KNSB推進(jìn)劑最佳配比研究

凌一洲

KNSB推進(jìn)劑是一種常用的固體火箭推進(jìn)劑，它由硝酸鉀（氧化劑）和山梨醇（可燃劑）組成。KNSB推進(jìn)劑較另外兩種硝糖推進(jìn)劑，壓強(qiáng)指數(shù)更小、可塑時(shí)間更長(zhǎng)、比沖更大，因而被廣泛使用。不同配比的KNSB推進(jìn)劑的燃燒性能也各不相同。

KNSB推進(jìn)劑較為常用的配方為65%硝酸鉀和35%山梨醇或60%硝酸鉀和40%山梨醇。但由于各種實(shí)際因素，KNSB的最佳配比需要根據(jù)實(shí)際情況而定。本文通過(guò)比較不同配比的KNSB推進(jìn)劑實(shí)際燃燒情況，來(lái)確定它在不同情況下的最佳配方。

一、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.KNSB推進(jìn)劑樣品的制備

實(shí)驗(yàn)需要的主要試劑為硝酸鉀、山梨醇，主要儀器為粉碎機(jī)、篩子、電子稱、燒杯、鐵架臺(tái)、酒精燈。KNSB推進(jìn)劑的配方如表1所示。

2.推進(jìn)劑的制作方法

（1）使用粉碎機(jī)將硝酸鉀粉碎，用篩子篩除較大的顆粒。除去粉碎后硝酸鉀中的水分。

（2）用電子稱按配方稱取一定質(zhì)量的硝酸鉀和山梨醇。

（3）將稱好的山梨醇倒入燒杯，置于鐵架臺(tái)，用酒精燈加熱至熔化。將稱好的硝酸鉀倒入熔融的山梨醇中，迅速攪拌均勻。

（4）將混合好的KNSB推進(jìn)劑壓入Φ20mm×1mm-L50mm的PVC管中，冷卻成型。制成的KNSB推進(jìn)劑藥柱為白色固體，需用變色硅膠干燥并密封保存。

二、燃燒測(cè)試

1.實(shí)驗(yàn)儀器

上海市中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心LW-6163 高溫傳感器、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)。

2.實(shí)驗(yàn)方法

將藥柱水平固定，高溫傳感器探針頂部緊靠著藥柱前段正中間，用兩臺(tái)攝像機(jī)分別拍攝推進(jìn)劑燃燒的火焰情況和藥柱燃燒進(jìn)程。用衛(wèi)生香點(diǎn)燃藥柱前端，推進(jìn)劑燃燒，計(jì)算機(jī)屏幕出現(xiàn)高溫傳感器“溫度-時(shí)間”曲線，通過(guò)曲線可得知最高溫度。

計(jì)算攝像機(jī)錄像中，從藥柱被點(diǎn)燃開(kāi)始，到藥柱后端開(kāi)始出現(xiàn)火星結(jié)束的時(shí)間，可得出藥柱的燃燒時(shí)間。用酸液清洗探針，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

三、結(jié)果與討論

1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

記錄高溫傳感器最高溫度和錄像中推進(jìn)劑的燃燒時(shí)間，并計(jì)算推進(jìn)劑線性燃速。通過(guò)觀察錄像可分析燃燒產(chǎn)物和發(fā)火難度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

2.對(duì)線性燃速的影響

不同配比的KNSB推進(jìn)劑常壓燃速不同，KNSB推進(jìn)劑配比與線性燃速的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可明顯看出，KNSB推進(jìn)劑配比對(duì)燃速的影響很大，當(dāng)硝酸鉀含量為67.5%時(shí)，線性燃速達(dá)到最大值。硝酸鉀含量為65%時(shí)的線性燃速略微超過(guò)含量為60%的情況，但差異不大。由此可見(jiàn)，能通過(guò)增加硝酸鉀含量來(lái)提高燃速。

3.對(duì)燃燒產(chǎn)物的影響

當(dāng)硝酸鉀含量小于62.5%時(shí)，KNSB推進(jìn)劑氧平衡值小于-28.1%。貧氧燃燒后殘?jiān)驶液谏?，含有大量的碳，說(shuō)明燃燒不充分。在這種情況下，生成氣體中一氧化碳含量增大，應(yīng)注意防護(hù)，避免吸入。

當(dāng)硝酸鉀含量為65%至67.5%時(shí)，KNSB推進(jìn)劑負(fù)氧平衡，氧平衡值為-14.3%至-10.5%，山梨醇完全燃燒，硝酸鉀也剛好用完。在這種情況下，KNSB推進(jìn)劑能產(chǎn)生最多的氣體。

當(dāng)硝酸鉀含量超過(guò)70%時(shí)，KNSB推進(jìn)劑氧平衡值大于-6.6%。推進(jìn)劑燃燒時(shí)，山梨醇完全燃燒，多余的硝酸鉀熔化后變?yōu)榇罅繗堅(jiān)?，不能產(chǎn)生推力，不利于KNSB推進(jìn)劑的燃燒。并且，殘?jiān)^(guò)多不方便清洗，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用。

4.對(duì)火焰溫度的影響

不同配比的KNSB推進(jìn)劑燃燒溫度不同。理論上，隨著硝酸鉀含量的增加，燃燒溫度也會(huì)隨之增加。但在實(shí)際情況中，過(guò)量的硝酸鉀受熱分解，變?yōu)闅堅(jiān)?，溫度不?huì)繼續(xù)上升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為，當(dāng)硝酸鉀含量為65%至67.5%時(shí)火焰溫度最高，接近1000℃。當(dāng)硝酸鉀含量為60%時(shí)，火焰溫度僅為600℃。

由此可見(jiàn)，KNSB燃燒溫度低于鋼熔化的溫度，但超過(guò)了鋁的熔點(diǎn)。鋁材質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)適合使用硝酸鉀含量為60%的推進(jìn)劑，否則就需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置隔熱層。鋼材質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)可選用硝酸鉀含量為65%至67.5%的推進(jìn)劑來(lái)提高比沖。

5.對(duì)其他因素的影響

隨著推進(jìn)劑配比改變，制作難度也有較大變化。由于KNSB的制作方法是將硝酸鉀加入到熔融的山梨醇中并攪拌均勻，硝酸鉀含量過(guò)多會(huì)造成可塑時(shí)間變短。正因?yàn)槿绱?，?dāng)硝酸鉀含量大于67.5%時(shí)，KNSB推進(jìn)劑的制作難度較大。

KNSB推進(jìn)劑的發(fā)火溫度高于300℃，常溫下較為穩(wěn)定，不會(huì)因撞擊、震蕩而引燃。KNSB推進(jìn)劑中，硝酸鉀含量為62.5%至70%時(shí)點(diǎn)火較容易。硝酸鉀或山梨醇含量過(guò)多都會(huì)造成推進(jìn)劑難以點(diǎn)燃。當(dāng)山梨醇含量過(guò)多時(shí)，衛(wèi)生香使部分山梨醇熔化后才能勉強(qiáng)點(diǎn)燃藥柱。

不同配比的KNSB推進(jìn)劑對(duì)隔熱要求也不同。實(shí)驗(yàn)中，硝酸鉀含量超過(guò)70%或小于57.5%時(shí)，由于燃速過(guò)慢，燃燒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，PVC管受到了嚴(yán)重的侵蝕，管體受損。硝酸鉀含量為67.5%時(shí)，由于火焰過(guò)于猛烈，PVC管也因此變形。當(dāng)硝酸鉀含量介于60%和65%之間時(shí)，KNSB推進(jìn)劑對(duì)隔熱層的要求最低。

綜上可得出結(jié)論：

（1）不同配比的KNSB推進(jìn)劑燃燒效果不同，需根據(jù)實(shí)際情況確定KNSB推進(jìn)劑的配方。

（2）在不受其他條件限制的情況下，KNSB推進(jìn)劑的最佳配方為67%硝酸鉀和33%山梨醇。用這一配方制成的KNSB推進(jìn)劑具有燃燒溫度高、線性燃速快、殘?jiān)可?、可塑時(shí)間長(zhǎng)、點(diǎn)火方便、對(duì)隔熱要求不高等特點(diǎn)。

（3）若采用鋁材質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，KNSB推進(jìn)劑適合的配方為60%硝酸鉀和40%山梨醇。（指導(dǎo)老師：王明立 常建強(qiáng)）