基于AP預(yù)處理技術(shù)的粉末推進(jìn)劑性能

武冠杰, 任全彬,2, 胡春波, 馬少杰, 劉林林

(1. 西北工業(yè)大學(xué)燃燒、流動和熱結(jié)構(gòu)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710072; 2. 中國航天科技集團(tuán)公司第四研究院, 陜西 西安 710025)

1 引 言

粉末火箭發(fā)動機(jī)作為一種新概念火箭發(fā)動機(jī)[1-2],其氧化劑和燃料均采用高能量密度的固體顆粒,分別儲存在各自的儲箱內(nèi),具有能量管理靈活、可多次啟動和關(guān)機(jī)、結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)射周期短等優(yōu)勢,可應(yīng)用于對精度和性能調(diào)節(jié)要求較高的動力裝置。

美國Bell航空公司的Loftus[3]對Al/高氯酸銨(AP)粉末火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火試車實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了粉末發(fā)動機(jī)的可行性,得到發(fā)動機(jī)比沖效率最高達(dá)到88%,但實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)低頻振蕩燃燒現(xiàn)象,最小振蕩幅度為±12%。西北工業(yè)大學(xué)的胡春波[4-5]等對Al/AP粉末發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火及燃燒流動特性開展了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)減小粉末粒徑和選用恰當(dāng)?shù)娜紵姨卣鏖L度,有利于提高Al/AP的燃燒效率和緩解燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)振蕩。但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),小粒徑粉末不利于流化輸運(yùn),對粉末火箭的推進(jìn)劑供給系統(tǒng)帶來了一定難度,同時(shí)超細(xì)AP長期儲存容易吸濕結(jié)團(tuán),影響粉末的使用性能。

本研究通過對AP粉末進(jìn)行包覆團(tuán)聚改善AP顆粒的表面特性,研究預(yù)處理AP的裝填密度、吸濕性、熱分解特性以及Al/AP的點(diǎn)火燃燒特性,為粉末火箭發(fā)動機(jī)的長期貯存和推進(jìn)劑使用性能的提高奠定基礎(chǔ)。

2 AP粉末預(yù)處理研究

2.1 預(yù)處理材料選擇

擬選用端羥基聚丁二烯(HTPB)、縮水甘油疊氮聚醚(GAP)和硝化棉(NC)三種材料對AP粉末進(jìn)行預(yù)處理[6-7],在保證長期儲存的前提下,使其能夠更好地滿足粉末推進(jìn)劑的性能要求,預(yù)處理材料與AP的質(zhì)量比為5%、10%和15%。通過理論計(jì)算,篩選出最優(yōu)預(yù)處理材料和最佳配比。

采用吉布斯最小自由能法[8],對Al/AP粉末發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。計(jì)算條件: 初始溫度為300 K,燃燒室工作壓強(qiáng)為3.44 MPa[3],噴管擴(kuò)張面積比Ae/At=70,燃料和氧化劑分別為Al和預(yù)處理AP。通過比較不同組分下的燃料能量特征參數(shù),篩選出符合要求的配方體系,計(jì)算得到不同預(yù)處理配方的理論比沖Is,如圖1所示。

由圖1可知,三種預(yù)處理材料對Al/AP粉末發(fā)動機(jī)的理論比沖均有一定提升作用,大小關(guān)系依次為HTPB>GAP>NC; 在HTPB含量10%且氧燃比O/F=3∶1時(shí),Al/AP粉末發(fā)動機(jī)的理論比沖最高達(dá)262.1 s,比未經(jīng)預(yù)處理(含量0%)的理論比沖提高了15.1 s,能量特性得到很大提升。

圖1Al/AP粉末發(fā)動機(jī)理論比沖與預(yù)處理材料用量的關(guān)系

Fig.1The relationship between Al/AP powder rocketIsand contents of pretreatment materials

因此,考慮到預(yù)處理材料的能量特性,選用HTPB對AP進(jìn)行預(yù)處理,但10%的HTPB含量只是由熱力計(jì)算獲得的最佳配比,而實(shí)驗(yàn)預(yù)處理的效果還與選用的添加劑及工藝流程等因素有關(guān),所以還需對HTPB預(yù)處理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 AP粉末的HTPB預(yù)處理實(shí)驗(yàn)

采用5%、10%和15%的HTPB對粒徑1 μm的超細(xì)AP進(jìn)行預(yù)處理實(shí)驗(yàn),考慮到超細(xì)AP的吸濕性,需要先對AP表面包覆再進(jìn)行團(tuán)聚處理。

將HTPB和甲苯二異氰酸酯(TDI)依次加入到四氫呋喃有機(jī)溶劑中充分?jǐn)嚢?待完全溶解后加入超細(xì)AP粉末,恒溫60 ℃攪拌使四氫呋喃緩慢蒸發(fā),HTPB會與有機(jī)溶劑發(fā)生相分離并包覆在AP顆粒表面。待有機(jī)溶劑蒸發(fā)完后,將包覆好的AP進(jìn)行滾圓處理得到球形度較好的AP團(tuán)聚顆粒。放入真空環(huán)境恒溫72 ℃使HTPB與添加的TDI進(jìn)行縮聚反應(yīng),將AP顆粒牢牢包裹在HTPB內(nèi),經(jīng)過過篩處理,即得到所需粒徑的預(yù)處理AP顆粒。

2.3 密度測試

固體顆粒密度的表征分為真實(shí)密度ρ和裝填密度ρ′兩種,固體顆粒的真實(shí)密度可以利用密度瓶法[9]來進(jìn)行測定,而裝填密度是粉末顆粒在儲箱中經(jīng)過振實(shí)處理后的堆集密度。為了保持AP粉末推進(jìn)劑試樣和測定裝置的溫度,測試在(20±0.5) ℃的恒溫室內(nèi)進(jìn)行,在0%、5%、10%和15%的HTPB預(yù)處理?xiàng)l件下,相同粒徑AP(100 μm)的真實(shí)密度和裝填密度與HTPB的關(guān)系如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出,HTPB對AP的團(tuán)聚作用導(dǎo)致顆粒密度降低,并隨著HTPB用量的增大,預(yù)處理AP的密度不斷下降,15%HTPB預(yù)處理后AP的密度比純AP粉末密度降低了7.9%。

圖2AP真實(shí)密度與HTPB含量的關(guān)系

Fig.2The relationship between AP real density and HTPB content

圖3AP裝填密度與HTPB含量的關(guān)系

Fig.3The relationship between AP loading density and HTPB content

由圖3可知,AP顆粒的裝填密度隨HTPB含量的增加而增加,這是因?yàn)锳P顆粒在經(jīng)過團(tuán)聚后,單個(gè)顆粒的球形度得到改善,隨著HTPB用量的增加,AP團(tuán)聚顆粒表面更光滑,球形度更好,使堆積顆粒間的空隙率更低,在含量為0～15%時(shí),隨著HTPB用量的增加,AP顆粒的裝填密度也有所提高。

2.4 吸濕性測試

采用吸濕率法[10]對預(yù)處理前后粉末的吸濕性進(jìn)行測試,把待測樣品放在相對濕度為90%的環(huán)境中讓其充分吸收水分,直到測試樣品所含水分達(dá)到平衡,計(jì)算公式為:

(1)

式中,W表示樣品的吸濕性,%;G表示樣品的原始質(zhì)量,g;G1表示樣品充分吸收水分后的質(zhì)量,g;B表示樣品原始含水百分比,%,經(jīng)過干燥處理后的推進(jìn)劑試樣的原始含水百分比為0。

粉末推進(jìn)劑中的吸濕性主要表現(xiàn)為氧化劑AP的吸濕作用,因此,在0%,5%,10%和15%的HTPB預(yù)處理?xiàng)l件下,相同粒徑AP(100 μm)的吸濕性測試結(jié)果如圖4所示。

圖4AP吸濕性與HTPB含量的關(guān)系

Fig.4The relationship between AP hygroscopicity and HTPB content

由圖4可以看出,經(jīng)HTPB預(yù)處理后的AP顆粒的吸濕性較未經(jīng)過處理的AP(HTPB含量0%)顆粒的吸濕性大幅下降; 而且隨著包覆量的增加,預(yù)處理AP顆粒的吸濕性逐漸減小。其中采用5%HTPB預(yù)處理的AP顆粒的吸濕性已經(jīng)降低至未處理的AP顆粒吸濕性的41%; 10%與15%的HTPB預(yù)處理得到的AP顆粒的吸濕性均降低至未處理的55%以下; 而且可以看出采用10%HTPB預(yù)處理得到的AP顆粒的吸濕性與采用15%預(yù)處理得到的AP顆粒的吸濕性相差不大。

隨著HTPB含量的增加,AP粉末的表面包覆層增加,吸濕性能得到很大改善,但當(dāng)HTPB含量增加到一定值后,包覆材料已經(jīng)能夠均勻包裹AP顆粒,再增加包覆量對吸濕性的改善已經(jīng)非常有限,同時(shí)考慮添加過量HTPB影響粉末火箭發(fā)動機(jī)的性能,所以選用10%HTPB預(yù)處理AP進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

2.5 顆粒表面特性

利用電鏡掃描,對比預(yù)處理前后AP顆粒表面的形貌變化,分析HTPB預(yù)處理對AP表面特性的影響。電鏡掃描的原始AP和10% HTPB預(yù)處理AP的SEM圖,如圖5所示。

a. unpretreated APb. pretreated APc. part of pretreated AP

圖5AP粉末預(yù)處理前后的SEM照片

Fig.5SEM images of AP powder before and after pretreatment

由圖5可以看出,未處理AP的晶粒外形大多呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀,顆粒上有大量棱角存在,顆粒間易形成鹽橋造成輕微的結(jié)團(tuán); 預(yù)處理AP顆粒是由大量的表面光滑的AP經(jīng)過團(tuán)聚得到的,團(tuán)聚顆粒表面較為平整,球形度較好; HTPB在超細(xì)AP顆粒表面都形成了一層透亮的有機(jī)物薄膜,使得放大后相區(qū)內(nèi)的顆粒形態(tài)比未處理的更加清晰; 超細(xì)AP顆粒之間粘結(jié)緊密嚴(yán)實(shí),無裂紋跟孔洞等缺陷。

通過SEM圖可以發(fā)現(xiàn),HTPB緊緊包裹每個(gè)超細(xì)AP,避免AP與空氣的直接接觸,可以有效降低AP粉末的吸濕性。同時(shí),HTPB使得單個(gè)AP顆粒表面更加光滑,通過滾圓得到的團(tuán)聚AP顆粒球形度也很高,在很大程度上提高了AP粉末的裝填密度,從而提高AP粉末的使用性能。

2.6 熱分解特性

利用熱重分析儀(TG)和差示掃描量熱儀(DSC)對HTPB預(yù)處理前后AP粉末的熱分解特性進(jìn)行測試。測試條件為: 試樣質(zhì)量約1.6 mg; 氬氣氣氛,流速為30.0 mL·min-1; 溫度區(qū)間為50～500 ℃,升溫速率為20.0 ℃·min-1。未處理AP和10%HTPB預(yù)處理AP的DSC-TG曲線如圖6所示。

由圖6可以看出,兩種AP顆粒在100～270 ℃,TG曲線均沒有發(fā)生明顯變化,這說明270 ℃之前兩種AP顆粒都是穩(wěn)定的,不發(fā)生分解反應(yīng); 在250 ℃左右,這兩種AP顆粒的DSC曲線均有一個(gè)吸熱峰,這是AP由斜方晶向立方晶轉(zhuǎn)變的結(jié)果,對比圖6a和圖6b可以明顯看出,經(jīng)過HTPB預(yù)處理后大大減小了AP晶體轉(zhuǎn)變的吸熱; 10%HTPB預(yù)處理使AP的低溫放熱峰后移20 ℃,高溫放熱峰前移19 ℃,使得AP的放熱分解更加集中,低溫放熱峰值更高。

a. unpretreated AP

b. pretreated AP

圖6AP粉末預(yù)處理前后的DSC-TG曲線

Fig.6DSC-TG curves of AP powder before and after pretreatment

10%HTPB對AP預(yù)處理后能夠明顯降低AP的吸熱峰,這樣可以減小粉末推進(jìn)劑的點(diǎn)火能量,同時(shí)預(yù)處理使AP放熱能量更加集中,最高放熱峰值明顯提升,能夠提高粉末推進(jìn)劑的燃燒性能。

3 Al/預(yù)處理AP粉末推進(jìn)劑點(diǎn)火燃燒性能

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

通過密閉燃燒器法[11]模擬粉末推進(jìn)劑在發(fā)動機(jī)中的點(diǎn)火燃燒情況,選用10%HTPB預(yù)處理的AP(粒徑100 μm)與100 μm的Al粉進(jìn)行粉末推進(jìn)劑燃燒性能測試。研究氧燃比、裝填量等因素對粉末推進(jìn)劑的燃溫、成氣量及特征速度等能量特性參數(shù)的影響規(guī)律,具體實(shí)驗(yàn)工況見表1。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

密閉燃燒器法實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)主要由密閉燃燒器、采集測試系統(tǒng)及點(diǎn)火系統(tǒng)三部分組成。其中,密閉燃燒器包括密閉燃燒器殼體、盛粉器、排氣閥、壓力和溫度測試底座及點(diǎn)火底座; 采集測試系統(tǒng)包括壓力傳感器、溫度傳感器及信號采集板卡; 點(diǎn)火系統(tǒng)包括電爆點(diǎn)火頭和24 V直流點(diǎn)火電源。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。

表1密閉燃燒器實(shí)驗(yàn)工況

Table1Experimental conditions of closed burner

No．O/FmAP/gmAl/g1#2#3#1∶11122334#5#2∶121426#7#3∶1314．51．5

Note:O/Fis the ratio of oxidizer and fuel,mAPis the packing quality of oxidizer AP,mAlis the packing quality of fuel Al.

圖7密閉燃燒器實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)圖

Fig.7System schematic of closed burner experiment

3.3 結(jié)果與分析

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行密閉燃燒實(shí)驗(yàn),測試點(diǎn)火過程中密閉容器內(nèi)的壓力變化,待完全燃燒1 h后,對密閉容器的冷卻溫度和冷卻壓力再次進(jìn)行測試。根據(jù)熱損失修正法[12]對實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到粉末推進(jìn)劑的能量特性參數(shù),測試結(jié)果和特性參數(shù)見表2。

由表2可以得到,對比3#、5#、7#可知,在裝填總量都為6 g的情況下,O/F從1到3,燃溫增加了18%,成氣量增加了19.5%,特征速度增加了20%,而且粉末推進(jìn)劑的點(diǎn)火時(shí)間變短,粉末推進(jìn)劑的燃燒更加迅速; 相同氧燃比下,單位質(zhì)量粉末推進(jìn)劑完全燃燒的氣體生成量基本相同,但燃燒溫度和特征速度隨著粉末推進(jìn)劑裝填量的增加而增加,這是因?yàn)榉勰┭b填量的增加使生成氣體的總量增大,造成密閉容器內(nèi)壓力升高,促進(jìn)粉末推進(jìn)劑的燃燒。

表2測試結(jié)果與粉末推進(jìn)劑能量特性參數(shù)

Table2Measurement results and energy characteristic parameters of powder propellant

No．measurementp/MPapv/MPaTv/Ktig/scalculationTf/KVg/L·kg-1C?/m·s-11#1．740．268309．80．1321828．5587923．92#3．820．427314．60．0902558．65771092．63#5．980．577303．80．0622864．25751169．64#2．870．280298．20．0663079．36241183．55#4．720．472304．10．0633245．16411236．26#5．470．499309．80．0373251．46721373．87#9．540．808311．20．0323403．56871404．1

Note:pis the peak of pressure,pvis the cooling pressure,Tvis the cooling temperature,tigis the ignition time,Tfis the burning temperature,Vgis the gas generating amount, C*is the characteristic velocity.

4 結(jié) 論

(1) 采用HTPB進(jìn)行預(yù)處理,大大降低了AP粉末的吸濕性能,使粉末推進(jìn)劑能夠長期貯存,且提高了裝填密度,有效改善粉末推進(jìn)劑的使用性能;

(2) 考慮AP的預(yù)處理工藝和過量HTPB影響粉末火箭發(fā)動機(jī)的性能,綜合得到HTPB的用量占預(yù)處理AP顆粒質(zhì)量的10%時(shí)為最佳配比,10%HTPB預(yù)處理能夠明顯減小AP的吸熱峰,并使AP的兩次放熱更加集中,有效降低粉末推進(jìn)劑的點(diǎn)火能量,提高了粉末推進(jìn)劑的點(diǎn)火燃燒性能;

(3) 在氧燃比O/F為1～3的情況下,隨著氧燃比的增加,粉末推進(jìn)劑的點(diǎn)火更快,各項(xiàng)能量特性參數(shù)均有所增大,且在相同氧燃比下,隨著粉末裝填量的增加,燃燒溫度和特征速度也有所增加。

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