降速劑及其作用位點(diǎn)對(duì)丁羥四組元推進(jìn)劑燃燒性能的影響規(guī)律

許睿軒,張皓瑞,薛智華,史良偉,呂 龍,嚴(yán)啟龍

(1.西北工業(yè)大學(xué) 固體推進(jìn)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710072;2.中國(guó)科學(xué)院 上海有機(jī)化學(xué)研究所,上海 200032)

引 言

固體推進(jìn)劑是導(dǎo)彈、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的能量來(lái)源,其穩(wěn)定燃燒過(guò)程和可控能量釋放至關(guān)重要。不穩(wěn)定燃燒是由燃燒室內(nèi)聲波和不穩(wěn)定能量釋放耦合作用的結(jié)果[1],可能形成壓力振蕩使燃燒室產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞,甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸等事故的發(fā)生[2-3]。因此,作為發(fā)動(dòng)機(jī)的能量來(lái)源和誘發(fā)不穩(wěn)定燃燒的內(nèi)因,固體推進(jìn)劑的穩(wěn)定燃燒過(guò)程及低燃速壓強(qiáng)指數(shù)的實(shí)現(xiàn),是研究人員不懈追求的目標(biāo)之一。

抑制推進(jìn)劑不穩(wěn)定燃燒的途徑主要有添加燃燒穩(wěn)定劑[4-7]、改變推進(jìn)劑組分粒度級(jí)配、降低燃速對(duì)溫度的依賴性等[8-9]。例如,固有頻率為800Hz、壓強(qiáng)為5MPa時(shí),僅加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的ZrO2便可消除RDX-CMDB推進(jìn)劑的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象[5]。ZrO2還可用于降低雙基固體推進(jìn)劑的燃速[6],加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、粒徑為61.7μm的ZrO2,可使雙基推進(jìn)劑在7.0～11.5MPa下的燃速壓強(qiáng)指數(shù)由空白配方的0.21降至0.12,且當(dāng)ZrO2粒徑減至2.07μm時(shí),燃速壓強(qiáng)指數(shù)進(jìn)一步降至0.07,拓寬了雙基推進(jìn)劑的“平臺(tái)”燃燒區(qū)域。

除了使用燃燒穩(wěn)定劑外,還可通過(guò)添加降速劑來(lái)獲得低燃速推進(jìn)劑的同時(shí)獲得低壓強(qiáng)指數(shù)[10]。不同降速劑含量和氧化劑含量對(duì)NEPE推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)的影響研究結(jié)果表明[11],隨著降速劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增至2.5%,NEPE推進(jìn)劑的燃速在6～25MPa范圍內(nèi)均逐漸減小;當(dāng)降速劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),在6～15MPa壓強(qiáng)范圍內(nèi),推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)可從0.59降至0.28,且有利于推進(jìn)劑更穩(wěn)定燃燒。此外,研究表明,在硝化棉/三羥甲基乙烷三硝酸酯(NC/TMETN)改性雙基推進(jìn)劑中加入鈍感炸藥FOX-7也可降低其燃速[12],當(dāng)FOX-7的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從25%增至35%時(shí),推進(jìn)劑的燃速?gòu)?0.04mm/s降至17.08mm/s(16MPa);對(duì)比空白配方(不含F(xiàn)OX-7),加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的FOX-7可將其6～8MPa下的壓強(qiáng)指數(shù)由0.82降至0.49。

除了采用降低推進(jìn)劑高壓燃速以降低壓強(qiáng)指數(shù)的方法,還可以利用鋁/氧化劑復(fù)合顆粒[13-16]來(lái)改善丁羥四組元推進(jìn)劑的燃燒性能,并在不采用催化劑條件下大幅降低壓強(qiáng)指數(shù)。該方法以生物黏性分子(常為聚多巴胺PDA)為界面層,獲得致密的石榴型核殼鋁基復(fù)合顆粒,以補(bǔ)償推進(jìn)劑在低壓下因氣相區(qū)域?qū)滔酂岱答伈怀浞侄鴮?dǎo)致的低燃速現(xiàn)象,使推進(jìn)劑在低壓段燃速明顯提高,從而降低燃速壓強(qiáng)指數(shù)。例如,含Al@RDX復(fù)合顆粒的丁羥四組元復(fù)合推進(jìn)劑[13],其1～4MPa范圍內(nèi)的壓強(qiáng)指數(shù)可降至0.024,實(shí)現(xiàn)“平臺(tái)”燃燒;推進(jìn)劑火焰溫度提高了500℃,且推進(jìn)劑燃燒過(guò)程的鋁粉團(tuán)聚現(xiàn)象得到極大改善,凝聚相燃燒產(chǎn)物粒徑減小50%以上。

因此,為探究降速劑和鋁基復(fù)合顆粒共同作用下對(duì)HTPB/AP/Al/HMX復(fù)合推進(jìn)劑燃燒性能的影響,選擇季銨鹽(降速劑A)和金剛烷衍生物(降速劑B)為降速劑,將其引入不同結(jié)構(gòu)的Al@HMX和AP@Al復(fù)合顆粒,制備了4種含降速劑的鋁基復(fù)合顆粒(Al@HMX/A,Al@HMX/B,AP@Al/A和AP@Al/B),并將其應(yīng)用于丁羥四組元推進(jìn)劑,對(duì)推進(jìn)劑的密度、爆熱、點(diǎn)火延遲、燃燒波結(jié)構(gòu)、燃速及壓強(qiáng)指數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)備

球形鋁粉(FLQT5),鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司;多巴胺鹽酸鹽(DOPA-HCl,98%),Sigma-Aldrich公司;三羥甲基氨基甲烷(Tris,99%),Sigma-Aldrich公司;端羥基聚丁二烯(HTPB,III型),黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司;癸二酸二辛酯(DOS,95%)和異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI,99%),Aladdin公司;二甲基亞砜(DMSO,AR)和去離子水,天津市富宇精細(xì)化工有限公司;AP(III類)和HMX(2類),西安近代化學(xué)研究所;BM52(降速劑A,新型高氯酸根季銨鹽)和BPE-1735(降速劑B,金剛烷衍生物)降速劑由中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所提供(結(jié)構(gòu)通式如圖1所示)。

圖1 季銨鹽和金剛烷衍生物結(jié)構(gòu)通式Fig.1 General formula of quaternary ammonium salts and adamantane derivative

噴霧干燥機(jī)(YC-015),上海雅程儀器設(shè)備有限公司;聲共振儀(Ramixers G500),沃德藍(lán)博科技(深圳)有限公司。

1.2 制備過(guò)程

四組元推進(jìn)劑基礎(chǔ)配方SP41為:47%AP+20%HMX+18%Al和15%黏結(jié)劑體系。實(shí)驗(yàn)組將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%AP替換為降速劑,即46%AP+20%HMX+18%Al+1%降速劑+15%黏結(jié)劑體系。具體組成為:將降速劑以機(jī)械混合方式加入(編號(hào)為SP42和SP43)、將Al和部分HMX替換為含降速劑Al@HMX復(fù)合顆粒(編號(hào)為SP44和SP45)、將部分Al和AP替換為含降速劑AP@Al復(fù)合顆粒(編號(hào)為SP46和SP47)。

具體制備過(guò)程見(jiàn)圖2。利用聚多巴胺(PDA)對(duì)鋁顆粒進(jìn)行表面包覆,一方面可以延緩Al顆粒氧化過(guò)程,另一方面可為Al和HMX、AP提供結(jié)合位點(diǎn),具體操作步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。采用噴霧干燥設(shè)備按文獻(xiàn)[16]的技術(shù)途徑制備得到含降速劑的鋁基復(fù)合顆粒。以Al@HMX為例,其形成過(guò)程主要包括以下兩個(gè)階段:(1)將HMX溶解于DMSO中,然后加入表面包覆的Al顆粒和降速劑,在攪拌作用下充分混勻得到前驅(qū)液;(2)利用蠕動(dòng)泵使前驅(qū)液進(jìn)入噴霧干燥設(shè)備,前驅(qū)液在噴嘴作用下霧化成小液滴,然后經(jīng)過(guò)高溫氣流作用液體揮發(fā),HMX在鋁顆粒周圍結(jié)晶,從而得到Al@HMX復(fù)合顆粒。含降速劑A復(fù)合顆粒命名為Al/A@HMX和AP@Al/A,含降速劑B復(fù)合顆粒命名為Al/B@HMX和AP@Al/B。

圖2 Al@PDA、Al@HMX及相應(yīng)推進(jìn)劑制備過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of preparation process of Al@PDA, Al@HMX composites and corresponding propellants

按照表1配方設(shè)計(jì),將各組分依次加入不銹鋼混合罐,利用聲共振技術(shù)[17-18]進(jìn)行混合得到推進(jìn)劑藥漿,在聚四氟乙烯模具中完成推進(jìn)劑的固化,脫模得到四組元丁羥推進(jìn)劑,將推進(jìn)劑切成藥條(5mm×5mm×40mm)以備后續(xù)性能測(cè)試。聲共振工藝參數(shù):共振頻率48.8Hz,強(qiáng)度30%,混合時(shí)間20min。固化條件:真空恒溫箱中70℃靜置5天。

表1 四組元推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)Table 1 Formulation design of four-component propellants

1.3 性能表征及測(cè)試

采用掃描電子顯微鏡(SEM,ZEISS EVO MA 10)表征所制備鋁基復(fù)合顆粒和推進(jìn)劑的橫截面形貌;

采用氧彈量熱儀(ZDHW-HN7000C)測(cè)試推進(jìn)劑爆熱,3MPa氬氣氛圍,每個(gè)樣品測(cè)量3次取平均值;

采用真密度儀(UltraPYC 5000 Micro, 安東帕康塔)測(cè)量推進(jìn)劑密度,連續(xù)測(cè)量5次取平均值;

采用CO2激光點(diǎn)火裝置[16]測(cè)試推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間;

采用高速紅外相機(jī)拍攝推進(jìn)劑燃燒過(guò)程火焰紅外照片;

采用高速相機(jī)(Phantom M340)拍攝推進(jìn)劑藥條在1MPa氬氣氛圍下的燃燒波結(jié)構(gòu);

根據(jù)GJB 770B-2005《火藥試驗(yàn)方法》方法706.2水下聲發(fā)射法測(cè)定推進(jìn)劑在1～20MPa下的燃速,每個(gè)樣品測(cè)3次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁基復(fù)合顆粒形貌

圖3給出了所制備兩種鋁基復(fù)合顆粒的SEM圖及表面EDS元素分析結(jié)果。由圖3(a)可知,通過(guò)噴霧干燥技術(shù)制備得到的Al@HMX復(fù)合顆粒為球形,結(jié)構(gòu)緊密,表面無(wú)明顯晶體缺陷;從EDS結(jié)果可以看出,復(fù)合顆粒表面N元素來(lái)自于HMX,且Al顆粒被包覆在內(nèi)。由圖3(b)可以看出,AP@Al復(fù)合顆粒因Al顆粒嵌入而形成的粗糙表面,其元素分析結(jié)果證實(shí)了AP表面Al顆粒的存在。需要指出的是,兩種鋁基復(fù)合顆粒中Al顆粒的位置存在差異,Al@HMX是以HMX為殼、Al為核形成的“石榴型”復(fù)合顆粒;而AP@Al表面為Al顆粒、內(nèi)部為純AP核。因此Al@HMX復(fù)合顆粒中Al顆粒存在于HMX內(nèi)部,而AP@Al復(fù)合顆粒中Al存在于AP表面。

圖3 鋁基復(fù)合顆粒形貌及其表面元素分析結(jié)果Fig.3 SEM images and EDS results of Al-based composites

2.2 四組元推進(jìn)劑橫截面結(jié)構(gòu)

將制備得到的四組元推進(jìn)劑藥條沿橫截面切開(kāi),其形貌(以含降速劑A樣品為例)和表面元素分布結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 含降速劑A的四組元推進(jìn)劑橫截面形貌及元素分布Fig.4 The cross-section images and element distribution of propellants containing burning rate inhibitor A

由圖4可以看出,推進(jìn)劑組分間分布均勻,結(jié)合緊密,且無(wú)明顯孔隙。根據(jù)元素分布結(jié)果可以分析各組分的分布情況。由圖4(a)和(b)可知,Al顆粒和AP均勻分散在推進(jìn)劑基體中,元素分布情況與配方設(shè)計(jì)一致。當(dāng)加入Al@HMX復(fù)合顆粒時(shí),如圖4(c),Al元素分布呈現(xiàn)一定程度的聚集,即集中分布在Al@HMX顆粒內(nèi)部。圖4(d)可以看出,AP@Al復(fù)合顆粒的結(jié)構(gòu)得以保持,Al顆粒均勻分布在AP顆粒表面,且AP顆粒內(nèi)部無(wú)Al元素分布,進(jìn)一步證實(shí)了AP@Al復(fù)合顆粒的結(jié)構(gòu)。

2.3 推進(jìn)劑爆熱

利用密度儀和氧彈量熱儀對(duì)所制備推進(jìn)劑樣品進(jìn)行密度和爆熱測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 四組元推進(jìn)劑密度和爆熱測(cè)試結(jié)果Table 2 The density and heat of explosion results of four-component propellants

由表2可以看出,加入不同鋁基復(fù)合顆粒后并未對(duì)推進(jìn)劑密度產(chǎn)生顯著影響,說(shuō)明所制備鋁基復(fù)合顆粒只改變了不同組分的堆積方式,而并未改變其晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)比空白配方SP41可知,惰性降速劑的加入會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)劑爆熱小幅度降低;而當(dāng)引入Al@HMX復(fù)合顆粒后,相應(yīng)推進(jìn)劑爆熱分別增至5367和5339J/g,其中SP44比SP42增加了338J/g。當(dāng)降速劑作用位置在AP表面時(shí),其爆熱值比含Al@HMX推進(jìn)劑有所降低,說(shuō)明降速劑對(duì)AP分解的抑制作用明顯。

2.4 點(diǎn)火性能

采用CO2激光點(diǎn)火裝置對(duì)四組元推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行測(cè)試,以波長(zhǎng)486.3nm處的AlO特征信號(hào)為標(biāo)志,規(guī)定達(dá)到最大輻射強(qiáng)度10%處所需時(shí)間為樣品的點(diǎn)火延遲時(shí)間,其結(jié)果如圖5所示。可以看出,SP41空白配方推進(jìn)劑在點(diǎn)火成功后即達(dá)到最大輻射強(qiáng)度,隨后輻射強(qiáng)度逐漸降低。而對(duì)于含降速劑A(SP42、SP44、SP46)和降速劑B(SP43、SP45、SP47)的推進(jìn)劑樣品,在成功點(diǎn)火并維持一段低輻射強(qiáng)度的“平臺(tái)區(qū)”后才達(dá)到最大輻射強(qiáng)度值。AlO特征信號(hào)來(lái)源于Al和HMX、AP分解產(chǎn)物中O的結(jié)合,這一現(xiàn)象充分說(shuō)明了降速劑對(duì)HMX和AP分解的抑制作用。

圖5 推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間(AlO輻射特征信號(hào))Fig.5 The ignition delay time of involved propellants (signal of AlO radiation)

對(duì)比基礎(chǔ)配方SP41和SP42、SP43可以看出,加入降速劑后,雖然點(diǎn)火成功后達(dá)到最大輻射強(qiáng)度所需時(shí)間變長(zhǎng),但并未明顯影響推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間,均在166ms左右。對(duì)比SP42和SP44(或SP43和SP45),雖推進(jìn)劑配方包含等量的降速劑,但其作用位置極大影響了推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間,這與推進(jìn)劑所含顆粒種類直接相關(guān)。由于Al@HMX復(fù)合顆粒的高反應(yīng)活性[16,19-20],使得Al和HMX分解產(chǎn)物的反應(yīng)效率更高,因此極大縮短了推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間:SP44和SP45樣品的點(diǎn)火延遲時(shí)間分別比基礎(chǔ)配方縮短了41.6%和49.4%。當(dāng)降速劑作用位置在AP表面時(shí)(SP46和SP47),推進(jìn)劑點(diǎn)火過(guò)程的低輻射強(qiáng)度“平臺(tái)區(qū)”持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng),導(dǎo)致其點(diǎn)火延遲時(shí)間增加。季銨鹽衍生物表現(xiàn)出對(duì)AP分解更強(qiáng)的抑制作用,如SP46樣品的點(diǎn)火延遲時(shí)間增至396ms,相比基礎(chǔ)配方增加了138.6%。季銨鹽能夠通過(guò)產(chǎn)生NH3或阻礙AP表面HClO4形成而實(shí)現(xiàn)對(duì)AP分解的抑制作用[21],也可通過(guò)與AP表面形成氫鍵作用發(fā)生極性吸附而抑制其分解[22]。對(duì)于SP46樣品,季銨鹽直接作用于AP表面,能夠大大提高對(duì)AP分解的抑制效果,從而使相應(yīng)推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間顯著增加。

2.5 燃燒性能及降速劑影響規(guī)律

2.5.1 燃燒波結(jié)構(gòu)

利用高速相機(jī)拍攝四組元推進(jìn)劑藥條在1MPa氬氣氛圍下的燃燒過(guò)程,圖6展示了各個(gè)樣品在相同時(shí)間間隔內(nèi)的燃面退移序列照片?？梢钥闯?雖燃燒速度有所不同,但各個(gè)樣品均表現(xiàn)出穩(wěn)定的燃面線性退移過(guò)程,說(shuō)明了推進(jìn)劑組分分布的均勻性和燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性。

圖6 1MPa氬氣氛圍下推進(jìn)劑燃燒火焰結(jié)構(gòu)Fig.6 The combustion flame structure of propellants in Ar atmosphere under 1MPa

從圖6可以看到,不含降速劑的基礎(chǔ)配方SP41表現(xiàn)出劇烈的燃燒過(guò)程,且火焰較明亮。當(dāng)加入降速劑后(SP42～SP47),推進(jìn)劑燃燒火焰的明亮程度有所降低。對(duì)于含Al@HMX復(fù)合顆粒的樣品(SP44和SP45),由于Al@HMX所帶來(lái)的高反應(yīng)活性,其燃燒過(guò)程比SP42和SP43更劇烈。配方中降速劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)只占1%,因此其不同作用位置對(duì)燃燒過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在燃速上。

2.5.2 火焰輻射強(qiáng)度

利用高速紅外相機(jī)拍攝了四組元推進(jìn)劑燃燒火焰的紅外照片,結(jié)果如圖7所示。推進(jìn)劑燃燒過(guò)程均展現(xiàn)出線性燃面退移過(guò)程,說(shuō)明在一定壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速能夠穩(wěn)定維持,這與高速相機(jī)拍攝結(jié)果一致。推進(jìn)劑燃燒過(guò)程火焰溫度分布均展現(xiàn)出由燃面向外逐漸降低的趨勢(shì),表現(xiàn)為由燃面附近的紅色(代表最高溫度)逐漸向外延申為藍(lán)色(代表最低溫度)。根據(jù)紅外照片還可觀察到燃燒火焰周圍存在的小亮斑,此為鋁顆粒燃燒過(guò)程的熱量輻射。推進(jìn)劑不同的火焰結(jié)構(gòu)則反映出燃燒過(guò)程劇烈程度的差異。SP41、SP42和SP44樣品的火焰燃燒區(qū)域更分散,表明燃燒反應(yīng)比SP46更劇烈,而SP46燃燒區(qū)域分布更窄,說(shuō)明降速劑作用在AP表面時(shí)對(duì)推進(jìn)劑燃燒過(guò)程的抑制作用更明顯。

圖7 1MPa氬氣環(huán)境下含降速劑A推進(jìn)劑燃燒火焰的紅外照片F(xiàn)ig.7 Infrared images of the combustion flame of propellants containing inhibitor A in Ar under 1MPa

推進(jìn)劑(以含降速劑A推進(jìn)劑樣品為例)火焰輻射強(qiáng)度曲線如圖8所示。需要指出的是,火焰輻射強(qiáng)度測(cè)量是一種半定量方法,受測(cè)量距離、視窗參數(shù)等影響,在數(shù)值上無(wú)絕對(duì)意義。

從圖8可以看出,隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行,推進(jìn)劑燃面火焰輻射強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先急劇增強(qiáng)后逐漸變?nèi)醯内厔?shì)?；鹧孑椛鋸?qiáng)度峰值體現(xiàn)了燃面附近燃燒過(guò)程的劇烈程度。不含降速劑的空白配方SP41火焰輻射強(qiáng)度峰值為1931,加入降速劑后該值分別降至1835(SP42)和1885(SP43),說(shuō)明降速劑減弱了推進(jìn)劑燃燒反應(yīng)的劇烈程度。引入Al@HMX復(fù)合顆粒后,火焰輻射強(qiáng)度明顯增加,SP44和SP45樣品的火焰強(qiáng)度峰值分別達(dá)到2211和2215,說(shuō)明Al@HMX復(fù)合顆粒的引入增強(qiáng)了相應(yīng)推進(jìn)劑燃燒過(guò)程的火焰輻射強(qiáng)度。當(dāng)降速劑作用位點(diǎn)為AP表面時(shí),推進(jìn)劑燃燒過(guò)程被抑制,SP46和SP47火焰輻射強(qiáng)度分別降至2133和2079,但由于AP@Al復(fù)合顆粒的存在,其火焰輻射仍強(qiáng)于SP42和SP43。

圖8 推進(jìn)劑火焰輻射強(qiáng)度Fig.8 The flame radiation intensity of propellants

2.5.3 燃速及壓強(qiáng)指數(shù)

四組元推進(jìn)劑在1～20MPa下的燃速和平均壓強(qiáng)指數(shù)(基于Vielle燃速公式計(jì)算)如圖9所示。

圖9 1～20MPa下推進(jìn)劑燃速及壓強(qiáng)指數(shù)Fig.9 The burning rates and pressure exponents of propellants at the pressure range of 1—20MPa

四組元推進(jìn)劑燃速在1～20MPa范圍內(nèi)呈現(xiàn)出與壓強(qiáng)變化的正相關(guān)趨勢(shì)。對(duì)于基礎(chǔ)配方SP41,其燃速隨壓強(qiáng)逐漸增加,且當(dāng)壓強(qiáng)超過(guò)15MPa時(shí),推進(jìn)劑燃速發(fā)生“突增”,其20MPa下燃速可達(dá)18.3mm/s。當(dāng)加入降速劑后,推進(jìn)劑燃速下降明顯(SP41→SP42、SP43),且該下降過(guò)程同時(shí)發(fā)生在整個(gè)1～20MPa范圍內(nèi)。在所測(cè)5個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)下,降速劑A使推進(jìn)劑燃速下降了0.1～6.9mm/s,降速劑B使其下降了0.2～6.1mm/s,兩種降速劑均表現(xiàn)出優(yōu)異的降燃速效果。此外,加入降速劑也有利于降低壓強(qiáng)指數(shù),相應(yīng)推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)分別降至0.32和0.34。

當(dāng)降速劑作用位點(diǎn)在HMX內(nèi)時(shí)(SP44和SP45),推進(jìn)劑在1MPa下的燃速反而有所增加,這是Al@HMX復(fù)合顆粒帶來(lái)的高反應(yīng)活性所導(dǎo)致的。SP44在1MPa下燃速增加了0.7mm/s,而在20MPa下燃速降低了7.1mm/s,這種低壓燃速增加、高壓燃速降低的變化實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑燃燒過(guò)程的低壓強(qiáng)指數(shù),SP44和SP45的壓強(qiáng)指數(shù)由空白配方的0.46分別降至0.25和0.24。

當(dāng)降速劑作用位點(diǎn)為AP表面時(shí)(SP46和SP47),推進(jìn)劑在20MPa下燃速下降明顯,如降速劑A使推進(jìn)劑20MPa下的燃速降低了5.0mm/s,降速劑B使其降低了4.4mm/s。相比于空白配方SP41,SP46和SP47的燃速壓強(qiáng)指數(shù)分別降至0.34和0.35。

降速劑不同作用位置所帶來(lái)的推進(jìn)劑燃速差異反映了前者對(duì)HMX、AP分解抑制作用的強(qiáng)弱。以季銨鹽為例,當(dāng)其作用于AP表面時(shí),通過(guò)形成氫鍵作用抑制AP分解,從而降低推進(jìn)劑燃速[22],當(dāng)降速劑直接作用于AP表面時(shí),二者的緊密結(jié)合使降速劑能高效地阻礙AP的分解過(guò)程,從而顯著降低推進(jìn)劑燃速。而當(dāng)季銨鹽作用于HMX內(nèi)部時(shí),推進(jìn)劑高壓燃速降低明顯,說(shuō)明降速劑存在于HMX內(nèi)部能更有效地抑制HMX分解過(guò)程,實(shí)現(xiàn)降低推進(jìn)劑高壓燃速的效果。本研究所用兩種新型降速劑與HMX、AP之間的相互作用及分解抑制機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)典型季銨鹽和金剛烷衍生物兩種高效降速劑,制備了含降速劑核殼Al@HMX和AP@Al復(fù)合顆粒并將其應(yīng)用于四組元推進(jìn)劑,使降速劑分別作用于HMX晶體內(nèi)部和AP晶體表面;爆熱結(jié)果表明,惰性降速劑直接分散在丁羥基體中會(huì)降低推進(jìn)劑爆熱,而加入Al@HMX顆粒則能部分抵消這種影響,使相應(yīng)推進(jìn)劑爆熱值增加338J/g。

(2)點(diǎn)火測(cè)試結(jié)果表明,降速劑可抑制HMX、AP熱分解過(guò)程,使推進(jìn)劑點(diǎn)火后維持一段低輻射強(qiáng)度的“平臺(tái)段”;對(duì)于含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%降速劑的推進(jìn)劑樣品,Al@HMX的高反應(yīng)活性使相應(yīng)推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間分別縮短69ms和82ms,而降速劑精準(zhǔn)作用于AP晶體表面時(shí)使推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間延長(zhǎng)。

(3)燃燒性能研究表明,在1～20MPa范圍內(nèi)降速劑能顯著降低推進(jìn)劑燃速,當(dāng)季銨鹽作用在AP表面時(shí)可使推進(jìn)劑在20MPa時(shí)的燃速降低5.0mm/s;當(dāng)作用位點(diǎn)在HMX晶體內(nèi)部時(shí),由于HMX分解產(chǎn)物和Al之間的反應(yīng)得到增強(qiáng),推進(jìn)劑在1MPa下的燃速得到提高,同時(shí)高壓燃速降低,使推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)分別降至0.25和0.24。