng)指數(shù)分別為0.66(1～15 MPa)和0.51(9～15 MPa)，7 MPa下標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測比沖為2407 N·s/kg(245.6 s)。