HMX 含量對(duì)丁羥四組元推進(jìn)劑團(tuán)聚及凝聚相燃燒產(chǎn)物的影響

茍東亮，敖 文，劉 露，吳浩明，劉佩進(jìn)，何國強(qiáng)

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2. 中國航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所，陜西西安 710025）

1 引言

為了提高固體推進(jìn)劑的能量特性，推進(jìn)劑中通常添加一定量的鋁粉。由于鋁的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)相差較大，因此推進(jìn)劑燃燒過程中，鋁顆粒在燃面會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，生成的大粒徑團(tuán)聚物對(duì)凝聚相燃燒產(chǎn)物（CCPs）的形成至關(guān)重要。凝聚相燃燒產(chǎn)物能夠抑制發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定燃燒，同時(shí)會(huì)降低鋁的燃燒效率，增加燃燒室的兩相流損失，增強(qiáng)絕熱層的局部燒蝕和噴管處的熔渣沉積。因此掌握推進(jìn)劑鋁團(tuán)聚以及凝聚相燃燒產(chǎn)物的影響因素，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能評(píng)估十分關(guān)鍵。

奧克托今（HMX）的爆熱為6200 kJ·kg-1，爆速為9110 m·s-1［1］，能量特性較高、密度較大、熱穩(wěn)定好，廣泛用于復(fù)合固體推進(jìn)劑中。HMX 能夠影響固體推進(jìn)劑的能量性能［2-4］、燃速［5-6］、火焰結(jié)構(gòu)［7-8］以及力學(xué)性能［3］，同時(shí)也可顯著改變推進(jìn)劑燃面上鋁的團(tuán)聚以及凝聚相燃燒產(chǎn)物特性［9］。

國內(nèi)外對(duì)推進(jìn)劑鋁團(tuán)聚和凝聚相燃燒產(chǎn)物的影響因素進(jìn)行了大量研究，主要集中在壓力［10-11］、燃速［11-12］、鋁 粉 粒 徑 和 含 量［12-14］、AP 粒 徑 和 級(jí) 配［13，15］等，而關(guān)于HMX 和RDX 的影響研究較少。Liu［16］研究了不同含量的RDX 對(duì)凝聚相燃燒產(chǎn)物的影響，認(rèn)為隨著RDX 含量的增加，凝聚相燃燒產(chǎn)物的粒度逐漸增大。Glotov［9］研究了含鋁推進(jìn)劑中HMX 對(duì)團(tuán)聚的影響，認(rèn)為含HMX 推進(jìn)劑的團(tuán)聚程度和團(tuán)聚物粒徑小于 含RDX 推 進(jìn) 劑。Bubak［17］對(duì) 不 同 氧 化 劑 的 推 進(jìn) 劑凝聚相燃燒產(chǎn)物進(jìn)行了研究，指出含HMX 推進(jìn)劑的凝聚相燃燒產(chǎn)物的粒徑較大。

目前，關(guān)于HMX 影響推進(jìn)劑鋁團(tuán)聚和凝聚相燃燒產(chǎn)物的文獻(xiàn)較少，前期相關(guān)研究已經(jīng)指出HMX 會(huì)促進(jìn)鋁的團(tuán)聚過程，然而HMX 含量對(duì)推進(jìn)劑燃面上鋁團(tuán)聚和凝聚相燃燒產(chǎn)物的影響規(guī)律，目前依然認(rèn)識(shí)不清。

本研究綜合采用推進(jìn)劑燃面拍攝、激光點(diǎn)火和凝聚相燃燒產(chǎn)物收集方法，對(duì)HMX 含量在0%～10%范圍內(nèi)的4 種固體推進(jìn)劑開展點(diǎn)火試驗(yàn)，研究HMX 含量對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火、燃燒、團(tuán)聚以及凝聚相燃燒產(chǎn)物的影響規(guī)律，為深入理解HMX 對(duì)推進(jìn)劑燃燒和團(tuán)聚性能的影響提供指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

采用文獻(xiàn)［18］的激光點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行推進(jìn)劑的激光點(diǎn)火試驗(yàn)。CO2激光器點(diǎn)燃推進(jìn)劑試樣，通過光譜儀在950 Hz 的頻率下測量推進(jìn)劑點(diǎn)火和燃燒過程的發(fā)射光譜，該光譜儀的分辨率為0.1 nm。高速相機(jī)以2400 幀/s 的頻率對(duì)推進(jìn)劑的燃燒過程進(jìn)行拍攝。試驗(yàn)在常壓環(huán)境中進(jìn)行，每次試樣的質(zhì)量為0.1 g。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每個(gè)工況至少開展3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

推進(jìn)劑燃面拍攝和凝聚相燃燒產(chǎn)物收集試驗(yàn)均在高壓燃燒室內(nèi)進(jìn)行，該燃燒室主要由上下兩個(gè)柱狀圓筒組成。燃燒室上封蓋處安裝壓力傳感器，下封蓋處安裝兩個(gè)點(diǎn)火電極，燃燒室內(nèi)部放置聚四氟乙烯燒杯，燒杯內(nèi)盛有冷卻介質(zhì)。通過電磁閥控制燃燒室的充氣和排氣過程。燃面拍攝試驗(yàn)采用側(cè)面包覆的（8 mm×8 mm×20 mm）的推進(jìn)劑藥條，采用高速相機(jī)聯(lián)接長焦顯微鏡以2400 幀/s 的頻率對(duì)推進(jìn)劑的燃面進(jìn)行拍攝。凝聚相燃燒產(chǎn)物收集試驗(yàn)采用側(cè)面包覆的（25 mm×25 mm×15 mm）的推進(jìn)劑藥塊，由于水的冷卻效果好，同時(shí)對(duì)凝聚相燃燒產(chǎn)物的影響較?。?9］，因此冷卻介質(zhì)采用蒸餾水，燃面距離冷卻液面的初始距離為5 mm，試驗(yàn)示意圖如圖1 所示。試驗(yàn)是在氮?dú)獾沫h(huán)境中進(jìn)行，采用電熱絲進(jìn)行點(diǎn)火，電熱絲的供電電壓為24 V。

圖1 推進(jìn)劑燃面拍攝及凝聚相燃燒產(chǎn)物收集試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic of imaging of propellant burning surface and collection of CCPs

2.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)采用的AP/HTPB/Al/HMX 固體推進(jìn)劑由湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所提供，組分中鋁粉和黏合劑（HTPB）的含量分別固定為18%和12%，氧化劑（AP+HMX）的含量固定為70%，通過改變氧化劑中HMX 的含量獲得4 種不同的推進(jìn)劑配方（表1），其中鋁粉的平均粒徑為29 μm，HMX 的平均粒徑為10 μm。對(duì)4 種推進(jìn)劑在不同壓力下分別進(jìn)行燃面拍攝、激光點(diǎn)火以及凝聚相燃燒產(chǎn)物收集試驗(yàn)，試驗(yàn)工況見表2。

表1 推進(jìn)劑配方Table 1 Propellant formulae %

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions

2.3 試驗(yàn)結(jié)果的處理與分析

對(duì)試驗(yàn)收集到的凝聚相燃燒產(chǎn)物收集液進(jìn)行抽濾、干燥、研磨處理，得到分散性較好的粉末，質(zhì)量約1.2 g。采用激光粒度分析儀（Malvern Mastersizer 2000）測量樣品的粒徑分布，采用掃描電子顯微鏡（Zeiss Supra 55）對(duì)樣品的形貌進(jìn)行觀察，采用X 射線能譜儀（Horiba 7021?H）對(duì)樣品表面的成分進(jìn)行分析，采用X 射線衍射儀（Empyrean X）測量樣品的化學(xué)成分。

3 結(jié)果與討論

3.1 推進(jìn)劑點(diǎn)火特性

4 種推進(jìn)劑的激光點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出，隨著HMX 含量增加，火焰強(qiáng)度逐漸減弱。圖3 為4 種推進(jìn)劑的發(fā)射光譜。由圖3 可以看出，當(dāng)HMX 含量為0 時(shí)，推進(jìn)劑的發(fā)光強(qiáng)度最大，而當(dāng)HMX 含量逐漸增大到10%時(shí)，推進(jìn)劑發(fā)光強(qiáng)度逐漸減弱到最小，進(jìn)一步說明推進(jìn)劑的燃燒強(qiáng)度隨HMX含量增大而逐漸減弱，這與圖2 結(jié)果吻合。471 nm 和486 nm 波長為鋁的氣相中間燃燒產(chǎn)物AlO 的特征光譜，與文獻(xiàn)［18］一致。589 nm 和768 nm 波長分別為Na 和K 的特征光譜，說明推進(jìn)劑原材料含有少量雜質(zhì)Na 和K［20］。

圖2 4 種推進(jìn)劑燃燒火焰圖像Fig.2 Combustion flame images of the four propellants

圖3 4 種推進(jìn)劑發(fā)射光譜Fig.3 Emission spectra of the four propellants

鑒于AlO 為鋁燃燒過程的中間產(chǎn)物，因此使用AlO 在486 nm 的特征發(fā)射峰作為Al 燃燒演化過程的表征［21-22］。圖4 為AlO 的特征光譜隨時(shí)間的變化關(guān)系，可以看出鋁顆粒在250 ms 左右開始燃燒，此時(shí)由于推進(jìn)劑藥粒處于局部燃燒狀態(tài)，AlO 的光譜強(qiáng)度較弱。在450 ms 左右，AlO 的光譜強(qiáng)度突然增強(qiáng)，說明此時(shí)推進(jìn)劑的燃燒由局部發(fā)展到整個(gè)藥粒。取光譜強(qiáng)度的10%作為截止值分別定義點(diǎn)火延遲時(shí)間和燃燒時(shí)間［10］。4 種推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間和燃燒時(shí)間如圖5 所示，可以看出，隨著HMX 含量由0% 增加到10%，推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間由191 ms 增加到286 ms，燃燒時(shí)間由441 ms 增加到724 ms，推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間和燃燒時(shí)間均隨HMX 含量的增加而增大。這表明HMX 會(huì)抑制推進(jìn)劑點(diǎn)火，并降低燃燒速率。

圖4 AlO 特征光譜隨時(shí)間的變化Fig.4 The characteristic spectra of AlO versus time

圖5 4 種推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲和燃燒時(shí)間Fig.5 Ignition delay and burning times of the four propellants

3.2 燃速特性

為了研究低壓和高壓條件下推進(jìn)劑的燃燒特性，采用高速攝影對(duì)1，3，5，7 MPa 氮?dú)猸h(huán)境中的4 種推進(jìn)劑燃燒過程進(jìn)行拍攝。將拍攝的圖片進(jìn)行數(shù)字圖像處理［23］，識(shí)別出不同時(shí)刻推進(jìn)劑的燃面位置。通過幀頻以及兩幅圖像燃面之間的距離，可以確定推進(jìn)劑的燃速。對(duì)不同壓力下的燃速數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到推進(jìn)劑的燃速公式，結(jié)果如圖6 所示?？梢钥闯?，相同的壓力下，HMX 含量越大，推進(jìn)劑的燃速越小。隨著HMX含量由0%增加到10%，推進(jìn)劑的壓力指數(shù)由0.486減小至0.334，可見推進(jìn)劑的燃速和壓力指數(shù)均隨HMX 含量增加而減小。通過CEA 熱力學(xué)軟件計(jì)算推進(jìn)劑的燃溫和比沖，結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯?，隨著HMX 含量由0%增加到10%，燃燒溫度由3288 K 降到3268 K，比沖卻由257.1 s 增加到259.2 s。這是因?yàn)殡S著HMX 含量增加，推進(jìn)劑中的氧含量減少，推進(jìn)劑的燃溫略微降低，同時(shí)生成的氣態(tài)產(chǎn)物的平均分子量減小，最終比沖性能增加。

圖6 4 種推進(jìn)劑燃速隨壓力的變化Fig.6 The burning rate of the four propellants versus pressure

圖7 推進(jìn)劑的燃溫和比沖隨HMX 含量的變化Fig.7 Combustion temperature and specific impulse of the four propellants versus HMX content

3.3 燃面團(tuán)聚特性

由于高壓環(huán)境下煙霧對(duì)拍攝的干擾，選擇1 MPa的拍攝結(jié)果對(duì)推進(jìn)劑鋁團(tuán)聚過程進(jìn)行研究，圖8 為4 種推進(jìn)劑燃面附近鋁顆粒團(tuán)聚圖像。典型團(tuán)聚物形成過程如圖8a 所示，在“口袋”區(qū)域內(nèi)，黏合劑和氧化劑發(fā)生分解，鋁顆粒的溫度上升，并到達(dá)推進(jìn)劑燃面。鋁顆粒表面包覆一層Al2O3膜，Al 跟Al2O3的熔點(diǎn)溫度和熱膨脹系數(shù)不同，同時(shí)固相與液相鋁的密度不同，使得顆粒發(fā)生相變時(shí)體積發(fā)生約6%的膨脹［24］，在應(yīng)力作用下氧化膜發(fā)生破裂，被氧化膜包裹的液態(tài)鋁沿著裂紋滲出并與周圍的鋁發(fā)生累積，在燃面形成珊瑚狀的不規(guī)則聚集物（Aggregate），隨著累積的進(jìn)行，聚集物的體積逐漸增大，伸入到高溫火焰區(qū)，液態(tài)鋁的溫度逐漸升高并最終燃燒，聚集物發(fā)生坍縮，形成單個(gè)球形團(tuán)聚物（Agglomerate）液滴，團(tuán)聚顆粒黏附在燃面上的同時(shí)，尺寸隨不斷涌上的鋁顆粒聚集并逐漸增大，最終在氣動(dòng)力的作用下與燃面發(fā)生分離（Detachment），整個(gè)過程持續(xù)約23 ms。4 種推進(jìn)劑燃面上鋁的團(tuán)聚如圖8b 圖所示，可以看出，當(dāng)推進(jìn)劑中HMX 的含量為10% 時(shí)，燃面附近團(tuán)聚物粒徑最大，而當(dāng)推進(jìn)劑中HMX 含量為0 時(shí)，燃面附近團(tuán)聚物粒徑最小，說明隨著HMX 含量增加，推進(jìn)劑燃面上團(tuán)聚物的粒徑逐漸增大。

圖8 燃面附近鋁顆粒團(tuán)聚Fig.8 Images of aluminum particle agglomerates near the burning surface

3.4 凝聚相燃燒產(chǎn)物

圖9 為4#推進(jìn)劑燃燒得到的團(tuán)聚物SEM 圖。由圖9 可見，凝聚相燃燒產(chǎn)物中的團(tuán)聚物分為4 類：A 類為典型球狀，這類顆粒是團(tuán)聚物燃燒完全之后形成的產(chǎn)物，其在大粒徑的凝聚相燃燒產(chǎn)物中占比較大，主要成分為氧化鋁；B 類為“8”狀，這類顆粒是團(tuán)聚物隨流運(yùn)動(dòng)過程中，在燃燒末期發(fā)生碰撞合并的產(chǎn)物［25］，其在凝聚相燃燒產(chǎn)物中占比較?。籆 類為“帽”狀，這類是團(tuán)聚物未完全燃燒形成的產(chǎn)物，該類顆粒中活性鋁的含量較大；D 類顆粒為不規(guī)則狀，這是團(tuán)聚物在燃燒過程中破裂的產(chǎn)物。鋁顆粒在燃燒過程中，沉積的Al2O3和未燃燒的Al 液滴在兩者交界面處發(fā)生反應(yīng)生成氣態(tài)產(chǎn)物，氣體被包裹在鋁液滴內(nèi)部，在應(yīng)力的作用下，大顆粒最終會(huì)破裂成許多不規(guī)則的小顆粒［26］，該類顆粒在凝聚相燃燒產(chǎn)物中的含量較小。

圖9 4#推進(jìn)劑團(tuán)聚物的SEM 圖Fig.9 SEM image of agglomerates in 4# propellant

圖10 和圖11 分別為凝聚相燃燒產(chǎn)物中氧化鋁煙塵顆粒以及團(tuán)聚物的SEM?EDS 圖。由圖10 和圖11 可以看出，顆粒表面含有少量的C、N 和Pt 元素。試驗(yàn)中采用鉑電熱絲對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行點(diǎn)火，因此Pt 來源于電熱絲，而C 和N 主要來源于推進(jìn)劑中的粘合劑和氧化劑。圖10 的氧化鋁煙塵顆粒中O∶Al 原子比為1.44，Al2O3中O∶Al 原子比為1.5，兩者較為接近，可以判斷顆粒中的Al 和O 元素以Al2O3的形式存在，C 元素和Pt 元素均以單質(zhì)態(tài)的形式存在，說明該推進(jìn)劑為貧氧燃燒，燃燒過程中部分活性C 原子無法得到氧，最終形成單質(zhì)C。圖11 的團(tuán)聚顆粒中O∶Al 原子比為0.26，遠(yuǎn)低于1.5，說明此顆粒中含有大量未燃的活性鋁。

圖10 凝聚相燃燒產(chǎn)物中氧化鋁煙塵顆粒的SEM?EDS 圖Fig.10 SEM?EDS image of smoke particles in the CCPs

圖11 凝聚相燃燒產(chǎn)物中團(tuán)聚物的SEM?EDS 圖Fig.11 SEM?EDS image of agglomerates in the CCPs

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，分別對(duì)每個(gè)工況進(jìn)行3 次重復(fù)性試驗(yàn)。其中，7 MPa 下4#推進(jìn)劑的凝聚相燃燒產(chǎn)物粒徑分布的重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示?？梢钥闯觯嗽诜逯堤幱行┎顒e外，曲線總體上重合較好，測量的產(chǎn)物體積平均粒徑D43分別為125.7，137.9，151.1 μm，平均誤差為9.1%，說明試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較好。

圖12 4#推進(jìn)劑的重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Repeated test results of 4# propellant

4 種推進(jìn)劑凝聚相燃燒產(chǎn)物的粒徑分布曲線如圖13 所示?？梢钥闯?，凝聚相燃燒產(chǎn)物粒徑分布曲線呈多峰分布特點(diǎn)，符合四組元推進(jìn)劑凝聚相燃燒產(chǎn)物的粒徑分布特征［15］。試驗(yàn)采用的鋁粉平均粒徑約為29 μm，因此本研究以30 μm 作為團(tuán)聚物截止直徑［27］，認(rèn)為粒徑大于30 μm 的顆粒為團(tuán)聚物?？梢钥闯鲈囼?yàn)收集的凝聚相燃燒產(chǎn)物中團(tuán)聚物的體積分?jǐn)?shù)較大。這是因?yàn)樵囼?yàn)過程中燃?xì)獾某恋頃r(shí)間不充足，導(dǎo)致部分小顆粒被排出燃燒室外。小顆粒為鋁燃燒生成的氧化鋁蒸汽凝結(jié)形成的產(chǎn)物，其燃燒較為充分，成分為Al2O3。產(chǎn)物中的活性鋁主要分布在團(tuán)聚物中。團(tuán)聚物對(duì)推進(jìn)劑中鋁的燃燒效率、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)兩相流損失、絕熱層燒蝕以及發(fā)動(dòng)機(jī)噴管處的熔渣沉積影響較大［28］。凝聚相燃燒產(chǎn)物中團(tuán)聚物所占的體積分?jǐn)?shù)隨HMX 含量增加而逐漸增大，說明HMX 會(huì)促進(jìn)燃面上鋁顆粒團(tuán)聚，這與燃面拍攝結(jié)果一致。圖14 為凝聚相燃燒產(chǎn)物的體積平均粒徑D43隨HMX 含量的變化曲線，可以看出隨著HMX 含量增加，凝聚相燃燒產(chǎn)物的體積平均粒徑D43由48.1 μm 逐漸增大到138.3 μm。

圖13 推進(jìn)劑的凝聚相燃燒產(chǎn)物粒徑分布Fig.13 Particle size distribution of CCPs of the four propel?lants

圖14 凝聚相燃燒產(chǎn)物的平均粒徑隨HMX 含量的變化Fig.14 Average particle size of CCPs versus HMX content

取50 mg 的凝聚相燃燒產(chǎn)物進(jìn)行XRD 測試，結(jié)果如圖15 所示?？梢钥闯?，凝聚相燃燒產(chǎn)物中活性鋁的含量較大，這是因?yàn)槿济媾c冷卻液面的初始距離為5 mm，鋁顆粒的燃燒時(shí)間短，大粒徑的團(tuán)聚物沒有經(jīng)過充分燃燒即被液面淬息凍結(jié)。凝聚相燃燒產(chǎn)物中的氧化物以γ?Al2O3為主，同時(shí)含有少量的AlN，說明燃燒室的溫度較低，大部分氧化物沒有形成穩(wěn)定態(tài)的α?Al2O3，而AlN 是少量的活性鋁被空氣中的氮?dú)庋趸纬傻漠a(chǎn)物。采用文獻(xiàn)［10］的方法對(duì)凝聚相燃燒產(chǎn)物中的組分含量進(jìn)行估算，結(jié)果見表3。由表3 可以看出，當(dāng)推進(jìn)劑中HMX 含量為0 時(shí)，凝聚相燃燒產(chǎn)物中活性鋁含量為5.9%，隨著HMX 含量增加到8%，凝聚相燃燒產(chǎn)物中活性鋁含量達(dá)到最大值9.2%，而當(dāng)HMX 含量繼續(xù)增加到10%，凝聚相燃燒產(chǎn)物中活性鋁的含量減小的7.4%?？梢婋S著HMX 含量增加，凝聚相燃燒產(chǎn)物中活性鋁的含量并不呈單調(diào)的變化關(guān)系。表征推進(jìn)劑團(tuán)聚性能的參數(shù)有團(tuán)聚物粒徑和團(tuán)聚物數(shù)量，隨著HMX 含量增大，AP 含量相應(yīng)減小，推進(jìn)劑中的口袋數(shù)量減小［29］，從而使得團(tuán)聚物數(shù)量減小。凝聚相燃燒產(chǎn)物中活性鋁的含量由團(tuán)聚物粒徑和數(shù)量共同決定，團(tuán)聚物粒徑越大，單個(gè)鋁顆粒燃燒越不充分。團(tuán)聚物數(shù)量越多，凝聚相燃燒產(chǎn)物中的活性鋁含量越大。隨著HMX 含量增加，凝聚相燃燒產(chǎn)物中團(tuán)聚物粒徑增大，而團(tuán)聚物數(shù)量減小，因此二者綜合效應(yīng)導(dǎo)致含8% HMX 的推進(jìn)劑形成的凝聚相燃燒產(chǎn)物中活性鋁的含量最大。

圖15 4 種推進(jìn)劑凝聚相燃燒產(chǎn)物的XRD 圖Fig.15 XRD spectra of CCPs of the four propellants

表3 凝聚相燃燒產(chǎn)物中的各組分含量Table 3 The content of each component in the CCPs %

3.5 HMX 含量對(duì)推進(jìn)劑的燃燒和團(tuán)聚影響的綜合分析

根據(jù)固體推進(jìn)劑燃燒的多火焰模型，靠近燃面處形成的是AP 和HMX 初始擴(kuò)散火焰，遠(yuǎn)離燃面的位置處形成的是最終火焰［30］。分析認(rèn)為HMX 的含氧量較低，導(dǎo)致HMX 的初始擴(kuò)散火焰較弱，同時(shí)HMX 熔點(diǎn)較低，燃燒過程中會(huì)首先融化，在燃面形成融層，AP 顆粒部分表面被融層覆蓋，弱化了AP 單元的初始擴(kuò)散火焰強(qiáng)度。反饋給燃面的熱量主要由兩部分組成，第一部分是初始擴(kuò)散火焰反饋的熱量，該部分占主導(dǎo)。第二部分是表面的融層中HMX、HTPB 和AP 分解產(chǎn)物之間的凝聚相反應(yīng)釋熱［21］。HMX 融層的存在弱化了AP初始擴(kuò)散火焰，導(dǎo)致反饋給燃面的熱量減少，因此推進(jìn)劑的燃速降低，如圖16 所示。隨著HMX 含量增加，融層厚度增加。高壓下HMX 融層變薄，推進(jìn)劑表面的凝聚相反應(yīng)釋熱降低，導(dǎo)致低壓下燃速下降不大，高壓下燃速顯著下降，因此壓力指數(shù)減小。推進(jìn)劑的燃燒強(qiáng)度取決于燃速大小，低燃速導(dǎo)致低的燃燒強(qiáng)度。

圖16 推進(jìn)劑燃面火焰結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16 Schematic of the flame structure on the burning surface of propellant

推進(jìn)劑燃燒過程中，靠近燃面附近會(huì)形成一層碳骨架（Skeleton Layer）［17］。分析認(rèn)為HMX 的熔點(diǎn)溫度較低，在骨架層內(nèi)形成融層，并包裹鋁顆粒，融層的存在增加了鋁液滴之間的碰撞幾率，同時(shí)HMX 的分解生成的熱量和氣態(tài)產(chǎn)物會(huì)降低碳骨架的分解溫度。隨著HMX 含量增加，融層厚度增加，參與碰撞的鋁顆粒增多，團(tuán)聚物的粒徑增大，如圖17 所示。HMX 增加的同時(shí)AP 含量相應(yīng)減小，AP 的減小導(dǎo)致推進(jìn)劑中口袋數(shù)量減少，單個(gè)口袋內(nèi)鋁顆粒的數(shù)密度增大，根據(jù)口袋理論［29］，口袋內(nèi)的鋁顆粒最終會(huì)形成一個(gè)大的團(tuán)聚物，因此燃面的團(tuán)聚程度增加，團(tuán)聚物的數(shù)量相應(yīng)減少。

圖17 推進(jìn)劑燃面鋁的團(tuán)聚示意圖Fig.17 Schematic of aluminum agglomeration on the burning surface of propellant

隨著HMX 含量增加，融化所需要的熱量增加。融層減小了熱量向推進(jìn)劑的傳遞，同時(shí)由于鋁的團(tuán)聚程度增加，團(tuán)聚物的粒徑增大，鋁顆粒在燃面附近發(fā)生相變的吸熱量增加，因此推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間增加。推進(jìn)劑的凝聚相燃燒產(chǎn)物的粒徑分布取決于燃面上鋁的團(tuán)聚程度，團(tuán)聚物的粒徑越大，生成凝聚相燃燒產(chǎn)物的平均粒徑也就越大。

4 結(jié)論

采用燃面拍攝、激光點(diǎn)火和凝聚相燃燒產(chǎn)物收集方法對(duì)HMX 含量在0%～10%范圍內(nèi)的4 種推進(jìn)劑進(jìn)行試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）隨著HMX 含量的增加，推進(jìn)劑的燃燒強(qiáng)度減弱，點(diǎn)火延遲時(shí)間由191 ms 增加到286 ms，燃速和壓強(qiáng)指數(shù)均減小。

（2）隨著HMX 含量的增加，凝聚相燃燒產(chǎn)物的平均粒徑D43由48.1 μm 逐漸增大到138.3 μm。推進(jìn)劑燃面上鋁的團(tuán)聚程度隨HMX 含量的增加而增強(qiáng)。

（3）隨著HMX 含量的增加，凝聚相燃燒產(chǎn)物中的活性鋁從5.9%增加到9.2%，然后下降到7.4%。凝聚相燃燒產(chǎn)物中活性鋁含量由團(tuán)聚物粒徑和數(shù)量共同決定，并不隨HMX 含量增加呈單調(diào)的變化趨勢。

（4）含HMX 的推進(jìn)劑燃燒過程中會(huì)在燃面形成HMX 融層，該融層減弱了初始火焰與推進(jìn)劑之間的熱量傳遞，增加了燃面上鋁液滴之間的碰撞。推進(jìn)劑燃速的降低與燃面上鋁團(tuán)聚程度的增強(qiáng)均與該融層相關(guān)。