复合推进剂应变条件下燃速变化实验研究①

胡松启，邓 哲，刘迎吉

(西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072)

0 引言

随着推进技术的发展，火箭发动机装药构型越来越复杂，且发动机在生产、运输和发射过程中，推进剂装药受到很大载荷。载荷会使推进剂药柱内部产生应力和应变，可能引起装药燃烧发生变化，进而引起发动机内弹道性能的改变，导致固体火箭发动机不能正常工作。所以，对于应变条件下装药的燃速规律研究十分必要。

装药结构完整性的破坏会造成火箭发动机内弹道参数的巨大改变，引发灾难性后果。目前为止，国内外对复合推进剂拉伸裂纹与脱粘现象开展了深入研究，总结了拉伸态推进剂性能的变化规律，得到了许多重要成果。Smith T L［1］以玻璃小球为填料，获得了复合材料的伸长率方程。李敬明等［2］研究了NEPE推进剂在拉伸载荷作用下的破坏情况。郭翔等［3］运用单向拉伸手段，研究了不同拉伸速率(0．5～500 mm/min)、测试温度(25～70℃)对NEPE推进剂最大抗拉强度和最大伸长率的影响。王亚平等［4］采用单向拉伸和扫描电子显微镜的实验手段，研究了慢拉伸速率对丁羟复合固体推进剂拉伸性能的影响，并对不同拉伸速率下丁羟推进剂的破坏机理进行了分析。Kumar等［5］对固体推进剂裂纹中的火焰传播和燃烧进行了研究，并得出结论:靠近裂纹进口处点火火焰峰扩展速率增大，并达到最大值;然后，在靠近裂纹顶点处减速，最大火焰峰传播速度随着燃烧室增压速率(或随推进剂燃速)的增大而增大;研究还表明，裂纹腔中的最大压强随燃速增大而增大，但却随裂纹间隙宽度的增加而减少。Bencher［6］的研究表明，推进剂在外界载荷作用下，颗粒与基体之间界面将发生脱粘，从而引起推进剂力学性能的非线性。

本文采用实验手段研究了拉伸应变条件下复合推进剂的燃烧性能，测定不同燃烧室压强下，复合推进剂拉伸应变为0% ～20%状态时的燃速变化，获取拉伸应变条件下复合推进剂的燃速变化规律，为发动机内弹道设计提供了参考。

1 实验

1．1 实验装置

本文设计的实验装置基于靶线法测试原理，利用卡槽夹持推进剂样品进行拉伸，测试固体推进剂在不同应变、不同压强下的燃速。实验系统如图1所示，采用高压氮气瓶调节燃烧室环境压强，燃烧室与缓冲瓶相连，以保证工作过程中燃烧室基本处于恒压状态。

图1 实验系统Fig．1 Experiment system

推进剂样品拉伸装置(图2)放置于图1的燃烧室中，将药条试样加工成工字型，便于利用卡槽夹持拉伸产生应变，以此来研究复合推进剂平行于燃面方向拉伸应变对燃速的影响。

1．2 推进剂配方

本文用推进剂配方见表1。

1．3 实验条件

考虑到复合推进剂的工作压强范围及实验条件，选择实验压强分别为4、6、8 MPa，试样的应变量ε设置为0%、10%、15%、20%。对于每个压强、每个应变条件下，至少取得3个有效实验数据。

图2 拉伸装置示意图Fig．2 of tension device

表1 推进剂配方Table 1 Formulas of propellant

2 结果与分析

分别对1#、2#和3#推进剂试样按上述实验方案进行燃速测试，按照实验压强、应变量设计及平行性实验的要求，测得无应力状态下燃速数据如表2所示，拉伸状态下燃速测试数据如表3所示。

表2 无应变条件下推进剂燃速Table 2 Burning rate of propellant under no strain

表3 有应变条件下推进剂燃速Table 3 Burning rate of propellant under strain

从表2和表3分析1#推进剂在4 MPa时的燃速变 化可看出，应变为20%状态下的燃速比应变为10%状态下的燃速提高了1．219 mm/s，应变为10%状态下的燃速比无应变条件下的燃速提高了1．132 mm/s。分析3种试样在4、6、8 MPa压强下燃速的增量，可得出相同的结论:在0% ～20%应变范围内，燃速的增幅并没有发生突跃变化，即复合推进剂试样中固体颗粒与粘合剂接触面没有发生脱粘和大的裂纹。

在以往的研究中，对拉伸应变状态下复合推进剂燃速的研究多集中于脱粘和裂纹扩展这两种情况之下，压强的大小决定了火焰高度，在裂纹宽度大于2倍的火焰高度时，火焰会窜入裂纹之中，进而使燃面剧增，推进剂的宏观燃速变大。通过实验研究发现，微小拉伸应变情况下的燃烧速度也会有一定改变，曾甲牙［7］通过对复合推进剂进行拉伸试验，运用SEM方法发现在小应变条件下，HTPB推进剂的固体粒子与粘合剂中间产生空穴，两相界面处偶联胶丝被拉长。这说明固体推进剂在小应变状态下也会产生一定的细小空隙，但这种空隙的宽度较小，火焰不能窜入其中。

阳建红等［8］运用声发射信号法(AE)对拉伸态复合推进剂的微观结构进行了测量研究，由于在复合固体推进剂这种颗粒高填充比复合材料中，粘合剂基体强度最弱，故微裂纹起初在基体成核，随着载荷作用的增加。基体微裂纹数量增加，当应力足够大、作用时间足够长时，颗粒界面开始出现微裂纹等损伤，这些基体和颗粒界面的微裂纹形状尺寸大致相当，且相互作用很小，对应着声发射的第一类声源，第一类声源对应于HTPB中的细微结构改变。此时，推进剂内部还没有发生宏观的裂纹。

Norman［9］指出复合推进剂中固体颗粒的局部燃速遵循阿雷尼乌斯定律，而且气相火焰对于固相的热反馈不能简单地认为是一维方向，从微观角度来看，热反馈是复杂的三维过程。复合推进剂在微小拉伸应变条件下，AP颗粒与HTPB之间并没有产生大的裂纹与脱粘，但HTPB经过拉伸之后密度变小，内部结构变疏松。在压强不变的情况下，火焰高度也相对不变。此时，AP的分解速度与单位时间内所释放的热量大小也不会发生改变。然而，拉伸条件下HTPB的密度变小，导致单位体积的HTPB分解速度加快。如此一来，接近AP颗粒附近的HTPB会很快吸热分解气化，图3中灰色区域的HTPB将会加快分解与反应的速度，这种效应又导致了AP颗粒与粘合剂接触面积的减小，从而也在一定程度上加大了AP的燃烧面积，这些效果的累积就造成了微小拉伸应变条件下复合推进剂燃速的增加。

图3 复合推进剂燃烧模型Fig．3 Composite propellant combustion model

复合推进剂的燃速大小对压强的依赖性很强，单纯分析应变状态下燃速的变化，很难排除压强的干扰，故定义一个新变量［10］:燃速比 r'/r，即在同一压强的时候，应变条件下的燃速与非应变条件下燃速的比值，以此分析应变对于燃速的影响。各压强下，3种推进剂的燃速比与应变的实验曲线用二次函数拟合后，其燃速比与应变的函数关系可用式(1)表示:

表4给出了二次函数拟合曲线对应于式(1)的各项系数。

表4 燃速比与应变之间的关系Table 4 Relationship between burning rate ratio and strain

对于1#和2#推进剂，在每个实验压强下，其二次项系数a2的值均较小，二次项对r'/r的值影响很小，故在实际应用时，式(1)中的二次项可忽略。在3#推进剂中，二次项的值对燃速比会有一定程度的影响，为了准确地对燃速变化进行描述，不能忽略二次项。3#推进剂在每个实验压强下，其二次项系数a2的值均较大。初步分析，其原因为HTPB含量的减少导致。从表1可看出，在总的质量分数中，3#试样HTPB的含量比1#和2#试样仅低2%，但在拉伸条件下，推进剂力学性能主要仅受粘合剂影响，3#试样HTPB的含量比1#和2#减少了13．3%，在增大了推进剂中铝粉含量的同时，减少了推进剂中粘合剂的含量，导致推进剂的延展性能变差，在对试样进行拉伸时，推进剂粘合剂中产生疏松和空隙的数量和尺寸会增加;另一方面，固体(Al)含量的增加及粘合剂含量的减少，使得颗粒之间间隙变小，HTPB更加容易受热分解，固体颗粒的表面容易暴露出来，呈现出更大的燃速变化幅度。

3 结论

(1)所设计的实验装置能可靠测试拉伸应变条件下推进剂样品在不同压强下的燃速。

(2)研究的复合推进剂在应变20%以内，粘合剂会产生微小疏松和空隙，这种内部结构改变会使粘合剂密度降低，从而单位体积粘合剂所受加热反馈变大，推进剂燃速有所增加，但推进剂燃速没有发生突变。

(3)1#和2#样品的燃速比(即应变条件下的燃速与非应变条件下燃速的比值)随应变的增大而呈线性增大。在20%应变下，压强分别为4 MPa和8 MPa时，1#、2#、3#推进剂的燃速比在两种压强下分别相差0．64%、0．45%、0．78%，应变是影响拉伸态复合推进剂燃速比的主要因素。

(4)固体含量较高的复合推进剂(3#)，在拉伸状态下燃速比呈现二次曲线增长可能的原因是推进剂粘合剂减少，在应变状态下更易产生疏松和空隙，其燃速变化机理有待进一步研究。

［1］ Smith T L．Colume，changes and dewetting in glass beadpoly(vinyl chloride)elastomeric composites under large deformations［J］．Trans．Soc．Rheology，1959，3:113-136．

［2］ 李敬明，郑雪，李伟，等．NEPE推进剂拉伸破坏过程实验研究［J］．含能材料，2009，17(2):241-243．

［3］ 郭翔，张小平，张炜．拉伸速率对NEPE推进剂力学性能的影响［J］．固体火箭技术，2007，30(4):321-323．

［4］ 王亚平，王北海．丁羟推进剂拉伸脱湿的电子显微镜观测［J］．固体火箭技术，1998，21(2):71-74．

［5］ Kumar M，Kuo K K．Ignition of solid propellant crack tip under rapid pressurization［J］．AIAA Journal，79-1175．

［6］ Bencher C D．Microstructural damage and fracture processes in a composite solid rocket propellant［J］．Journal of Spacecraft and Rockets，1991，32(2):328-334．

［7］ 曾甲牙．固体填充剂对推进剂力学性能的影响［J］．固体火箭技术，2002，25(1):46-50．

［8］ 阳建红，李学东，等．HTPB推进剂细观损伤机理的声发射实验研究［J］．推进技术，2000，21(3):67-70．

［9］ Cohen N S．Review of composite propellant burn rate modeling-a review［R］．17th Aerospace Sciences Meeting，1979-0160．

［10］ 张如洲，张平．加速度对固体火箭发动机内弹道性能的影响［J］．推进技术，2000，21(3):6-8．