丁羥三組元推進劑15～60 MPa高壓燃燒特性研究*

趙 海，羅桂蓮，史良偉，吳 濤，鄧安華，呂 龍

(1.湖北三江航天江河化工科技有限公司，宜昌 444200；2.中國科學(xué)院 上海有機化學(xué)研究所，上海 200032)

0 引言

固體火箭推進技術(shù)水平以提高發(fā)動機比沖和質(zhì)量比為主要目標，而發(fā)動機的比沖主要取決于推進劑的能量性能。除采用高能推進劑之外，在采用丁羥等常規(guī)體系推進劑裝藥時，提高工作壓強也是提升發(fā)動機能量性能的一條有效技術(shù)途徑。與10 MPa相比，20 MPa時，丁羥推進劑的理論比沖可提升至少15 s，能量性能提升效果顯著。高壓發(fā)動機技術(shù)已在國外眾多戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中得到了應(yīng)用，典型的如美國PAC-3發(fā)動機最高工作壓強為20.5 MPa，SM-3型導(dǎo)彈第二級發(fā)動機工作壓強據(jù)稱已達到28 MPa，在研的“緊湊型動能導(dǎo)彈”(CKEM)的演示型號“超高速反坦克導(dǎo)彈”(HATM)據(jù)稱最高達28.3 MPa[1]。國內(nèi)亦開展了推進劑高壓燃燒特性相關(guān)的研究。張春泰[2]采用小型試驗發(fā)動機對少煙丁羥推進劑高壓燃燒性能進行研究，發(fā)現(xiàn)在17～18 MPa以上壓強時存在燃速突變現(xiàn)象。劉中兵等[3]對丁羥三組元和四組元推進劑在2～20 MPa平均壓強范圍內(nèi)的燃燒特性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)丁羥三組元推進劑在壓強超過20 MPa后壓強指數(shù)趨近于1，發(fā)動機無法正常工作。蘇昌銀等[13]初步開展了低鋁粉含量的HMX/HTPB推進劑高壓燃燒性能研究，最高壓強達47 MPa，但無壓強指數(shù)相關(guān)具體數(shù)據(jù)和分析。

常用的壓強指數(shù)調(diào)節(jié)劑，如亞鉻酸銅、氟化鈣、碳酸鈣、有機鈣鹽、五氧化二釩、鉻酸鹽、N，N’-乙撐雙水楊叉亞胺絡(luò)銅、二茂鐵衍生物、高氮化合物等，在小于20 MPa時，對丁羥推進劑具有較好的降壓強指數(shù)效果，壓強更高時降壓強指數(shù)效果不佳[9-12]。季銨鹽不僅降低燃速效果好，還可大大降低壓強指數(shù)，適合在丁羥推進劑中應(yīng)用[4]。有機鋇鹽是很好的平臺化劑，鋇鹽與少量的銅鹽復(fù)合就能使雙基推進劑產(chǎn)生寬壓強范圍的平臺或麥撒效應(yīng)[2]。在專利中亦有季銨鹽、有機鋇鹽等的應(yīng)用實例[14-15]。近年來，國內(nèi)密閉燃燒器法(亦稱定容燃燒器法)高壓燃速測試精度明顯提升[16]，AP/HTPB推進劑燃燒的理論研究有較大進步[17]，這在硬件和軟件上為促進丁羥推進劑的高壓燃燒性能研究提供了便利條件。

本文針對含有機鋇鹽、季銨鹽的丁羥三組元推進劑進行了制藥試驗，并采用特制耐高壓φ112 mm試驗發(fā)動機、定容燃燒器法等，對推進劑15～60 MPa的高壓燃燒特性進行了重點研究，以期為超高壓強發(fā)動機的設(shè)計提供參考。

1 實驗

1.1 實驗原材料

端羥基聚丁二烯(HTPB)，黎明化工研究設(shè)計院有限責(zé)任公司；高氯酸銨(AP)，大連高佳化工有限公司；球形鋁粉(Al)，鞍鋼實業(yè)微細鋁粉有限公司；季銨鹽(YZ-1)，中科院上海有機所；有機鋇鹽(BS-1)，自制。

1.2 實驗方法及儀器

(1)靜態(tài)燃速及靜態(tài)壓指測試

根據(jù)GJB 770B—2005《火藥試驗方法》中的方法706.2“水下聲發(fā)射法”進行靜態(tài)燃速測試，根據(jù)維也里經(jīng)驗方程計算出靜態(tài)壓強指數(shù)。

(2)φ112 mm發(fā)動機燃速及動態(tài)壓指測試

參照GJB 97A—2001《標準試驗發(fā)動機技術(shù)要求和數(shù)據(jù)處理要求》和江河公司Q/N z108—2016《φ112 mm評定發(fā)動機靜止試驗大綱》標準，采用特制耐高壓φ112 mm試驗發(fā)動機進行16～25 MPa的高壓燃速測試，根據(jù)維也里經(jīng)驗方程計算出動態(tài)壓強指數(shù)。

(3)定容燃燒器法高壓燃速測試

采用西北工業(yè)大學(xué)燃燒熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室的定容燃燒器進行15～60 MPa的連續(xù)燃速測試，以1 MPa為間隔分別計算出各壓強區(qū)間的壓強指數(shù)。

1.3 推進劑樣品制備

推進劑配方：在保證推進劑力學(xué)性能和工藝性能的前提下，丁羥三組元推進劑基礎(chǔ)配方見表1。

將HTPB粘合劑、Al、AP和其他原材料分多次加入5 L或25 L立式捏合機中，在(50±2) ℃混合均勻、真空澆注，(70±2) ℃下固化120 h，制備推進劑方坯和φ112 mm發(fā)動機。

表1 HTPB推進劑配方組成

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)燃速及壓強指數(shù)

對含YZ-1、BS-1與YZ-1復(fù)配物的丁羥三組元推進劑高壓靜態(tài)燃速進行了對比研究，燃速測試結(jié)果見表2。推進劑配方中，除壓強指數(shù)調(diào)節(jié)劑種類不同，其他組分完全一樣。

表2 靜態(tài)燃速和壓強指數(shù)

由表2可知，在16～25 MPa區(qū)間，添加YZ-1/BS-1復(fù)配物推進劑的壓強指數(shù)比添加YZ-1的低。這表明，季銨鹽和有機鋇鹽復(fù)配使用，更有利于在高壓下降低丁羥三組元推進劑的壓強指數(shù)。

在復(fù)合固體推進劑中，添加有機鋇鹽有利于降低壓強指數(shù)，其主要原因在于有機鋇鹽的分解產(chǎn)物鋇或氧化鋇的相對惰性。常用的燃燒性能調(diào)節(jié)劑氧化鉛或氧化銅有極強的氧化性，而且銅有起吸附作用的d-電子，鉛、銅都具有變價能力，這些特性都是鋇或氧化鋇所不具備的，從而導(dǎo)致導(dǎo)致鋇化物對推進劑燃燒催化活性較低，有利于降低高壓下的燃速[5]。

已有研究表明，在雙基推進劑中使用有機鋇鹽后，鋇能夠產(chǎn)生足夠的離子來抑制炭的凝聚，并減少炭煙的形成量，從而提高推進劑的燃氣紅外透過率。HTPB熱分解后產(chǎn)生大約2%的含碳殘余物(焦炭)[6]。焦炭的輻射熱吸收能力較強，并有利于熱傳導(dǎo)，故丁羥推進劑燃面上粘合劑熱解后的含碳殘余物有利于催化燃燒。在丁羥推進劑中添加少量有機鋇鹽復(fù)合物，即可清除燃面上的碳物質(zhì)，減弱輻射熱的吸收、減緩熱傳導(dǎo)速率，從而有利于降低高壓下燃速[14]。在16 MPa左右，等量的季銨鹽具有比有機鋇鹽更好的降燃速效果。但隨著壓強升高，季銨鹽降燃速作用有所減弱，故僅添加季銨鹽推進劑的壓強指數(shù)在高壓下會升高。添加有機鋇鹽和季銨鹽復(fù)配物的推進劑，兼具兩者優(yōu)點，可使丁羥三組元推進劑在高壓下壓強指數(shù)進一步降低。

2.2 φ112 mm發(fā)動機動態(tài)燃速及壓強指數(shù)

采用φ112 mm發(fā)動機對上述丁羥三組元推進劑的高壓燃燒性能進行了對比測試，結(jié)果見表3、圖1和圖2。表2的靜態(tài)燃速和表3的動態(tài)燃速結(jié)果有所差異，這主要是由于測試方法不同，推進劑的燃燒環(huán)境亦不同，從而使燃速具有一定的差異，但這不影響燃燒性能規(guī)律性分析。由表3可知，φ112 mm發(fā)動機測得的動態(tài)壓強指數(shù)與采用藥條測得的靜態(tài)壓強指數(shù)具有一致的規(guī)律性。在16～25 MPa，含YZ-1的推進劑動態(tài)壓強指數(shù)為0.434，含BS-1/YZ-1的推進劑動態(tài)壓強指數(shù)為0.279。這說明在16～25 MPa，BS-1/YZ-1比YZ-1具有更好的降壓強指數(shù)效果。

從圖1和圖2中還可看出，含BS-1/YZ-1、YZ-1的推進劑在16～25 MPa區(qū)間均可穩(wěn)定燃燒。隨著設(shè)計工作壓強升高，噴管喉襯燒蝕程度不斷加重，燃燒室最大壓強與平均壓強之間的差值越來越大。劉中兵等[3]的研究中三組元推進劑在壓強超過20 MPa后壓指趨近于1，發(fā)動機無法正常工作。采用BS-1/YZ-1、YZ-1作為壓指調(diào)節(jié)劑的丁羥三組元推進劑均可穩(wěn)定燃燒、發(fā)動機正常工作，目前實測的φ112 mm發(fā)動機最高穩(wěn)定工作壓強可達27 MPa，且還沒達到最高穩(wěn)定工作壓強極限。

表3 φ112 mm發(fā)動機動態(tài)燃速和壓強指數(shù)

圖1 含YZ-1的φ112 mm發(fā)動機壓強-時間曲線

圖2 含BS-1/YZ-1的φ112 mm發(fā)動機壓強-時間曲線

2.3 定容燃燒器法高壓燃燒性能測試

采用定容燃燒器法對上述丁羥三組元推進劑高壓燃燒性能進行了對比研究，測得了15～60 MPa區(qū)間的實時燃速，燃速-壓強曲線見圖3。并通過實時燃速，以1 MPa為間隔，計算出了各壓強區(qū)間的壓強指數(shù)，以各壓強區(qū)間的壓強中值為x軸、以壓強指數(shù)為y軸，作出了壓強指數(shù)-壓強變化曲線，見圖4。

對比表2、表3和圖4可看出，由于測試方法不同以及推進劑制藥批次差異性的影響，在16～25 MPa采用定容燃燒器法與藥條、φ112 mm發(fā)動機三種方法測得的燃速和壓強指數(shù)的具體值具有一定的差異。但這不影響對推進劑燃燒特性的分析，采用不同方法測試時，16～25 MPa的壓強指數(shù)具有一致性：含BS-1/YZ-1推進劑的壓強指數(shù)都比含YZ-1的更低。

從圖3可以明顯看出，在15～60 MPa區(qū)間含不同降壓指劑的推進劑燃速-壓強曲線具有明顯差異：隨壓強不斷升高，含BS-1/YZ-1推進劑的燃速增大速率相對平緩，而含YZ-1推進劑的燃速增大速率忽大忽小，變化比較劇烈。

圖3 含不同調(diào)節(jié)劑推進劑的燃速-壓強曲線

圖4 含不同調(diào)節(jié)劑推進劑的壓強指數(shù)-壓強曲線

從圖4可看出，在15～60 MPa區(qū)間，僅含YZ-1推進劑的最大壓強指數(shù)為0.99(32～33 MPa)，非常趨近于1，采用該推進劑裝藥的發(fā)動機在超過30 MPa時極可能無法正常工作，存在爆炸解體的風(fēng)險。含BS-1/YZ-1推進劑的最大壓強指數(shù)為0.87(31～32 MPa)，亦處于較高的水平。從圖4還可看出，含YZ-1推進劑最小壓強指數(shù)為0.173(51 MPa附近)，在49～52 MPa之間出現(xiàn)了短暫的“平臺”燃燒區(qū)(n<0.2)。復(fù)合推進劑在高壓下出現(xiàn)“平臺”燃燒區(qū)，主要有兩方面的原因：一是粘合劑熔化液層在高壓下的覆蓋作用增強，阻止了AP分解氣體順利地進入氣相，降低了燃速隨壓強增加的效果，甚至使某些正壓強指數(shù)推進劑在一定壓強范圍內(nèi)出現(xiàn)“平臺”或“麥撒”效應(yīng)。但這種現(xiàn)象并不是每次測試都會出現(xiàn)。二是AP爆燃特性隨壓強不斷變化，在爆燃速度III區(qū)(14～28 MPa)，AP的爆燃速度隨壓強增加而急劇下降[7-8]。該現(xiàn)象確實存在，但同一種推進劑在重復(fù)測試時卻偶爾出現(xiàn)，其機理至今尚不完全清楚。推進劑中添加的季銨鹽等燃燒性能調(diào)節(jié)劑對AP燃速特性變化的影響很大，可能會造成AP爆燃速度Ⅰ～Ⅳ區(qū)的壓強區(qū)間發(fā)生變化，從而在49～52 MPa之間出現(xiàn)“平臺”燃燒區(qū)。AP的爆燃速度隨壓強變化而改變，且受燃燒性能調(diào)節(jié)劑的影響，這可能是推進劑壓強指數(shù)在寬壓強范圍內(nèi)不斷變化的主要原因。

3 結(jié)論

(1)在16～25 MPa之間，有機鋇鹽與季銨鹽復(fù)配物(BS-1/YZ-1)比季銨鹽(YZ-1)具有更好的降壓強指數(shù)作用，僅添加YZ-1推進劑的動態(tài)壓強指數(shù)為0.434，添加BS-1/YZ-1推進劑的動態(tài)壓強指數(shù)為0.279，兩種推進劑均可穩(wěn)定燃燒。φ112 mm發(fā)動機最高穩(wěn)定工作壓強可達27 MPa，仍未達到高壓極限。

(2)定容燃燒器法燃速測試結(jié)果表明，添加YZ-1、BS-1/YZ-1推進劑的最大壓強指數(shù)分別為0.99(32～33 MPa)、0.87(31～32 MPa)，含BS-1/YZ-1的推進劑在壓強超過30 MPa時具有穩(wěn)定燃燒的潛力。

(3)添加YZ-1的推進劑在43～57 MPa之間表現(xiàn)出較低的壓強指數(shù)，且在49～52 MPa之間出現(xiàn)了短暫的“平臺”燃燒區(qū)(n<0.2)。