高濕環(huán)境裝藥對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響分析

杜振賓

(海軍裝備部， 西安　710025)

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高濕環(huán)境裝藥對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響分析

杜振賓

(海軍裝備部， 西安710025)

相比普通固體推進(jìn)劑,高燃速推進(jìn)劑具有燃速高、能在短時(shí)間內(nèi)提供大推力的特點(diǎn),近年來被廣泛應(yīng)用于各類型固體發(fā)動(dòng)機(jī)。針對(duì)某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用細(xì)氧化劑含量較高的高燃速推進(jìn)劑在高濕環(huán)境進(jìn)行裝藥的可行性,通過不同濕度環(huán)境和貯存條件的細(xì)氧化劑對(duì)燃速影響的測試和發(fā)動(dòng)機(jī)在三種不同燃速條件下的試車,得出高濕環(huán)境裝藥對(duì)該推進(jìn)劑燃速有較大影響,會(huì)使燃速偏低,從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)彈道性能產(chǎn)生影響。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī);高燃速;內(nèi)彈道性能

0　引　　言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、 可靠性高、 免維護(hù)等特點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于助推發(fā)動(dòng)機(jī)、 姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)以及導(dǎo)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)中。隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能要求的不斷提高， 越來越多的發(fā)動(dòng)機(jī)開始采用高燃速推進(jìn)劑。高燃速推進(jìn)劑配方中含有大量的燃速催化劑和細(xì)氧化劑(AP)， 生產(chǎn)過程中的燃速波動(dòng)控制是高燃速推進(jìn)劑生產(chǎn)中的難題。

研究發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)彈道性能一般采用試驗(yàn)法和數(shù)值仿真法[1-5]， 本文使用試驗(yàn)法研究某型發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑燃速與內(nèi)彈道性能的關(guān)系。通過燃速測試研究某型高燃速推進(jìn)劑(配方中細(xì)AP含量≥20%)在不同環(huán)境條件下貯存對(duì)其燃速的影響， 分析不同燃速推進(jìn)劑裝藥的發(fā)動(dòng)機(jī)試車得到的內(nèi)彈道性能， 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在高濕環(huán)境(濕度≥13 g水/kg干空氣)裝藥的可行性進(jìn)行了分析， 所得結(jié)果可為該發(fā)動(dòng)機(jī)高濕環(huán)境裝藥提供參考。

1　高燃速推進(jìn)劑燃速測試

1.1不同環(huán)境條件下細(xì)AP貯存對(duì)燃速的影響

1.1.1貯存24 h內(nèi)對(duì)燃速的影響

不同濕度條件下粉碎細(xì)AP， 分別放置在真空(真空罐壓力為3～6 kPa)、 高溫烘料(烘房溫度為60±10 ℃)、 干燥桶(密封塑料桶內(nèi)放置干燥劑)貯存， 貯存時(shí)間≤24 h， 選取該高燃速推進(jìn)劑配方， 相同條件下重復(fù)兩鍋裝藥， 結(jié)果如表1所示。表中鍋間差為參數(shù)、 材料相同時(shí)第一鍋燃速與第二鍋燃速的差值。

表1　粉碎細(xì)AP貯存24 h內(nèi)燃速的差異

由表1可以看出， 高濕環(huán)境相比低濕度條件貯存24 h內(nèi)鍋間差更大。 高溫烘料貯存方法的燃速鍋間差小于真空貯存和干燥桶貯存；細(xì)AP粉碎后在真空和高溫烘料貯存24 h內(nèi)第一鍋燃速值接近， 但重復(fù)的第二鍋燃速差異大， 得出細(xì)AP離開貯存環(huán)境后其狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。 從燃速數(shù)據(jù)分析， 真空和高溫貯存的細(xì)AP狀態(tài)相對(duì)于干燥桶比較穩(wěn)定， 細(xì)AP在高濕環(huán)境高溫烘料的貯存方法有利于保持細(xì)AP狀態(tài)。

1.1.2高濕環(huán)境貯存11 d和16 d后的燃速

高濕環(huán)境細(xì)AP在不同條件下貯存11 d 和16 d后的兩鍋推進(jìn)劑燃速如表2所示。比較高溫烘料和真空貯存不同時(shí)間燃速的差值， 高溫烘料貯存比真空貯存條件燃速波動(dòng)小，證明高濕環(huán)境貯存16 d時(shí)高溫烘料較好地保持了細(xì)AP狀態(tài)。從表1～2真空貯存下燃速可以看出， 真空貯存重復(fù)裝藥的第二鍋燃速基本比第一鍋燃速低， 高溫烘料的燃速變化不大。

表2　貯存11 d和16 d的燃速波動(dòng)

1.1.3高濕環(huán)境貯存25 d和30 d后的燃速波動(dòng)

高濕環(huán)境細(xì)AP在不同條件下貯存25 d和30 d后的兩鍋推進(jìn)劑燃速如表3所示?？梢缘贸觯?與貯存1 d相比， 貯存25 d和30 d后， 各貯存條件燃速均有明顯降低， 其中高溫烘料燃速降低最小， 自然貯存燃速降低最大。結(jié)果表明， 貯存25 d后， 各貯存條件均不能較好保持細(xì)AP狀態(tài)。

表3　貯存25 d和30 d的燃速波動(dòng)

1.1.4低濕度下貯存對(duì)燃速影響情況

畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素的殘留及危害……………………………………………………………………… 于曉雯，索全義（83）

低濕度(約2～3 g水/kg干空氣)下， 細(xì)AP在不同條件下貯存不同時(shí)間對(duì)燃速的影響如表4所示。結(jié)果顯示， 兩種貯存方式燃速差異不大， 燃速波動(dòng)相近， 高溫烘料貯存方式的推進(jìn)劑燃速高， 表明高溫烘料能較好保持細(xì)AP的狀態(tài)以使推進(jìn)劑保持較高燃速。

表4　低濕度下不同條件下貯存的燃速情況

1.1.5中低濕度下高溫烘料貯存對(duì)燃速影響情況

中低濕度(約4～8 g水/kg干空氣)下， 根據(jù)在高濕度和低濕度條件下的研究結(jié)果， 進(jìn)行了高溫烘料貯存的兩批細(xì)AP燃速隨時(shí)間變化大小的測試， 結(jié)果見表5。兩批細(xì)AP在高溫烘料貯存60 d內(nèi)燃速波動(dòng)約為±1.2 mm/s， 燃速變化不大。

表5　中低濕度下高溫烘料貯存不同時(shí)間的燃速情況

1.2細(xì)AP處理環(huán)境對(duì)燃速的影響

全尺寸推進(jìn)劑裝藥與配方調(diào)試時(shí)的細(xì)AP處理環(huán)境濕度與暴露時(shí)間不同。 配方調(diào)試時(shí)， 因細(xì)AP用量小， 可在有環(huán)境控制條件的工位(濕度≤13 g水/kg干空氣)進(jìn)行過篩和稱量， 細(xì)AP暴露時(shí)間最多5 min； 尺寸裝藥時(shí)， 細(xì)AP用量大， 過篩、 稱量、 加料等工序的設(shè)備和廠房等條件不同， 約有30 min處于濕度不受控制的環(huán)境中， 因此全尺寸裝藥時(shí)細(xì)AP容易受外界環(huán)境影響。

模仿全尺寸裝藥的處理環(huán)境進(jìn)行細(xì)AP暴露不同濕度、 不同時(shí)間的影響測試， 如表6所示。由表6可知， 同樣的材料和裝藥工藝， 僅僅因細(xì)AP處理的環(huán)境不同， 可造成約3 mm/s的燃速差異， 再加上混合、 澆注等工藝的影響， 全尺寸裝藥燃速與配方調(diào)試的預(yù)期結(jié)果相比， 會(huì)產(chǎn)生較大差異。與中低濕度環(huán)境相比， 高濕環(huán)境對(duì)全尺寸裝藥燃速影響最大。

表6　細(xì)AP處理環(huán)境對(duì)燃速的影響

1.3燃速與內(nèi)彈道性能的關(guān)系

已知某高燃速推進(jìn)劑的三種不同燃速， 通過地面試車得到該發(fā)動(dòng)機(jī)在不同燃速下的內(nèi)彈道曲線， 如圖1所示。其中： 燃速1為48.25 mm/s； 燃速2為43.08 mm/s； 燃速3為37.55 mm/s。

由圖1可以看出， 該發(fā)動(dòng)機(jī)在推進(jìn)劑不同燃速下的內(nèi)彈道性能差別較大。隨著燃速的降低， 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)出現(xiàn)最大壓強(qiáng)峰的時(shí)間滯后， 工作壓強(qiáng)降低， 工作時(shí)間增加。燃速越低， 發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)彈道性能越差。

圖1推進(jìn)劑不同燃速下發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道曲線

2　測試結(jié)果分析與討論

細(xì)AP在貯存過程中實(shí)際上處于軟團(tuán)聚狀態(tài)[6]， 貯存環(huán)境和時(shí)間的不同會(huì)對(duì)其狀態(tài)產(chǎn)生影響。 細(xì)AP的直徑、 表面平均直徑變化均會(huì)對(duì)燃速產(chǎn)生較大影響，表面平均直徑越大， 燃速越低[7]。不同的團(tuán)聚狀態(tài)造成混合后細(xì)AP在推進(jìn)劑藥漿中的分散狀態(tài)不同， 分散均勻， 燃速高， 反之燃速變低。因此， 貯存的溫度和時(shí)間會(huì)影響其狀態(tài)， 高溫烘料下短時(shí)間貯存有利于保持細(xì)AP的狀態(tài)。這與國外的高溫保存細(xì)AP的方法一致。

從氧化劑結(jié)塊機(jī)理上分析， AP粉體的單個(gè)顆粒多為晶粒， 顆粒上有大量新生成的尖銳棱角， 兩棱或多棱相接觸時(shí)極易形成鹽橋， 并進(jìn)而形成團(tuán)聚和結(jié)塊。細(xì)AP結(jié)塊有著顆粒吸濕、 干燥、 結(jié)晶的循環(huán)過程， 在大顆粒之間產(chǎn)生新的晶體， 結(jié)晶體在大顆粒間起到架橋作用， 使顆粒結(jié)塊。高溫下進(jìn)行烘料貯存細(xì)AP時(shí)， 因環(huán)境水份含量小， 可減少顆粒吸濕現(xiàn)象。相反， 高濕環(huán)境下， 剛粉碎的細(xì)AP在幾小時(shí)內(nèi)就可發(fā)生軟團(tuán)聚， 使得粒度增大。同時(shí)， 高溫環(huán)境不利于顆粒結(jié)晶放熱過程。 因此， 理論上高溫貯存可以防止初始鹽橋的形成， 從而起到防結(jié)塊的效果。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)在推進(jìn)劑不同燃速下試車得出的內(nèi)彈道曲線， 可知燃速降低對(duì)內(nèi)彈道的性能影響比較顯著。對(duì)高燃速推進(jìn)劑來說， 其燃速隨環(huán)境不同容易產(chǎn)生較大波動(dòng)， 尤其是高濕環(huán)境對(duì)細(xì)AP的狀態(tài)影響很大， 各種儲(chǔ)存條件均不能很好保持細(xì)AP狀態(tài)， 會(huì)使燃速降低較顯著。在高濕環(huán)境裝藥時(shí)， 細(xì)AP在環(huán)境中暴露對(duì)燃速也有較大影響。由此可以得出該發(fā)動(dòng)機(jī)在高濕環(huán)境裝藥會(huì)使推進(jìn)劑燃速明顯降低， 將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)導(dǎo)彈性能產(chǎn)生較大影響。

3　結(jié)　　論

通過對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)高燃速推進(jìn)劑進(jìn)行的一系列燃速測試和發(fā)動(dòng)機(jī)在推進(jìn)劑三種不同燃速下的試車， 得出如下結(jié)論：

(1) 高燃速推進(jìn)劑燃速受環(huán)境濕度影響較大， 在高濕環(huán)境下各種貯存條件均不能保持推進(jìn)劑中細(xì)AP狀態(tài)， 隨著貯存時(shí)間的增加， 燃速會(huì)有明顯降低；

(2) 高溫烘料貯存條件保存細(xì)AP貯存狀態(tài)比真空、 干燥容器、 自然貯存等條件好， 其貯存細(xì)AP裝藥燃速的波動(dòng)小于其他貯存方法；

(3) 燃速對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能影響較大， 隨著燃速的降低， 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)出現(xiàn)最大壓強(qiáng)峰的時(shí)間滯后， 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間增加， 內(nèi)彈道性能下降；

(4) 高濕環(huán)境裝藥會(huì)使高燃速推進(jìn)劑燃速明顯下降， 這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能降低， 因此采用高燃速推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)避開高濕環(huán)境裝藥。

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Analysis of the Effect of High Humidity Environment Charge on the Performance of Certain Solid Rocket Motor

Du Zhenbin

(Equipment Department of the Navy， Xi’an 710025， China)

Compared with ordinary solid propellant, high burning rate propellant can provide a large thrust in a short time, which has been used in various types of solid motors in recent years. For analyzing the feasibility of high humidity environment charge for a certain solid rocket motor using high burning rate propellant with high content of fine oxidant, the effects of fine oxidant in different humidity and storage conditions on burning rate are tested, and the motor is tested under three different burning rate conditions. The test results show that high humidity environment charge has great impact on the burning rate of used propellant, which will lead to low burning rate and influence the interior ballistic performance of motor.

solid rocket motor； high burning rate； interior ballistic performance

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.005

2015-11-07

杜振賓(1987-)， 男， 湖北天門人， 碩士， 助理工程師， 研究方向?yàn)楹娇沼詈娇茖W(xué)與技術(shù)。

V435

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1673-5048(2016)03-0022-04