AP的聚集对CTPB推进剂端燃药柱边界效应的影响①

杜 芳，乔应克，肖金武，李 冰，张运刚，罗 薇

(中国航天科技集团公司四院四十二所，襄阳 441003)



AP的聚集对CTPB推进剂端燃药柱边界效应的影响①

杜 芳，乔应克，肖金武，李 冰，张运刚，罗 薇

(中国航天科技集团公司四院四十二所，襄阳 441003)

为考察AP的聚集对端燃药柱燃烧边界效应的影响，以CTPB推进剂端燃药柱为研究对象，从药柱剖切面的中心到边界进行等距取样，分别采用GJB 770B—2005和SEM-EDS测试了不同部位试样的燃速和Cl元素含量(代表AP含量)。结果表明，在药柱剖切面上，燃速由中心向边界逐渐增加，呈现出典型的燃速边界效应；同样，AP含量也由中心向边界逐渐增加，表明燃速边界效应是由AP含量分布不均造成的。浇注方式对端燃药柱燃速边界效应具有明显影响，采用全燃面浇注方式可以消除药浆浇注过程中侧向流动导致的AP含量分布不均的现象，从而弱化燃速边界效应，有助于提高端燃药柱的燃烧稳定性。

端面燃烧；AP；聚集；浇注方式；边界效应

0 引言

在端面燃烧的固体火箭发动机中，由于推进剂/绝热层界面处的推进剂燃速高于药柱中心区推进剂燃速[1]，存在药柱燃面出现锥面的现象，即所谓燃速的边界效应。此时，由于药柱呈锥面燃烧，发动机的工作压强和推力将增大，其有效工作时间缩短[2]，同时也会使燃烧残药量增大，压强下降段的拖尾时间延长，导致发动机工作参数偏离设计值，给发动机性能预估带来困难，最终影响导弹的射程和命中精度。

引起燃速边界效应的原因一般有界面应力、界面传热、液体组分迁移和固体组分聚集等[3-6]。本文针对端燃药柱出现锥面燃烧现象，以CTPB推进剂端燃药柱为研究对象，采用测燃速、SEM-EDS测Cl元素，证实浇注过程药浆流动引起出现锥面燃烧现象，提出了可行的全燃面浇注方法。

1 试验

1.1 试样制备

推进剂配方的基本组成：CTPB粘合剂体系，18.3%；氧化剂AP，42.5%；降温剂JW1，37.5%；功能助剂1.7%。推进剂药柱制备工艺采用VKM-5立式混合机混合、真空浇注、60 ℃固化成型。

采用图1所示的2种浇注方式制备以NBR为包覆层的药柱试样，尺寸为φ156 mm×200 mm。

剥下包覆药柱上的包覆层，从药柱中间部位取出一块推进剂试样(如图2所示的阴影部分)，以所取的推进剂试样的中部(对应包覆药柱的中心点)为基准，向两边均匀切片(如图3所示)，记录各切片到药柱中心点的距离，随后按GJB 770B—2005标准制样，测试每一片试样的燃速。

图3 药块切片制样示意图Fig.3 Sketch of propellant sample slice

1.2 测试表征

静态燃速采用WAE2000固体推进剂燃速测试仪测试，测试方法参照GJB 770B—2005执行。

2 实验结果及讨论

2.1 端燃药柱燃面的燃速分布规律

采用前述1.1节的方法，分别对2种浇注方式制备的药柱试样进行取样和制样，测试7 MPa下燃速r7MPa，将切片到药柱中心点的距离记为L，并做出r7MP-L关系图，结果见图4。

图4 不同浇注方式制备的药柱燃速分布Fig.4 Burning rate distribution under different casting methods

由图4可见，2种浇注方式制得药柱的燃面燃速分布明显不同，对于全燃面浇注方式，仅在近界面层约10 mm范围存在燃速升高现象，界面区域与中心区域燃速之比约为1.03∶1，其余燃面范围的燃速变化较小，在2.45 mm/s左右正常波动。而对于中心浇注方式(见图1)，仅在浇注花板覆盖的燃面区域，即距药柱燃面中心约30 mm以内区域的燃速变化较小，在2.33 mm/s左右正常波动，其余区域由近药柱中心向推进剂/绝热层界面，明显存在燃速逐渐升高的趋势，且在近界面层约10 mm范围燃速升高幅度更大，其界面区域与中心区域燃速之比约为1.14∶1，明显高于前述的全燃面浇注方式。

以上试验结果表明，CTPB推进剂端燃药柱的燃面存在燃速的边界效应，浇注方式不同，边界效应大小有别。结合相关文献[6-8]，初步分析认为，上述现象可能与AP在燃面不同部位含量不同有关，而浇注方式会影响氧化剂AP在药柱燃面范围内的分布。

2.2 AP引起边界效应的机理分析

为证实在所研究的CTPB推进剂端燃药柱燃面是否存在AP含量分布问题，以中心浇注药柱为研究对象，采用SEM-EDS连用仪器观察了其燃面不同区域取样的表面形貌，并测试了Cl元素的含量。试样取自图4中的区域1、4、7、10，试验结果见图5和图6。

由图5可见，绿色团块代表Cl元素，由于推进剂中Cl元素来自氧化剂AP，通过绿色团块多少可定性判断出AP含量的高低；不同部位推进剂试样中AP的分布是不均匀的，由燃面中心点向界面区，灰色团块明显增多，表明AP含量越高。在扫描电镜下可观察到有白色的固体小颗粒在不断的“跳动”，并在不同的试样中“跳动”的小颗粒的多少为：10>7>4>1，分析认为不断“跳动”的小颗粒为细粒度的AP。

由图6可见，峰的高低代表氯元素相对含量的高低，通过Cl元素含量可推算出AP的大致含量。对EDS面总谱图进行分析计算，可得4个取样区域的Cl元素的含量分别为8.52%、9.16%、9.49%、10.77%，据此计算可知，AP的含量分别为37.7%、40.5%、42.0%、47.7%。

(a)区域1 (b)区域4

(c)区域7 (d)区域10

图6 不同部位试样中Cl元素的EDS面总谱图Fig.6 EDS photos of Cl in propellant samples at different parts

以上仪器分析结果表明，在CTPB推进剂端燃药柱的燃面中，由燃面的中心点向界面区存在AP含量逐渐增加的明显趋势，推进剂/绝热层界面区AP的浓度明显高于燃面中心点。表明AP在燃面的含量分布，是导致端燃药柱界面区燃速高于中心点(即燃速的边界效应)的主要原因。

分析认为，对于全燃面浇注方式，只有接近界面区的燃速稍高，其余燃面区燃速在正常范围内波动，这归因于：推进剂中氧化剂AP为两级配，氧化剂在绝热层附近不能均匀排列(见图7[5])，存在许多空隙，药柱浇注解除真空药浆下沉，细粒度氧化剂AP会填充到这些空隙中，绝热层附近的AP粒径会比其他部位相对较小，从而导致燃速也相对较高。对于中心浇注方式，除了上述AP在界面区排列问题外，还存在药浆的侧向流动引起的固体组分浓度的分布。由于固体组分颗粒粒度、粒形和密度的差异，流动速度大小会不同，造成侧向流动药浆内部的固体组分的均匀程度发生了变化,导致AP浓度沿药柱燃面中心向界面层逐渐增加，因而推进剂燃速也随之增加，结果导致对中浇注方式制备的端燃药柱的界面层燃速增高幅度明显高于全药面浇注方式。

图7 推进剂/绝热层界面处固体颗粒尺寸分布Fig.7 Particle size distribution at side walls of the propellant grain

3 结论

(1)CTPB推进剂端燃药柱燃面存在燃速由燃面中心点向推进剂/绝热层界面逐渐增加的现象，其原因主要归因于细粒度AP在界面层附近的聚集及药浆浇注过程中侧向流动导致的AP浓度的不均匀分布。

(2)浇注方式对端燃药柱燃速边界效应具有明显影响，采用全燃面浇注方式可消除药浆浇注过程中侧向流动导致的AP浓度的分布现象，弱化边界效应。

[1] Davenas A.固体火箭推进剂技术[M].北京:宇航出版社,1997.

[2] 夏志全.端面燃烧发动机研制中应注意的几个问题[J].固体火箭技术,2000,23(2):12-15.

[3] Gonthier B,Tauzia J M.Burning rate enhancement phenomena in end-burning solid propellant grains[C] // AIAA/SEA/ASME/ASEE,21st Joint Propulsion Conference,1985.

[4] Jolley W H,Hooper J F,Hilton PR,et al.Studies on coning in end-burning rocket motors[C] // AIAA/SEA/ASME/ASEE,21st Joint Propulsion Conference,1985.

[5] Probster M,Schmucker R H.Ballistic anomalies in solid rocker motors[C] // 36th Congress of the International Astronautical Federation Stockholm,Sweden,October 7-12,1985.

[6] Messner A M.Transient coning in end-burning solid propellant grains[R].AIAA 80-1138.

[7] Say les D C.U ltra-ultrahigh burning rate composite modified double-base propellan ts containing porous ammonium perchlorate [ P] .US 4944816,1990.

[8] 王伯羲,冯增国,杨荣杰.火炸药燃烧理论[M].北京:北京理工大学出版社,1997.

(编辑：吕耀辉)

Influence of AP concentration on boundary effect of CTPB propellant end-burning grain

DU Fang，QIAO Ying-ke，XIAO Jin-wu，LI Bing，ZHANG Yun-gang，LUO Wei

(42nd Institute of the Fourth Academy of CASC，Xiangyang 441003，China)

Based on CTPB propellant end-burning grain and equidistant interval sampling from the center of grain section to boundary,the burning rates and Cl contents(representing AP contents)of different parts of grain section were determined to disclose the influence of AP concentration on boundary effect by using GJB770B—2005 Standard and SEM-EDS respectively.The experimental results show that the burning rates of different parts of grain section increase gradually from center to boundary,which takes on a typical boundary effect. Similarly,the AP contents of different parts of grain section also increase gradually from center to boundary,which indicates that the boundary effect results from the uneven distribution of AP content in different parts of grain.Furthermore,the casting style can affect the boundary effect significantly.When uniform casting style is adopted,the uneven distribution of AP caused by the lateral flow in the process of propellant slurry-casting can be eliminated and the boundary effect can be weakened as well.As a result,the combustion stability of end-burning grain will be increased evidently.

end-burning；AP；concentration；casting style；coning effect

2014-01-22；

：2014-02-24。

杜芳(1987—)，女，硕士，研究方向为固体火箭发动机基础理论研究。E-mail：dufang0123@163.com

V512

A

1006-2793(2015)01-0083-03

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.015