AF－315液体单元推进剂高压燃速的实验研究

潘玉竹，余永刚，张 琦

（南京理工大学 能源与动力工程学院，南京210094）

液体单元推进剂在火箭发动机、战略导弹姿态控制发动机、弹道导弹拦截系统、飞机辅助动力装置以及火炮发射等领域都有广泛的应用[1～5].考虑到环保、安全性和经济性，人们致力于寻找廉价、无毒、无污染以及高比冲的液体推进剂.肼类燃料由于存在毒性大、比冲低等缺陷，逐渐被HAN基液体单元推进剂所代替.近年来，美国空军在HAN基液体单元推进剂的研究基础上，主导开发了AF－315系列液体单元推进剂[6].与普通的 HAN基液体单元推进剂相比，AF－315液体单元推进剂有着显著的优势：①稳定性比 HAN－硝酸酯－水系列单元推进剂好；②密度比HAN－醇－水系列单元推进剂大；③在比冲一定的情况下，比 HAN－醇－水、HAN－硝酸酯－水系列单元推进剂点火温度低、绝热燃烧温度低.AF－315液体单元推进剂是由硝酸羟氨（HAN）、羟乙基肼硝酸盐（HEHN）及水组成的混合物，通过改变各组分的质量分数可以得到不同型号的AF－315单元推进剂，其中最常用的一种主配方为44.5%的HAN、44.5%的HEHN及11%的水.

针对HAN基液体推进剂难以被点燃的特点，FOKEMA[7]采用六铝酸钡（BHA）载体制备出的SHELL－405催化剂，研究了AF－315的催化分解情况，测试出AF－315的点火温度为123℃.FORTINI等人[8]在BHA载体基础上开发了以稀土氧化物为主，且热稳定更好、具有催化作用的载体，并将自制催化剂用于AF－315的点火实验中，对点火温度、点火速度和燃气最高温度进行了研究.HAWKINS等人[9]通过一系列的终极危险分类（FHC）实验，考察了AF－315的安全性、稳定性和毒性.而针对 AF－315液体单元推进剂燃速研究的相关文献，目前未见公开报道.

VOSEN[10]、MABRATNEY[11]及 CHANG[12]采用高速摄影方法，研究了凝胶状HAN基液体推进剂LP1846在线状燃烧器中的燃烧特性，高压环境是通过逐级加压氮气来实现的.本文设计了一种测量AF－315液体推进剂高压线燃速的实验装置，利用固体火药燃烧产生高压环境，并通过引入特种包覆火药来维持一个近似的恒压环境，以代替国外同类型实验中的氮气压力源.利用此实验装置，测量了AF－315液体单元推进剂在29.4～55.0 MPa压力范围内的表观线燃速.

1 测量装置

1.1 装置结构和工作原理

本实验的测量装置示意图如图1所示，它主要由上部的高压环境产生室和下部的液体推进剂线状燃烧器2部分组成.高压产生室里面装有点火药、固体主燃火药和特种包覆火药，线状燃烧器里面装满AF－315液体单元推进剂，其侧壁上装有4个离子探针传感器.高压产生室和线状燃烧器的压力分别由2个压电传感器实时测量.装置的上、下2部分之间是一个压力传递机构，它一方面可以把高压产生室的压力传递给线状燃烧器中的液体推进剂，另一方面可以起到点火延迟的作用.

实验时，先由脉冲放电器放电点燃点火药，再引燃主燃火药.当高压产生室达到最大压力后，特种包覆火药开始燃烧，以维持近似恒压环境.固体火药燃烧产生的燃气沿着压力传递机构的内部孔道流动.内孔通道的迷宫设计使得燃气在流动过程中改变了两次方向，才最终流向可燃介质，而不是直接冲击可燃介质.这样做的目的是使气流速度降低，减弱气流对可燃介质的冲击损伤，提高压力传递和点火延迟的可靠性.可燃介质的侧面经过钝感阻燃处理，其燃烧只沿着轴向进行.另外，由于可燃介质中间圆柱段的端面与机构本体的圆柱台阶面之间留有间隙，所以在压力作用下可燃介质会稍向下运动，与线状燃烧器中的液面相接触.当可燃介质的锥状头部烧完之后，剩余的可燃介质相当于一个浮动的活塞，使得高压产生室和线状燃烧器中的压力基本相同.

图1 测量装置示意图

当压力传递机构中的可燃介质烧完后，燃气从高压产生室进入线状燃烧器，点燃AF－315液体单元推进剂.由于可燃介质烧完之前，高压产生室和线状燃烧器中的压力基本相同，所以液体推进剂在被点燃之后不会飞溅.这样AF－315液体推进剂开始燃烧，火焰向前传播.实验时，4个离子探针传感器都与测时仪连接起来.当火焰面传播到图1所示最上面的离子探针传感器时，第一个导通信号产生，并且被传送到测时仪.当火焰面到达第二个离子探针传感器时，测时仪接收到第二个导通信号，并显示出这2个导通信号的时间间隔.从安装在线状燃烧器上的压电传感器记录的压力曲线图中，找出这段时间所对应的压力区间，计算出平均压力，再结合相邻2个离子探针传感器的间距和导通时间，即可算出AF－315液体推进剂在平均压力下的表观线燃速.

1.2 维持高压环境的方法

测量装置中，高压产生室里的复合药包中装有3种火药，即硝化棉点火药、固体主燃火药（5/7）和特种包覆火药.实验时，先由点火药包点燃主燃火药，高压产生室内压力迅速上升，并通过压力传递机构传递给线状燃烧器中的AF－315液体推进剂.

高压产生室的最大压力由主燃火药的装药量决定.在定容燃烧的情况下，考虑到火药燃气温度和压力都很高[13]，可采用诺贝尔－阿贝尔气体状态方程，即

式中，p为压力；T1为爆温；α和v分别为火药气体的余容和比容，比容v可表示为

式中，ω、ωYR分别为主燃火药的装药量和已燃质量；ρ0为主燃火药的密度；V0为密闭容器的容积.

为了推导方便，在这里引入了3个参量，分别为火药的已燃百分数ψ、装填密度Δ和火药力f，分别为ψ＝ωYR/ω，Δ＝ω/V0，f＝RT1.

结合上述参量和方程（1），则火药气体的状态方程变为

当主燃火药燃烧结束，即ψ＝1时，密闭容器内压力达到最大值，即

由于密闭爆发器是用钢制造而成的，在高温、高压的火药气体作用下，器壁必然从燃气中吸收一部分热量，同时还要发生弹性变形.因此，压力损失主要来自于2个方面，即热散失和弹性变形.在本文实验压力条件下，密闭爆发器容积的相对增加量很小，因此可以忽略弹性变形的影响.但是，由于热散失所导致的压力损失必须考虑.

一般情况下，热散失导致的压力损失可以表示为[14]

式中，S为密闭容积的内表面积；tk为火药的燃烧结束时间；bn为多项式系数，由实验数据拟合得到.

主燃火药燃烧结束之后，密闭容器内压力达到最大值pmax.此时由于热散失的缘故，密闭容器内压力会逐渐下降.为了维持容器内的近似恒压环境，在高压产生室中事先引入了特种包覆火药，其侧面经过包覆阻燃处理.当主燃火药燃烧时，包覆火药由于侧面包覆层的覆盖，燃烧掉的只是包覆层.当主燃火药烧完之后，特种包覆火药才开始燃烧.与方程（3）的推导过程类似，特种包覆火药燃烧产生的压力为

式中物理量的上标表示特种包覆火药，且各物理量含义与方程（3）中各物理量相对应.

针对特种包覆火药，选择合适的药形与弧厚，使其燃烧产生的压力能够补偿热散失造成的压降，从而使密闭容器内压力保持近似恒定，以维持液体推进剂在近似恒定高压环境下燃烧.

1.3 实验样品

本实验中所用的AF－315液体单元推进剂样品由中科院上海有机所提供.

2 实验结果与数据处理

2.1 实验结果

在实验中，由2个压电传感器实时测量得到的高压产生室及线状燃烧器内的典型压力曲线如图2所示.

图2 典型p－t曲线图

从图2可以看出，硝化棉点火药包被点燃之后，压力迅速上升，且点火压力约10 MPa.之后主燃火药开始燃烧，压力继续上升.在压力达到最大值之前，2条曲线基本重合，这表明压力传递机构把高压产生室内的压力传递到线状燃烧器内.当容器内压力达到最大值之后，压力传递与点火延迟机构中的活塞状可燃介质烧完，火药燃气从高压产生室进入线状燃烧器，点燃AF－315液体单元推进剂.

因此，将压力曲线达到最大值时刻作为测试AF－315液体推进剂线燃速的起点.由测时仪测出相邻2个离子探针传感器的导通时间，并在p－t图中找出对应的压力区间，计算出导通时间内的平均压力.根据相邻离子探针传感器的间距和导通时间，即可算出液体推进剂在此平均压力下的表观线燃速.调整密闭容器内的压力值，则可获得AF－315液体推进剂在不同环境压力下的表观线燃速.实验测量数据如表1所示，u为表观线燃速.考虑到探针的距离偏差，测量误差为5%.

表1 AF－315表观线燃速测量数据

2.2 数据处理

考虑到液体推进剂燃速与压力的关系表达式应用最广泛的是指数形式，根据表1中的数据，以lnp为横坐标，lnu为纵坐标作图，如图3所示.在所研究的压力范围内，从lnu－lnp图中看出存在两段不同斜率的直线，即低压段（29.4～43.1MPa）直线和高压段（43.1～55.0 MPa）直线.采用最小二乘法，即可分别拟合出AF－315液体推进剂在29.4～43.1MPa及43.1～55.0 MPa压力范围内表观线燃速的经验公式，即

图3 lnu－lnp关系曲线

与典型的凝胶状HAN基液体单元推进剂LP1846相比，在所研究的压力范围内，AF－315液体单元推进剂有着明显不同的燃速特性.VOSEN[10]的实验结果表明，在33.3～34.0 MPa范围内，凝胶LP1846的表观线燃速为（27.3±0.6）mm/s.而根据本文实验数据拟合的经验公式，AF－315液体推进剂在同样区间的表观线燃速为112.5～113.0mm/s，燃速约为凝胶LP1846的4.1倍.MCBRATNEY[11]针对含2%凝胶剂的LP1846在46～57 MPa内表观线燃速的测量结果为25.0～28.4mm/s.而本文中AF－315液体推进剂在43.1～55.0 MPa内的线燃速范围为118.39～218.70mm/s，约为凝胶LP1846燃速值的4.7～7.7倍.

3 结论

本文设计的AF－315液体单元推进剂高压线燃速测量装置的原理可行，可以进行AF－315等多种液体单元推进剂高压表观线燃速的测量.

AF－315液体单元推进剂在29.4～43.1 MPa范围内，表观线燃速与环境压力的关系式为u＝53.946 9p0.2097；在43.1～55.0 MPa范围内，其关系式为u＝7.710 5×10－3p2.5586.

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