主控提前點火對復(fù)合推進劑慢速烤燃響應(yīng)的影響*

張海軍，聶建新，王 領(lǐng)，王 棟，胡 峰，郭學(xué)永

（1. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；2. 西安長峰機電研究所，陜西 西安 710065）

烤燃實驗是分析和評估彈藥易損性的重要方法，考核彈藥在意外熱刺激下的響應(yīng)劇烈程度，評估彈藥的不敏感性能[1-2]。復(fù)合推進劑是目前固體導(dǎo)彈或固體火箭的常用燃料，在遭受意外熱刺激時，可能會發(fā)生點火，進而導(dǎo)致燃燒，甚至爆炸或爆轟等嚴(yán)重的事故[3]。

慢速烤燃特性是復(fù)合推進劑和發(fā)動機熱安全性研究中的重點，也是目前研究的難點。針對含能材料在慢速烤燃條件下的安全性，國內(nèi)外學(xué)者們開展了廣泛的研究，探討了升溫速率、約束條件、結(jié)構(gòu)尺寸等對烤燃響應(yīng)結(jié)果的影響，建立了慢速烤燃的實驗方法和理論模型，形成了考核標(biāo)準(zhǔn)[4-11]。陳朗等[12]、智小琦等[13]、周霖等[14]對DNAN 基炸藥在慢速烤燃條件下的安全性開展了研究，分析了炸藥相變及流變特性對烤燃響應(yīng)結(jié)果的影響。Foureur 等[15]研究了高氯酸銨/端羥基聚丁二烯（AP/HTPB）推進劑受裝藥特性和升溫速率的影響，發(fā)現(xiàn)在快速升溫時反應(yīng)劇烈程度低于慢速升溫時。李文鳳[16]研究了裝藥尺寸對AP/HTPB 底排藥烤燃特性的影響，發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔大小、裝藥長度對響應(yīng)結(jié)果都有影響。宋柳芳等[17]通過研究不同結(jié)構(gòu)端羥基聚醚（HTPE）推進劑裝藥的發(fā)動機慢速烤燃過程，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和尺寸對發(fā)動機慢速烤燃結(jié)構(gòu)影響很大。

在發(fā)動機的慢速烤燃低易損設(shè)計中，主控提前點火是一種工程上有效降低反應(yīng)等級的途徑。在提前點火設(shè)計中，主控點火溫度的選擇是設(shè)計的關(guān)鍵，然而，針對主控點火溫度對復(fù)合推進劑慢速烤燃響應(yīng)特性影響的研究較少。因此，研究主控點火溫度對推進劑慢速烤燃響應(yīng)特性的影響規(guī)律，了解緩慢加熱條件下復(fù)合推進劑的熱反應(yīng)過程，對發(fā)動機慢速烤燃主控提前點火技術(shù)設(shè)計中主控點火溫度的選擇具有重要意義。

本文中針對主控點火溫度對含AP 復(fù)合推進劑的慢速烤燃過程的影響，設(shè)計了在不同溫度下點火的慢速烤燃實驗，并研究緩慢加熱條件下推進劑熱的分解失重及細(xì)觀損傷，結(jié)合數(shù)值計算，探討點火前推進劑內(nèi)的溫度分布及推進劑細(xì)觀結(jié)構(gòu)熱損傷過程，并給出主控點火溫度選擇的建議，以期為發(fā)動機慢速烤燃主控點火溫度的設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

慢速烤燃實驗系統(tǒng)包括烤燃件、烤燃箱、熱電偶、壓力傳感器、溫控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖1～2 分別為實驗系統(tǒng)示意圖和現(xiàn)場布置圖。加熱系統(tǒng)由溫控系統(tǒng)、烤燃箱及熱電偶組成，溫控系統(tǒng)由控溫?zé)犭娕己蜏乜叵浣M成。熱電偶測量加熱過程中推進劑裝藥所處的環(huán)境溫度，并將溫度數(shù)據(jù)實時反饋到溫控系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)通過調(diào)整加熱功率實現(xiàn)對烤燃溫度的控制，按照既定的升溫程序?qū)ν七M劑裝藥進行加熱。在推進劑裝藥中預(yù)置多個熱電偶監(jiān)測烤燃過程中推進劑內(nèi)部的溫度變化。在距離烤燃件中心3.0 和3.5 m 處分別布置10 個超壓傳感器，監(jiān)測烤燃件發(fā)生響應(yīng)時的沖擊波超壓。

烤燃件通過支架和固定工裝固定在烤燃箱內(nèi)，保證烤燃件可靠固定，如圖3 所示?？救技睆綖?00 mm，殼體厚度為3 mm，整體長度為900 mm，推進劑裝藥長度為450 mm，推進劑裝藥質(zhì)量為17 kg，裝藥為HTPE 復(fù)合推進劑。沖擊波超壓傳感器采用PCB 生產(chǎn)的137B24 自由場傳感器，采集器采集頻率不低于2 MHz，采集時間為3 s。溫度傳感器采用鎧裝熱電偶，測溫范圍為0～1 200 ℃，采樣頻率不低于2 Hz，持續(xù)采集溫度信號，直至烤燃件發(fā)生反應(yīng)。熱電偶布置如圖4 所示，在烤燃件內(nèi)部布置6 路溫度測試點，用于記錄烤燃件內(nèi)部推進劑的溫度變化。

1.2 實驗條件

實驗條件參照MIL-2105D《美國非核彈藥危險性評估試驗》[18]標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定：從室溫以5 ℃/min 的升溫速率升溫至50 ℃，保溫8 h，再以3.3 ℃/h 的升溫速率對烤燃件進行烤燃，直至發(fā)生反應(yīng)。為研究主控點火溫度對烤燃響應(yīng)劇烈程度的影響，進行2 發(fā)實驗：實驗1 按照升溫條件持續(xù)加熱，直至發(fā)生反應(yīng)；實驗2 先按照升溫條件進行加熱，當(dāng)溫度到達120 ℃時，通過點火裝置進行主動提前點火。

2 數(shù)值計算

推進劑受熱發(fā)生點火的過程通?？梢员硎緸椋?1)環(huán)境中熱量傳入反應(yīng)系統(tǒng)；(2)反應(yīng)系統(tǒng)分解放熱；(3)分解產(chǎn)生的熱量向環(huán)境散失。當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量不能及時散失到環(huán)境時，系統(tǒng)溫度上升，使分解加速，系統(tǒng)形成自熱，使系統(tǒng)的溫度更快地上升，最終導(dǎo)致燃燒或爆炸。

為建立計算模型，對烤燃過程作出如下假設(shè)[12]：

(1)推進劑與絕熱層及絕熱層與殼體間無間隙，且忽略接觸熱阻；

(2)推進劑裝藥在整個烤燃過程中為固態(tài)，相變的影響可忽略；

(3)推進劑裝藥的自熱反應(yīng)過程采用Arrhenius 定律描述，化學(xué)反應(yīng)為零級放熱反應(yīng)；

(4)各材料的物性參數(shù)及化學(xué)動力學(xué)參數(shù)為常量，不隨溫度變化。

在推進劑烤燃過程中，系統(tǒng)中固相的能量輸運方程可以用下面的形式表達：

式中：i表示烤燃件的不同結(jié)構(gòu)材料； ρi、ci、 λi和Si分別對應(yīng)材料的密度、比熱容、熱導(dǎo)率和內(nèi)熱源；T為溫度，r為圓柱坐標(biāo)系中的徑向距離；x為軸向距離?？救技卸栊圆牧蟽?nèi)熱源均為零，推進劑裝藥的內(nèi)熱源為其自熱反應(yīng)放熱率。

假設(shè)推進劑自熱反應(yīng)放熱過程滿足Arrhenius 方程，按照如下所示的零級反應(yīng)模型，反應(yīng)速率表達式為：

式中：α 為推進劑反應(yīng)度；v為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；f(α) 為反應(yīng)機理函數(shù)；A為指前因子，E為活化能，R為氣體常數(shù)。則自熱源項S可以表示為

式中：ρ 為推進劑密度；Q為推進劑反應(yīng)熱；f(α)=(1-α)n，n為反應(yīng)級數(shù)。由于假設(shè)化學(xué)反應(yīng)為零級放熱反應(yīng)，因此n=0，f(α)=1 。

烤燃件材料參數(shù)如表1 所示，建立的數(shù)值計算模型如圖5 所示，在進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于1 mm 時，計算結(jié)果不受網(wǎng)格大小的影響。為更好地捕捉反應(yīng)位置，對推進劑部分采用加密網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，空氣域部分網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，殼體和絕熱層網(wǎng)格尺寸為0.2 mm，網(wǎng)格數(shù)量為148 萬。

表1 烤燃件材料參數(shù)[9]Table 1 Material parameters of cook-off components[9]

3 結(jié)果及討論

3.1 實驗結(jié)果

圖6 為實驗1 中熱電偶測量得到的溫度隨時間變化曲線，可以看出，在加熱的初始階段，升溫速率較高，靠近殼體表面的溫度傳感器TC1 和TC6 溫度較高，內(nèi)部靠近兩端的溫度傳感器TC2 和TC5 溫度次之，TC3 和TC4 溫度最低。這是由于在慢速烤燃過程中，熱量從殼體表面向裝藥內(nèi)部傳遞，受傳熱速率的影響，溫度從殼體表面到裝藥內(nèi)部形成逐漸遞減的溫度梯度。經(jīng)過8 h 保溫后，基本達到熱平衡，各監(jiān)測點溫度相差很小。隨后以3.3 K/h 的升溫速率加熱時，溫度分布從外向內(nèi)有一個較小的溫度差，直到達到推進劑的分解溫度，推進劑組分發(fā)生分解放出熱量。在推進劑熱分解、外界加熱及熱傳導(dǎo)的相互作用下，溫度最高點逐漸向推進劑內(nèi)部移動，最終高溫區(qū)域移動到傳感器TC5 位置時達到點火溫度，發(fā)生點火，初始反應(yīng)位置在監(jiān)測點5 附近。

圖7 為實驗2 中監(jiān)測點溫度，實驗2 中選擇在120 ℃時進行了人為干預(yù)，通過遠程點火裝置進行提前點火，點火位置位于靠近尾部的燃燒室內(nèi)（TC5 附近）。從監(jiān)測點的溫度分布上看，靠近殼體的推進劑溫度更高，與實驗1 中前1 768 min 的數(shù)據(jù)基本一致，從溫度分布和變化趨勢上來看此時推進劑尚未發(fā)生明顯的分解。

實驗1 反應(yīng)后現(xiàn)場破壞情況如圖8 所示，反應(yīng)后無殘留推進劑，未找到殼體碎片和見證板碎片，烤燃箱體嚴(yán)重破壞，原地只留下少量變形嚴(yán)重金屬殘片，判斷這些殘片屬于固定工裝及烤燃箱，在距離烤燃箱30～100 m 的區(qū)域找到了少量破壞嚴(yán)重的烤燃箱體碎片。圖9 為反應(yīng)后壓力傳感器收集到的壓力數(shù)據(jù)，測到有效數(shù)據(jù)17 個，9、11 及19 傳感器損壞未測到有效數(shù)據(jù)。從壓力曲線上可以看出，形成了典型的超壓曲線，說明發(fā)生了爆炸及以上反應(yīng)，對相同距離處的沖擊波超壓峰值求平均值，通過薩道夫斯基經(jīng)驗公式對TNT 當(dāng)量進行計算，TNT 當(dāng)量為10.35 kg，發(fā)生劇烈爆炸。

圖10 為實驗2 反應(yīng)后現(xiàn)場破壞情況：烤燃件殼體兩端沖開，側(cè)壁完整無明顯變形，烤燃箱兩端燒穿，主體完整；未測到有效沖擊波超壓，最終反應(yīng)等級判定為燃燒。對比兩發(fā)實驗，除點火溫度不同外，其他條件相同，而實驗2 反應(yīng)劇烈程度遠低于實驗1。這說明，在較低的溫度下通過主動控制提前點火可以有效地緩解反應(yīng)劇烈程度。

3.2 數(shù)值計算結(jié)果

根據(jù)實驗條件建立數(shù)值模型，對烤燃過程進行數(shù)值模擬，圖11 所示為實驗1 中監(jiān)測點5溫度監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)果的對比，可以看出計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，數(shù)值計算能較好地再現(xiàn)烤燃件的慢速烤燃過程。

為分析主控點火溫度影響反應(yīng)劇烈程度的原因，首先對點火前的推進劑內(nèi)部的溫度分布進行計算。圖12 所示為烤燃件在實驗條件下進行慢速烤燃時的溫度變化云圖。圖12（a）為烤燃1 min 時的溫度分布，開始加熱后熱量從殼體表面向推進劑內(nèi)部傳遞。圖12（b）對應(yīng)實驗2 中點火時刻，可以看出，在實驗2 中開始點火時，溫度最高區(qū)域位于殼體。這說明，此時推進劑未發(fā)生明顯的分解，溫度分布因從外部加熱而呈現(xiàn)由外向內(nèi)遞減的趨勢。繼續(xù)加熱，當(dāng)靠近殼體表面的推進劑達到分解溫度時，部分組分發(fā)生分解放出熱量，高溫區(qū)域逐漸由殼體轉(zhuǎn)移到該部分推進劑，但是由于溫度不是很高，分解速率較慢，放熱不多，不足以引發(fā)熱點積累導(dǎo)致整體點火。推進劑的整體溫度在外部加熱和推進劑緩慢分解的影響下逐漸升高，溫度最高區(qū)域從殼體逐漸向裝藥內(nèi)部轉(zhuǎn)移，最終在監(jiān)測點5 附近發(fā)生點火，如圖12（c）所示，與實驗測試得到的溫度數(shù)據(jù)吻合。可以看出，在發(fā)生點火前，推進劑溫度在175 ℃以上，高溫區(qū)域甚至在210 ℃以上，遠高于殼體溫度164 ℃。這說明，推進劑整體均發(fā)生了明顯的分解，尤其是高溫區(qū)域分解更為明顯。

3.3 結(jié)果分析與討論

對比實驗1 和實驗2 的結(jié)果，可以看出：實驗1 的點火是由于在加熱過程中推進劑發(fā)生熱分解，放出熱量，隨著溫度的升高，分解速率加快，釋放熱量增加，最終熱量的積累導(dǎo)致了推進劑的整體反應(yīng)；而實驗2 在120 ℃時通過遠程點火裝置進行人為干預(yù)點火，此時推進劑本身尚未發(fā)生明顯的分解。實驗1 發(fā)生劇烈爆炸，而實驗2 發(fā)生燃燒反應(yīng)，這說明通過主動控制提前點火可以有效緩解發(fā)動機慢速烤燃響應(yīng)的劇烈程度。影響因素中，溫度越高，推進劑的燃燒速度越快[19]；當(dāng)點火溫度較高時，推進劑中組分的分解導(dǎo)致的細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷對燃燒過程的影響。

為了分析在自熱點火前推進劑的熱分解過程，制備了相同配方的推進劑藥片，按照1 ℃/min 的升溫速率，采用如圖13 所示的加熱裝置進行加熱，并監(jiān)測加熱過程中推進劑藥片的質(zhì)量變化和形貌變化，推進劑初始質(zhì)量為3.85 g。推進劑的質(zhì)量和外觀形貌變化如圖14 所示，在80 min 前，推進劑的質(zhì)量變化很小，繼續(xù)加熱，推進劑開始分解失重（由于控溫?zé)犭娕荚谘趸X片下方，測量溫度為環(huán)境溫度，熱電偶采集溫度低于推進劑表面實際溫度），且隨著溫度的升高，質(zhì)量損失速率加快，在發(fā)生點火前失重16.1%。推進劑在加熱過程中顏色也有所加深，當(dāng)加熱到接近160 min 時，推進劑從溫度較高的四周開始發(fā)生明顯分解，粘結(jié)劑體系的分解導(dǎo)致推進劑顏色變成白灰色，繼續(xù)加熱，整塊推進劑都因粘結(jié)劑分解而變成白色，并在邊緣形成了較大的裂紋，隨后發(fā)生燃燒。

進一步分析由于推進劑組分分解導(dǎo)致的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，重復(fù)上述實驗，為保證樣品加熱環(huán)境相同，在同一氧化鋁片上放置了多塊推進劑藥塊，待加熱到80、160 min 時在高溫條件下分別取出一塊樣品，待臨近點火前停止加熱，獲得臨界點火狀態(tài)的推進劑樣品。待樣品冷卻后，通過SEM 分析加熱導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷，如圖15 所示。從圖15 中可以看出：在80 min 以前沒有明顯的變化；但是加熱到160 min 時，粘結(jié)劑發(fā)生了明顯分解，同時AP 表面可以觀察到少量分解導(dǎo)致的孔隙結(jié)構(gòu)；當(dāng)臨近點火前，粘結(jié)劑分解嚴(yán)重，AP 及鋁粉已經(jīng)幾乎完全裸漏出來，同時AP 也發(fā)生了明顯的分解，在表面可以觀察到大量孔狀結(jié)構(gòu)。在緩慢加熱條件下推進劑中粘結(jié)劑及AP 的分解導(dǎo)致推進劑裝藥的細(xì)觀結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，這在點火后可能造成燃面增大，燃燒加速，導(dǎo)致劇烈的反應(yīng)。

為分析提前點火溫度對慢速烤燃響應(yīng)特性的影響，先分析烤燃件慢速烤燃點火前推進劑高溫區(qū)域分布特征。為避免推進劑中粘結(jié)劑及AP 發(fā)生明顯分解進而導(dǎo)致點火后的反應(yīng)烈度增大，計算大于150 ℃時的推進劑區(qū)域隨主控點火溫度的變化，如圖16 所示，為主控點火溫度為120、130 、140、150、160 和164 ℃時的高溫區(qū)域推進劑分布情況。

從圖16 中可以看出，在120 和130 ℃點火時，推進劑內(nèi)部溫度沒有達到150 ℃以上的區(qū)域；當(dāng)點火溫度達到140 ℃時，靠近噴管附近的少量推進劑溫度已經(jīng)達到了150 ℃以上，說明此時推進劑已經(jīng)發(fā)生了部分分解并形成了熱量積累，導(dǎo)致推進劑內(nèi)部溫度高于殼體表面溫度。當(dāng)點火溫度達到150 ℃時，已經(jīng)有較高比例的推進劑溫度高于150 ℃，當(dāng)點火溫度達到160 ℃或自然點火時，全部推進劑溫度都在150 ℃以上。

通過圖像處理，進一步分析高于150 ℃的推進劑占總推進劑的比例。根據(jù)文獻[20]中的方法，采用ImageJ 軟件和Matlab 軟件，計算不同溫度下高溫推進劑的占比，結(jié)果如圖17 所示，圖中橫坐標(biāo)為殼體溫度，縱坐標(biāo)為對應(yīng)時刻150 ℃以上推進劑占總推進劑的質(zhì)量比。從圖中可以看出，當(dāng)殼體溫度高于138 ℃時，出現(xiàn)超過150 ℃的推進劑占總推進劑的質(zhì)量比出現(xiàn)快速增加，當(dāng)殼體溫度達到156 ℃時，全部的推進劑都達到150 ℃以上。因此，針對該烤燃件的慢速烤燃，可以認(rèn)為在138 ℃以下提前點火，可以避免推進劑中AP 發(fā)生分解，以達到降低點火后的燃燒演化速率及反應(yīng)烈度的目的。

4 結(jié) 論

針對點火溫度對復(fù)合推進劑裝藥在慢速烤燃條件下的影響，開展了實驗和數(shù)值計算研究，并對影響機制開展了分析，得到如下結(jié)論。

(1)針對復(fù)合推進劑的慢速烤燃，點火溫度會對反應(yīng)劇烈程度造成較大的影響，點火溫度越低響應(yīng)劇烈程度越低。以本文中研究的典型復(fù)合推進劑為例，在164 ℃發(fā)生點火時發(fā)生劇烈爆炸，在120 ℃點火時，發(fā)生燃燒反應(yīng)，在推進劑達到分解溫度之前提前點火，可以有效降低慢速烤燃響應(yīng)等級。

(2) 針對推進劑緩慢加熱條件下的分解過程研究發(fā)現(xiàn)，推進劑在緩慢加熱過程中粘結(jié)劑組分和AP 會發(fā)生明顯分解，產(chǎn)生裂紋和孔隙。數(shù)值計算結(jié)果表明，當(dāng)殼體溫度大于138 ℃，出現(xiàn)超過150 ℃的推進劑，隨著殼體溫度的升高，高溫推進劑的占比快速提升，當(dāng)殼體溫度達到156 ℃時，全部推進劑都達到150 ℃以上，考慮到AP 分解導(dǎo)致的孔隙結(jié)構(gòu)對反應(yīng)劇烈程度的影響，提前點火溫度的設(shè)定應(yīng)低于138 ℃。

(3)為了避免在慢速烤燃過程中推進劑中AP 發(fā)生分解產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)進而導(dǎo)致點火后反應(yīng)劇烈，通過一定的措施提前點火，降低點火時推進劑的溫度，可以有效降低反應(yīng)劇烈程度，技術(shù)上可行，降低反應(yīng)烈度效果明顯。