GAP微烟推进剂的燃烧性能影响因素研究①

2013-08-31宋考生鲁国林

固体火箭技术 2013年1期

宋考生，顾健，鲁国林

(1.二炮驻8610厂军事代表室，宜昌 444200;2.中国航天科技集团四院四十二所，襄阳 441003)

0 引言

新型战术导弹武器的发展对推进系统提出了射程远、速度快、体积小、质量轻、结构简单［1］、低特征信号等要求。因此，火箭发动机总体设计对固体推进剂的能量指标、力学性能及燃烧性能提出了更高要求。GAP型低特征信号推进剂配方采用大剂量硝酸酯增塑，含有硝胺、GAP、硝酸酯等高能组分，具有能量高、力学性能好的特点，是当前研究的最高水平的固体推进剂之一。但由于推进剂中含有大量的固体填料，虽然提高了推进剂的能量，改善了推进剂的力学性能，但随之带来的问题则是燃烧性能和工艺性能变差，燃速压强指数明显提高，燃速调节困难［2－5］。工程研究表明，推进剂燃烧性能的优劣。直接关系到火箭发动机内外弹道性能的稳定性［6－7］。因此，为了保证火箭发动机的可靠性和稳定性，固体推进剂研制必须根据发动机设计要求来调节推进剂燃速和压强指数。

燃速和压强指数是推进剂内弹道性能的重要参数。表征固体推进剂燃速(r)和环境压强(p)之间的关系一般采用 Vieille 经验公式［1，8］r=apn。其中，n 为燃速压强指数;a为燃速系数。

压强指数n是评价推进剂燃烧性能的重要参数，它反映了推进剂的燃速对压强变化的敏感程度，显而易见，n值越大，由于压强波动引起的燃速变化越大，或者燃速波动引起的燃烧室压强的波动也越大。因此，大多数发动机都要求推进剂药柱具有较低的压强指数，压强指数低的推进剂可提高发动机工作稳定性，更有利于推进剂自身的使用和推广。

本文通过实验分别研究了增塑剂、AP和HMX的含量及AP粒度级配等基本因素对GAP微烟推进剂燃速和压强指数的影响。

1 实验

1.1 推进剂制备

推进剂采用药浆浇注工艺，将推进剂组分预混后，加入到VKM-5型立式捏合机中，于50℃下捏合70 min，出料并真空浇注，放置于50℃油浴烘箱内固化7 d，得到推进剂方坯。

1.2 性能表征

采用水下声发射法测定推进剂燃速。首先，将推进剂制成4 mm×4 mm×110 mm的药条，包覆后测试3、6、8、10 MPa 时药条燃烧时间，采样频率为 1 kHz，每个压强下测定5根药条。其他操作与数据处理均参照GJB 770B—2005 中的706.1。

2 结果与讨论

2.1 增塑剂对燃速及压强指数的影响

含能的硝酸酯增塑剂作为粘合剂基体的重要组成部分，硝酸酯种类对推进剂配方燃烧性能产生很大影响。表1给出了4种硝酸酯增塑剂对GAP微烟推进剂燃烧性能的影响。

表1 硝酸酯对GAP微烟推进剂燃烧性能的影响Table 1 Effect of nitrate ester on the combustion property for minimum-smoke GAP propellant

由表1可看出，使用增塑剂NG/TEGDN和TEGDN代替增塑剂 BTTN和 NG/BTTN后，随着硝酸酯基—ONO2含量的降低，即粘合剂体系含能程度降低，推进剂燃速和压强指数都明显下降。其中，燃速压强指数降低的效果尤为明显，说明可采用增塑剂品种改变和匹配降低推进剂的压强指数。

2.2 HMX/AP相对含量对燃速及压强指数的影响

配方研究中，采用NG/TEGDN增塑剂，在保持配方参数基本相同的情况下，对比了HMX/AP的相对含量对燃速和压强指数的影响，见于表2。从表2可见，当HMX和AP的总含量保持不变时，AP含量降低(对应于HMX的含量增加)，推进剂燃速随之降低，而压强指数却升高。

表2 HMX/AP相对含量对GAP微烟推进剂燃烧性能的影响Table 2 Effect of the relative content of HMX/AP on the combustion property for minimum-smoke GAP propellant

2.3 AP粒度级配对燃速及压强指数的影响

调节高能复合固体推进剂燃烧性能最常用、最简单、对推进剂其他性能影响最小的方法是调节推进剂固体组分的粒度。GAP微烟推进剂中主要含有AP和HMX等固体组分，而AP粒度的变化对燃烧性能的影响较大。因此，研究AP的粒度对GAP微烟推进剂燃烧性能的影响规律，根据实际情况，选择合适的粒度级配。

AP作为复合推进剂的主要固体组分之一，其粒度对推进剂燃烧性能影响很大。采用适当AP粒度级配，可有效地调节推进剂燃速和压强指数。在保持配方参数基本不变的情况下，对比了级配后AP粒度对燃速和压强指数的影响，试验结果见表3。

表3 AP粒度级配对GAP微烟推进剂燃烧性能的影响Table 3 Effect of granularity graduation of AP on the combustion property for minimum-smoke GAP propellant

对表3数据进行线性回归(图1)，结果如下:

式中 N为子样数;R为线性拟合相关系数。

由以上分析可知，细粒度AP可大幅提高推进剂燃速，并降低压强指数。原因在于AP粒度减小，其表面积增大，它与推进剂其他组分接触界面随之增大。推进剂燃烧时，单位时间内分解量增大，且它的分解产物距AP固相较近，有利于向燃烧表面热反馈，使推进剂燃速增大。

图1 r随d50的变化关系Fig.1 The variation relationship of r vs d50

2.4 对GAP微烟推进剂的燃速及压强指数分析

复合推进剂的特征是晶状氧化剂成分与多种形态燃料在推进剂内部混合。因此，燃烧状态具有扩散燃烧特性。一般常用复合推进剂的燃烧，主要表现为氧化剂的燃烧形态。

复合推进剂的燃速是由推进剂燃烧表面产生的氧化剂成分与燃料成分的分解气体相互扩散，生成可燃混合气体的阶段决定的。在本研究GAP微烟推进剂中，AP的含量较高。因此，可基于AP系复合推进剂燃烧形态的粒状扩散火焰(GDF)模型来探讨其燃速特性。

根据GDF模型，推进剂的燃速可由式(2)计算:

p/r=a+bp2/3(2)式中 p为压强;a为在燃烧表面可燃气体与反应速度的系数;b为在燃烧表面氧化剂成分气体及燃料成分气体与扩散速度的系数。

由式(2)可知，推进剂燃速取决于气体的反应速度时，对b的依赖性变小;而推进剂燃速取决于扩散速度时，对a的依赖性变小。在采用AP和HMX作为氧化剂时，与燃速呈线性关系;在利用GAP粘合剂作为燃料时，由于AP和HMX具有依赖扩散速度的特性，所以其燃速取决于氧化剂成分的粒度大小［9－10］。

另一方面，从GAP微烟推进剂的配方组成来看，只有硝酸酯和AP是富氧组分，其余皆为贫氧，贫氧组分的完全燃烧主要依靠AP提供氧元素。因而在推进剂火焰中AP火焰的周围，富氧的分解物将与贫氧的组分发生氧化还原反应，形成火焰［11］。由于本配方中AP含量较高，因此可推断在AP火焰周围形成的是初始扩散火焰。根据扩散火焰的特点，其燃速和压强指数将对AP的粒度特别敏感。表3的数据恰好证明了这一点。总而言之，由于AP的引入，在推进剂火焰结构中出现了一个初始扩散火焰，导致推进剂的燃速和压强指数对AP粒度非常敏感。

根据以上分析可知，在GAP微烟推进剂中，氧化剂AP的粒度对于配方的燃速控制至关重要，是燃速调节的控制因素，但AP的扩散火焰燃烧也导致无法通过调节AP粒度同时实现降低燃速和压强指数。