實(shí)現(xiàn)雙基系推進(jìn)劑低燃速的調(diào)控技術(shù)研究進(jìn)展

張國輝，趙鳳起，徐司雨，李 冰，吳瑞強(qiáng)

(1.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710065；2.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，太原 030008)

1 引言

雙基系推進(jìn)劑具有特征信號低、燃?xì)鉂崈?、可自由裝填、適用于批量制造等優(yōu)點(diǎn)，是彈箭類武器重要的發(fā)射和飛行能源品種。燃燒性能作為推進(jìn)劑基礎(chǔ)性能之一，其調(diào)控技術(shù)是推進(jìn)劑研究的主要內(nèi)容。燃燒性能調(diào)控可分為高燃速調(diào)控和低燃速調(diào)控，一直以來，人們關(guān)注和開展高燃速調(diào)控技術(shù)的研究較多，而低燃速調(diào)控技術(shù)研究較少。低燃速調(diào)控與高燃速調(diào)控同樣困難，特別是實(shí)現(xiàn)高能量的低燃速調(diào)控更加困難。隨著武器裝備小型化、智能化、遠(yuǎn)程打擊、精準(zhǔn)制導(dǎo)等發(fā)展需求，如火箭續(xù)航級發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈及空間飛行器的姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)獍l(fā)生器、炮射火箭增程發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備對低燃速推進(jìn)劑，特別是高能量低燃速推進(jìn)劑的需求越來越多，戰(zhàn)術(shù)與技術(shù)指標(biāo)也愈加嚴(yán)苛，亟需開展雙基系推進(jìn)劑的低燃速調(diào)控技術(shù)研究。

低燃速調(diào)控技術(shù)的主要難題是如何在保持較低燃速的同時(shí)具有較高的能量和較低的壓強(qiáng)指數(shù)?？赡艿慕鉀Q方法主要有：一是研究活性更高、效果更好的降速材料，減少用量從而減少能量損失；二是研究和應(yīng)用更高能量的降燃速材料。三是研究應(yīng)用具有降燃速功效的彈道改良劑、增塑劑等功能材料，實(shí)現(xiàn)一種材料多重效果。近年來，研究人員開展了相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一些成效。文中從基體材料、能量組分、工藝助劑等材料角度對近期國內(nèi)外工作者的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以期為高能量低燃速改性雙基推進(jìn)劑研究提供思路和參考。

2 利用推進(jìn)劑基體材料調(diào)控燃速

雙基組分作為推進(jìn)劑的連續(xù)相主體，對推進(jìn)劑燃速有較大的影響。在雙基推進(jìn)劑中代表能量的-NO2基團(tuán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)[ξ(NO2)]與燃速的對數(shù)值呈線性正相關(guān)，可表示為經(jīng)驗(yàn)公式(1)[1]。

u=0.62P0.62exp[10.0ξ(NO2)]

(1)

如式(1)所示ξ(NO2)越高，燃速越高，所以雙基推進(jìn)劑中可以通過改變NC含氮量、NG/NC比例、惰性增塑劑用量等方法調(diào)節(jié)ξ(NO2)從而調(diào)節(jié)燃速。在改性雙基推進(jìn)劑中，受添加的大量高能材料影響，推進(jìn)劑整體燃速同ξ(NO2)關(guān)系表現(xiàn)可能與普通雙基推進(jìn)劑不一致，如奧克托今基改性雙基(HMX-CMDB)推進(jìn)劑中燃速與推進(jìn)劑中ξ(NO2)呈負(fù)相關(guān)，Kubota[2]將HMX-CMDB推進(jìn)劑燃速與ξ(NO2)關(guān)系歸納為式2[2]。

u=38.3Pnexp[-5.62ξ(NO2)]

(2)

但式(2)成立的條件之一是硝化纖維素/硝化甘油(NC/NG)組分比例保持不變，即雙基的ξ(NO2)一定?？梢酝茰y，對于其中的雙基基體而言，燃速影響規(guī)律仍應(yīng)與雙基推進(jìn)劑近似，改變NC含氮量、NG/NC比例、增塑劑用量等方法同樣可以調(diào)節(jié)改性雙基推進(jìn)劑燃速。但在實(shí)際應(yīng)用中，推進(jìn)劑采用的NC含氮量有固定要求，NG/NC比例與工藝性能、安全性能和力學(xué)性能相關(guān)性大，可調(diào)節(jié)范圍小。所以常用改變增塑劑種類和含量的方法調(diào)節(jié)燃速。多種含能增塑劑在降低燃燒的同時(shí)還可使推進(jìn)劑保持較高能量，如湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所采用丁基硝氧乙基硝胺(BuNENA)、三羥甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)、1，2，4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)等含能增塑劑與NG混配研制了燃速低于9 mm/s的高能固體推進(jìn)劑[3]，趙本波等[4]采用含能增塑劑BuNENA替代雙基推進(jìn)劑中的NG，機(jī)械感度和力學(xué)性能獲得明顯改善的同時(shí)，推進(jìn)劑初始分解溫度和第一分解峰溫均提高了24 ℃以上，有利于降低推進(jìn)劑燃速。惰性增塑劑比含能增塑劑能量低，但通常降速效果也更好，如印度高能材料實(shí)驗(yàn)室[5]對含BuNENA和鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)的雙基和改性雙基推進(jìn)劑燃速進(jìn)行對比，后者比前者7 MPa燃速低約2 mm/s。秦能等[6]對比惰性的DEP和三醋酸甘油酯(TA)對推進(jìn)劑燃速的影響，發(fā)現(xiàn)TA雖然氧含量更高，但降速效果更好，5～9 MPa推進(jìn)劑燃速均達(dá)到4.5 mm/s以下，且呈mesa燃燒。

分析認(rèn)為，增塑劑對燃速的影響機(jī)理可以用雙基推進(jìn)劑燃燒機(jī)理解釋，因增塑劑與NG共同作用溶解塑化NC，增塑劑與雙基組分可以組成均質(zhì)材料，故增塑劑的氧含量影響了均質(zhì)的連續(xù)相基體的氧含量，由式 (1)可推測基體氧含量同燃燒速度呈正相關(guān)，故各類增塑劑對推進(jìn)劑燃速的影響大致符合燃速低能量低的規(guī)律。又因增塑劑種類較多，不同的增塑劑中氧元素的存在形式除了同雙基組分一致的硝酸酯基團(tuán)外，還有不等量的醋酸酯、酚基、羰基等，不同基團(tuán)對燃燒反應(yīng)速率和能量的貢獻(xiàn)存在差異，所以相同氧含量的增塑劑對燃速的影響存在一定的差異。

3 利用高能氧化劑及金屬燃料調(diào)控燃速

高能氧化劑及金屬燃料是雙基系推進(jìn)劑中用于大幅提高能量的組分，目前在高能類改性雙基推進(jìn)劑中加入量已突破50%，在配方中占比很大，故對推進(jìn)劑燃速影響非常顯著。

3.1 高能氧化劑

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黑索今(RDX)、HMX、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)、2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)、N,N-二硝基哌嗪(DNP)等高能氧化劑對推進(jìn)劑燃速有顯著影響[7-11]。其中，DNTF和FOX-7可使改性雙基推進(jìn)劑燃速不同程度的增高[7,10,12]。而RDX、HMX、CL-20、LLM-105、DNP等會(huì)使推進(jìn)劑燃速降低。

RDX粒度和含量對推進(jìn)劑燃燒性能有明顯影響。田長華等[13]報(bào)道了35%含量不同粒徑(7～45 μm)RDX對CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，發(fā)現(xiàn)RDX粒徑越小，推進(jìn)劑燃速越低。LIU等[14]研究發(fā)現(xiàn)納米級的RDX反而會(huì)增加燃速，采用納米RDX替代改性雙基推進(jìn)劑中的普通RDX，推進(jìn)劑的熱分解峰溫提前，表觀活化能減小，燃速增大，壓強(qiáng)指數(shù)減小，感度和力學(xué)性能有所改善。

宋琴等對相同粒度和含量的RDX與HMX的聚疊氮縮水甘油醚(GAP)高能推進(jìn)劑燃速進(jìn)行對比[9]，發(fā)現(xiàn)含RDX的推進(jìn)劑燃速更低，該規(guī)律與RDX和HMX在改性雙基推進(jìn)劑中的的降速規(guī)律不同。研究中RDX的降速幅度可達(dá)4～5 mm/s(11～19 MPa)，另外還顯示HMX粒度越小，推進(jìn)劑燃速越低，但降速幅度不大(約1～2 mm/s)。

周曉楊等[11]研究了不同CL-20粒徑對固體推進(jìn)劑的影響規(guī)律，顯示CL-20粒徑越小，推進(jìn)劑燃速越低，75 μm和16 μm平均粒徑的CL-20在5 MPa下推進(jìn)劑燃速相差約 2 mm/s。劉杰等[25]將同等含量(24%)的含ε-CL-20(70.15 μm)與含HMX(13.49 μm)的改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能進(jìn)行對比研究，表明HMX-CMDB具有更低的燃速，兩者在8～18 MPa較寬的壓力范圍內(nèi)相差近7 mm/s，壓力越低，差值越小。作者為解決CL-20應(yīng)用于改性雙基推進(jìn)劑引起的安全性和穩(wěn)定性問題，還研究了CL-20/HMX共晶(15.30 μm)對CMDB推進(jìn)劑性能的影響，表明共晶體使推進(jìn)劑16 MPa及以上壓力下燃速降低，14 MPa及以下壓力下燃速升高，整體壓強(qiáng)指數(shù)低于僅含HMX或CL-20的推進(jìn)劑。

除了上述已在推進(jìn)劑中應(yīng)用較多的高能材料，LLM-105是1993年美國報(bào)道研制的新型高能鈍感含能材料，在推進(jìn)劑中具有很高的應(yīng)用潛力[15]。LLM-105替代推進(jìn)劑中的NC和NG(NG/NC比例保持不變)，可以使推進(jìn)劑燃速明顯降低，當(dāng)LLM-105含量達(dá)到25%時(shí)，燃速由11.33 mm/s下降至5.29 mm/s(10 MPa)，同時(shí)在較寬范圍內(nèi)的壓力指數(shù)基本無變化。LLM-105的粒度對燃速影響規(guī)律與RDX、HMX和CL-20等不同，粒徑越大燃速越低，25%含量的LLM-105，重均粒徑為12.0 μm的推進(jìn)劑燃速為5.98 mm/s(10 MPa)，而粒徑為6.2 μm時(shí)的燃速為6.79 mm/s(10 MPa)[16]。

劉芳莉等[17-19]報(bào)道了與RDX具有類似硝胺結(jié)構(gòu)的鈍感含能材料N,N-二硝基哌嗪(DNP)對改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響，采用DNP逐步替代推進(jìn)劑中的RDX不僅可以大幅度降低推進(jìn)劑燃速(35%含量替代后18 MPa燃速降低68%)，而且還可以大幅降低壓強(qiáng)指數(shù)，再通過鉛、銅、炭黑催化劑調(diào)節(jié)燃速可以使推進(jìn)劑在10～18MPa較寬的壓力范圍內(nèi)呈平臺燃燒，14～18 MPa呈賣撒燃燒，同時(shí)燃速也能保持在18 MPa下6.93 mm/s的較低水平，展現(xiàn)了在低燃速推進(jìn)劑中非常高的應(yīng)用潛力，但DNP的缺點(diǎn)也非常明顯，其密度、氧系數(shù)、生成熱均低于RDX，會(huì)使雙基體系推進(jìn)劑的爆熱、比沖、特征速度、燃燒溫度等能量水平明顯降低[20]。

RDX、HMX、LLM-105、DNP的降速機(jī)理目前認(rèn)為是在固相反應(yīng)區(qū)附近受熱，發(fā)生熔融、熔化、升華、熱分解等物理、化學(xué)變化吸收熱量，降低了固相反應(yīng)區(qū)溫度從而降低推進(jìn)劑燃速；如RDX分解前發(fā)生了熔融吸熱，HMX分解前發(fā)生了晶型轉(zhuǎn)變(463 K，βHMX→δHMX)吸熱和熔融(550 K)吸熱[21]，LLM-105在472 K以上大量升華吸熱[22]，DNP在490K左右熔融吸熱[19]等，LLM-105和DNP降速效果更好，主要是因?yàn)長LM-105的升華除了吸收大量熱量，還使其本身脫離固相反應(yīng)區(qū)后再分解和反應(yīng)放熱，減少了固相反應(yīng)區(qū)的熱量來源，進(jìn)一步降低了推進(jìn)劑燃速；DNP的分解溫度(523～573 K)與熔融溫度差距較大，熔融后不會(huì)立即分解，氣化和揮發(fā)效應(yīng)增強(qiáng)，加入推進(jìn)劑后，會(huì)增大推進(jìn)劑的起始反應(yīng)溫度和終止反應(yīng)溫度差值，壓強(qiáng)越高差值越大，從而減緩?fù)七M(jìn)劑反應(yīng)速率，這也是DNP可以降低壓強(qiáng)指數(shù)的原因之一[19]。CL-20、HMX、RDX等材料均表現(xiàn)出粒徑越小推進(jìn)劑燃速越低的規(guī)律，多認(rèn)為粒徑越小，其比表面積越大，熔融程度增加，吸熱過程中的吸熱量更多[8,13]，從而降低了推進(jìn)劑的分解速率；同時(shí)，粒徑越小，在推進(jìn)劑內(nèi)部的熱傳導(dǎo)距離減少，減慢了熱量的傳導(dǎo)速率，也會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)劑燃速降低。

3.2 金屬燃料

鋁粉、硼粉、鎳粉、鈦粉等作為高熱值金屬燃料(硼作用與金屬燃料類似，常歸為金屬燃料)組分，可用于提高推進(jìn)劑能量[23]。Divekar等[24]研究了鋁粉、鎳粉、鈦粉、鋯粉等金屬含量對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，發(fā)現(xiàn)鋁粉含量低于7.5%左右時(shí)，推進(jìn)劑燃速隨鋁粉含量增加稍有增高，當(dāng)鋁粉大于7.5%時(shí)，燃速隨鋁粉含量增加而降低，壓強(qiáng)指數(shù)變化不大。鎳粉含量由7.5%增加至12.5%過程中，6.8 MPa燃速基本不變，8.8 MPa燃速降幅比達(dá)到11.2%，10.8 MPa燃速降幅比達(dá)到18.8%，6.8～10.8 MPa壓強(qiáng)指數(shù)大幅降低。鈦粉對燃速的影響不明顯，鋯粉含量增加推進(jìn)劑燃速明顯增加。

鋁粉和鎳粉的降速機(jī)理作者用Brewster等[25]提出的金屬熔融和被點(diǎn)燃造成的吸熱作用來解釋，同時(shí)作者也提出了金屬含量增高，更易于鋁的結(jié)團(tuán)從而影響氣相到凝聚相的熱傳導(dǎo)反饋，綜合造成了燃速的變化。吳雄崗等[26]研究了鋁粉粒徑對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，同樣也對鋁粉使推進(jìn)劑燃燒降低的現(xiàn)象進(jìn)行了機(jī)理分析，認(rèn)為鋁粉熔點(diǎn)(931.7 K)高于硝胺改性雙基推進(jìn)劑的燃面溫度(700～900 K)，鋁粉不會(huì)在凝聚相表面熔化、氣化和凝聚結(jié)團(tuán)，而是被氣流帶至氣相，壓強(qiáng)高時(shí)距離凝聚相表面近，壓強(qiáng)低時(shí)距離遠(yuǎn)，另外鋁粉還有提高推進(jìn)劑貧氧程度和熱傳導(dǎo)的作用，造成了低壓時(shí)，推進(jìn)劑燃速的降低趨勢，高壓時(shí)的增高趨勢。Xiao等[23]研究了鋁粉含量和粒徑對HMX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，并結(jié)合燃面溫度梯度測試和燃燒火焰高速微攝影技術(shù)對鋁粉的影響機(jī)理作了進(jìn)一步分析和驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)鋁粉含量增加推進(jìn)劑燃速降低，鋁粉粒徑越小燃速越低，規(guī)律基本與Divekar等[24]的研究一致。作者提出了鋁含量對推進(jìn)劑燃速的影響是是多種因素的競爭結(jié)果，一方面是鋁含量的增加使熱導(dǎo)率增加，使凝聚相溫度升高更快，有利于燃速增加，另一方明鋁使HMX貧氧程度增加，分解釋放熱量減少，熔融和被點(diǎn)燃的吸熱作用使燃速降低，多種因素綜合造成了推進(jìn)劑燃速的變化。鋁粉粒徑對燃速的影響規(guī)律也是有多種因素存在，一方面作者發(fā)現(xiàn)，鋁粉粒徑越小，火焰越接近凝聚相表面，有利于氣相向凝聚相傳遞更多的熱量，但粒徑越小，鋁粉熔融和點(diǎn)燃吸收的熱量更多，鋁液滴在燃面附近的短暫逗留也限制的熱反饋的提高，最終導(dǎo)致推進(jìn)劑燃速的降低。

硼比鋁、鎂等金屬具有更高的質(zhì)量熱值和體積熱值，劉春等[27-28]采用球形硼粉加入改性雙基推進(jìn)劑，當(dāng)加入量在4%時(shí)，燃速出現(xiàn)最低值，5～7 MPa壓力下燃速降幅達(dá)6 mm/s左右，壓力越高，硼粉降低燃速的效果越不明顯。同等含量的Al粉同樣有降速效果，但不明顯，降幅約為1.2 mm/s，作者認(rèn)為硼降速幅度比鋁更大的原因在于硼的氧化物熔點(diǎn)低于燃燒表面溫度，在燃面附近熔融后易與硼粉黏結(jié)，降低硼粉的燃燒效率，降低了放熱量，也正是該原因造成硼在雙基系推進(jìn)劑中的應(yīng)用受限，作者嘗試將LiF作為硼粉的活性增強(qiáng)成分加入推進(jìn)劑，用于與硼氧化物反應(yīng)除去硼顆粒表面的氧化膜以提高硼粉的活性，但最終增活效果并未得到充分驗(yàn)證，但試驗(yàn)驗(yàn)證了4%的LiF會(huì)使含硼推進(jìn)劑燃速再次降低最低。因硼在雙基系推進(jìn)劑中的應(yīng)用研究較少，目前的機(jī)理研究尚不充分。

綜上所述，鋁、鎳、硼等金屬燃料均具有降低推進(jìn)劑燃速的效果，鎳還具有降低壓力指數(shù)的傾向，硼降速效果非常有優(yōu)勢，并且金屬粉提高推進(jìn)劑能量的效果也是顯而易見的[23]，可以作為推進(jìn)劑提高能量控制燃速有效途徑進(jìn)行探索，但金屬含量增加會(huì)帶來固體殘?jiān)龆?，?fù)氧平衡加重、燒蝕加重等缺點(diǎn)，在應(yīng)用中需結(jié)合實(shí)際需求適量添加。特別是硼粉雖然有良好的降速效果，但不易燃燒充分，能量損失嚴(yán)重，嚴(yán)重限制其在雙基系推進(jìn)劑中的應(yīng)用，開展提高硼粉燃燒效率研究可能是推進(jìn)劑高能量低燃速技術(shù)突破的方向之一。

4 利用功能助劑調(diào)控燃速

為保證推進(jìn)劑穩(wěn)定燃燒和作功，配方中還含有少量功能助劑，該類材料雖然含量少，但對推進(jìn)劑燃速影響非常顯著，如燃燒穩(wěn)定劑、負(fù)燃燒催化劑、降速劑等。

4.1 燃燒穩(wěn)定劑

燃燒穩(wěn)定劑是抑制火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中固體推進(jìn)劑不穩(wěn)定燃燒的功能組分[29]。常用的穩(wěn)定劑主要包括ZrB2、ZrO2、TiO2、Al2O3、SiC等。研究發(fā)現(xiàn)部分穩(wěn)定劑對燃速影響顯著[13,30-33]，但影響規(guī)律較為復(fù)雜，不同粒徑、晶型、基礎(chǔ)配方的影響規(guī)律可能不一致，甚至結(jié)果相悖。其中ZrO2、Al2O3、SiC在一定條件下具有降燃速效果，MgO對推進(jìn)劑燃速影響較小[13,30]，而ZrB2可使低壓(5 MPa左右)下的雙基和改性雙基推進(jìn)劑的燃速明顯提高[34]。

ZrO2對不同的雙基系推進(jìn)劑燃速的影響表現(xiàn)不一致[30,34]，陳竚等[34]試驗(yàn)表明2.1 μm、5.5 μm、61.7 μm的ZrO2均可以使雙基推進(jìn)劑燃速大幅提高，平均粒徑越小，增幅越大。而在另一組改性雙基推進(jìn)劑配方中張曉宏等[32]采用2.5 μm ZrO2使RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速明顯降低，壓力越低降幅越大。分析認(rèn)為，ZrO2對雙基系推進(jìn)劑燃速的作用受推進(jìn)劑本身基礎(chǔ)配方和基礎(chǔ)燃速的影響較大。

TiO2作為一種常用彈道穩(wěn)定劑，不同粒度對推進(jìn)劑燃燒性能影響有明顯區(qū)別，王江寧等[30]研究顯示2.5μm的TiO2使RDX-CMDB推進(jìn)劑6～8 MPa壓強(qiáng)下的燃速稍有降低，17～20 MPa燃速明顯增高(約3mm/s)。而陳俊波等[35]研究的納米級TiO2(5 nm，20 nm)使RDX-CMDB推進(jìn)劑在較寬壓強(qiáng)范圍(1～18 MPa)下的燃速均有提高，低壓提高幅度較小，高壓提高幅度大。對比發(fā)現(xiàn)，雖然兩類尺寸的TiO2對低壓下燃速的影響不同，但從整體規(guī)律來看，兩者造成燃速變化的基本趨勢相同，均使推進(jìn)劑u/P斜率增加，壓強(qiáng)指數(shù)增加，隨著TiO2粒徑由微米級向納米級改變，活性增加，燃速壓力曲線整體往高燃速方向移動(dòng)。

Al2O3是目前應(yīng)用較多的彈道穩(wěn)定劑。熊文慧等[31]研究了不同含量Al2O3對改性雙基推進(jìn)劑燃速的影響，結(jié)果顯示1%含量時(shí)推進(jìn)劑燃速基本不變，而1.5%含量時(shí)推進(jìn)劑燃速降低幅度明顯；王江寧等[30]也研究發(fā)現(xiàn)1.5%的Al2O3可以降低推進(jìn)劑在6～20 MPa壓強(qiáng)區(qū)間的燃速，壓強(qiáng)越低降速效果越明顯，降速幅度同壓強(qiáng)具有較高的相關(guān)性。張曉宏等[33]研究了常用的2種粒度的Al2O3對燃速影響的區(qū)別，結(jié)果顯示3.5 μm的Al2O3可提高推進(jìn)劑燃速，小于2.5 μm可以降低推進(jìn)劑燃速，通過不同粒度配比即可調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃速高低。

熊文慧等[31]研究表明在雙基和含鋁改性雙基推進(jìn)劑中，相同粒度和含量的SiC的降速效果普遍要優(yōu)于Al2O3或與其相當(dāng)，1.5%含量可以降低1～3 mm?s-1燃速。同Al2O3一樣，不同粒度的SiC對配方燃速有一定影響，平均粒徑2.5 μm的SiC配方燃速比3.5 μm燃速低，與1.5 μm燃速相差不大。

綜合來看，選擇合適的彈道穩(wěn)定劑可一定程度的調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃速，推進(jìn)劑配方中的彈道穩(wěn)定劑含量較低，但一般是必不可少，借助彈道穩(wěn)定劑的降速效果，有助于高能量低燃速類推進(jìn)劑的研制。

4.2 負(fù)燃燒催化劑

燃燒催化劑是用于調(diào)節(jié)和改變推進(jìn)劑燃燒性能的功能組分，根據(jù)提高和降低燃速的效果分為正燃燒催化劑和負(fù)燃燒催化劑。負(fù)燃燒催化劑在雙基系推進(jìn)劑中的研究較少，常關(guān)注的鉛、銅、鐵、鉍、鋯等金屬的氧化物、無機(jī)鹽、有機(jī)化合物、碳材料等通常作為正燃燒催化劑開展研究和應(yīng)用。現(xiàn)有理論認(rèn)為燃燒催化劑是通過參與燃燒反應(yīng)，改變原有反應(yīng)速率從而調(diào)節(jié)燃速，所以負(fù)燃燒催化劑與前文所述的通過熔融、分解吸熱作用從而降低燃速的材料相比，具有效率更高，對能量影響小的優(yōu)點(diǎn)。如在含AP推進(jìn)劑中應(yīng)用較多的鈣鹽，其負(fù)燃燒催化機(jī)理作用機(jī)理一般認(rèn)為是參與中間反應(yīng)，生成比HClO4或NH4ClO4具有更高穩(wěn)定的化合物從而抑制分解反應(yīng)降低燃速[36]。在雙基系推進(jìn)劑中，目前還未發(fā)現(xiàn)有效的負(fù)燃燒催化劑成功應(yīng)用的報(bào)道。但值得注意的是，正燃燒催化劑在一定的壓強(qiáng)范圍內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生負(fù)催化的效果。如鉛類催化劑即可使推進(jìn)劑在一定壓強(qiáng)范圍內(nèi)的燃速增高，獲得超速燃燒，起正催化效果，也可對推進(jìn)劑燃燒反應(yīng)產(chǎn)生抑制效果，使燃速降低，表現(xiàn)出麥撒燃燒，起負(fù)催化效果。Kubota[21]對鉛鹽催化研究時(shí)發(fā)現(xiàn)推進(jìn)劑在麥撒燃燒壓強(qiáng)區(qū)間，壓強(qiáng)越高火焰區(qū)距固相區(qū)的距離越近，有利于火焰區(qū)向固相區(qū)的熱傳導(dǎo)，但實(shí)際燃速卻更低，認(rèn)為此時(shí)鉛元素在對推進(jìn)劑燃燒表面或附近發(fā)生了抑制速率的反應(yīng)[21]，所以，某種程度上講，產(chǎn)生麥撒作用的鉛鹽屬于一種負(fù)燃燒催化劑。常用于雙基系推進(jìn)劑的鉛-銅-炭復(fù)合催化劑在麥撒燃燒后期使推進(jìn)劑的燃速低于非催化推進(jìn)劑燃速，同樣也產(chǎn)生了負(fù)燃燒催化效果。但受限于研究困難程度高、手段較少，目前對該抑制現(xiàn)象還沒有較為明確的機(jī)理予以解釋。但隨著超高速攝影技術(shù)、平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)等新型檢測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，有望可對瞬時(shí)自由基或反應(yīng)中間產(chǎn)物進(jìn)行檢測和判別，可作為推進(jìn)劑催化燃燒機(jī)理包括抑制機(jī)理的有效手段。

4.3 降速劑

降速劑是僅用于降低燃速或燃溫的而添加的功能組分。常見的用于雙基系推進(jìn)劑的降速劑有共聚甲醛(POM)、蔗糖八醋酸酯(SOA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等[37-40]，其主要通過熔融或分解吸熱，降低燃燒表面的溫度從而降低推進(jìn)劑燃速。如：POM在168.8 ℃、178.8 ℃和378.7 ℃附近，SOA在85 ℃、285.3 ℃、314.6 ℃附近有明顯的熔融和分解吸熱[40]。吸收熱量的多少與降速劑加入量呈正比，所以目前的低燃速推進(jìn)劑中降速劑的加入量均較多，能量損失也較多，張超，楊立波等[39,40]報(bào)道采用8%～9%的POM、SOA或兩者混合物可以使推進(jìn)劑10MPa燃速降至5 mm/s以下，最低達(dá)到3.6 mm/s，進(jìn)一步提高含量，并結(jié)合添加惰性增塑劑等手段，可以使燃速降至2～3 mm/s的超低燃速水平，但能量大幅降低后理論比沖一般小于2 000 N·s·kg-1。該類材料在含有大量高能固體材料的改性雙基推進(jìn)劑中的加入量和降速效果均會(huì)受到限制，劉曉軍等[38]采用2%～4%的SOA，配合少量的惰性增塑劑TA使含30%HMX的CMDB推進(jìn)劑10 MPa燃速降至11.13 mm/s。另外，降速劑對推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的調(diào)節(jié)效果較小，有研究顯示POM的加入有利于降低推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)，但同空白配方相比，降低壓強(qiáng)指數(shù)效果非常有限[40]。為使推進(jìn)劑能夠獲得較低的壓強(qiáng)指數(shù)以便在型號武器中得以應(yīng)用，一般還需結(jié)合常規(guī)的燃燒催化劑聯(lián)合調(diào)整，使綜合降速效果減弱。所以，對于該類材料僅可作為燃速控制技術(shù)的備用手段。

5 結(jié)論

1) 合理利用不同降速材料和降速規(guī)律是實(shí)現(xiàn)低燃速推進(jìn)劑燃速控制的有效途徑。在推進(jìn)劑配方中含量較多的雙基組分和高能材料組分決定了推進(jìn)劑的基礎(chǔ)燃速；常用降速劑可有效降低燃速，但能量損失大；不同種類和粒度金屬燃料或功能組分有一定的降速作用，但受限于其在配方中的含量低，燃速調(diào)節(jié)幅度有限。低燃速推進(jìn)劑的研發(fā)需結(jié)合能量、工藝、力學(xué)等性能的需求，綜合利用所有組份對燃速的影響效果，達(dá)到燃速控制的目的。

2) CL-20、HMX、RDX等高能氧化劑的粒度級配應(yīng)用為推進(jìn)燃速調(diào)節(jié)的有效手段，LLM-105、DNP等鈍感類高能氧化劑的應(yīng)用有利于鈍感類低燃速推進(jìn)劑的研制。

3)未來低燃速雙基系推進(jìn)劑燃速調(diào)節(jié)技術(shù)的研究重點(diǎn)，一是進(jìn)一步研究雙基系推進(jìn)劑燃燒催化劑燃燒抑制作用機(jī)理，開發(fā)新型的高效負(fù)燃燒催化劑；二是研究硼粉在雙基系推進(jìn)劑中的應(yīng)用，進(jìn)一步探索硼的燃燒和降速機(jī)理，提高硼的燃燒效率。