RDX-CMDB推进剂燃速温度敏感系数的实验研究

裴　庆，赵凤起，郝海霞，徐司雨，张　衡

(西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室， 陕西 西安 710065)



RDX-CMDB推进剂燃速温度敏感系数的实验研究

裴庆，赵凤起，郝海霞，徐司雨，张衡

(西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室， 陕西 西安 710065)

为了揭示RDX-CMDB推进剂中各常见组分对其燃速温度敏感系数的影响规律，制备了一系列含RDX、铝粉及燃烧催化剂的CMDB推进剂样品。采用氮气靶线法测得其在2～14MPa下的燃速温度敏感系数(σp)。讨论了RDX含量、铝粉、燃烧催化剂对RDX-CMDB推进剂燃速温度敏感系数的影响。结果表明，提高工作压强、增加RDX含量、添加燃烧催化剂均有助于降低RDX-CMDB推进剂在一定初始条件下的燃速温度敏感系数。配方中引入铝粉后可降低中低压下RDX-CMDB推进剂的燃速温度敏感系数，且燃速温度敏感系数几乎不随压强变化而变化。选用含邻苯二甲酸铅和没食子酸铋锆作燃烧催化剂，均可在2～10MPa下降低RDX-CMDB推进剂的燃速压强指数，同时降低燃速温度敏感系数。

物理化学； RDX-CMDB推进剂；燃速；燃速温度敏感系数；铝粉；燃烧催化剂

引　言

固体推进剂的燃速温度敏感系数是表征固体推进剂初温变化对燃速影响规律的参量，也是衡量固体推进剂燃烧性能优劣的一个重要指标[1]。初始温度的变化会改变固体推进剂燃烧时的气相和凝聚相化学反应速率，并对气相火焰向燃烧表面的热传导过程产生影响，因此会影响固体推进剂的燃烧速度，进而改变固体火箭发动机的工作性能，直接影响到导弹的射程和精度。为了保证固体火箭发动机在使用温度范围内能稳定工作，要求固体推进剂在极端环境下具有良好的燃烧稳定性，其燃速温度敏感系数应尽可能小[2-3]。固体推进剂的燃速温度敏感系数与推进剂配方有关，因调控手段有限，目前国内外相关研究报道较少。

含RDX的复合改性双基推进剂(RDX-CMDB)是目前广泛应用的一类推进剂[4]，本实验从RDX-CMDB推进剂配方中RDX含量、铝粉及燃烧催化剂的引入等几个方面，系统研究RDX-CMDB推进剂燃速温度敏感系数的变化规律，以期为此类推进剂的应用提供参考。

1　实　 验

1.1原料与仪器

NC，氮质量分数为12%，四川北方硝化棉股份有限公司；RDX，甘肃银光化学工业集团有限公司；铝粉，粒径为12μm，盖州市金属粉末厂；没食子酸铋锆(Gal-BiZr)，自制；邻苯二甲酸铅(Φ-Pb)、雷索辛酸铜(β-Cu)、通用炭黑(CB)，均为工业品；NG、其他功能添加剂，西安近代化学研究所。

AE/BX-2006型固体推进剂多功能燃速测试系统，西安电子科技大学与西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室联合研制。

1.2推进剂样品制备

RDX-CMDB推进剂基础配方(质量分数)为：(NC+NG)64.7%，RDX 28%，其他助剂7.3%，具体配方见表1。燃烧催化剂选用传统的铅盐-铜盐-炭黑复合催化剂和新型绿色双金属盐没食子酸铋锆-铜盐-炭黑催化剂。投药量500g，催化剂外加。

采用吸收-驱水-放熟-压延-切药的常规无溶剂成型工艺制备推进剂样品，将试样制成Ф5mm×150mm的药条，侧面用聚乙烯醇溶液浸渍正反包覆6次并晾干。

表1　RDX-CMDB推进剂的配方

1.3燃速温度敏感系数的测定

采用氮气靶线法测试燃速温度敏感系数，参照GJB2005 770B方法706.1 进行[5]。使用燃烧室外贴半导体块的方式对燃烧室内的温度进行控制。将待测药条放置在与初始温度相同的恒温箱内30min后，装入燃速测试系统进行燃速测试，初始温度分别为-40、20和50℃，初始压强分别为2、7、10和14MPa，在每个初始温度和初始压强下重复进行3次燃速测试，计算出单点燃速；使用Grubbs方法进行有效性验证，若存在无效数据，则剔除后再进行2次重复测试，重新进行验证。保持初始压强一定，测出3个初始温度条件下单点燃速后按照式(1)计算拟合燃速温度敏感系数

(1)

式中：σp为燃速温度敏感系数；u为燃烧速度；T为初始温度；p为初始压强。

2　结果与讨论

实验测得RDX-CMDB推进剂的燃速温度敏感系数及相关系数(RT)见表2。

表2　RDX-CMDB推进剂燃速温度敏感系数和相关系数

2.1RDX含量对RDX-CMDB推进剂燃速温度敏感系数的影响

为了研究RDX-CMDB推进剂中RDX含量与燃速温度敏感系数的关系，设计了RDX质量分数为8%～38%的不同推进剂样品(样品1～样品4)。在初始压强一定时，依次测出初温为-40、20和50℃时不同RDX含量推进剂样品的燃速。不同压强下以3个初始温度计算的燃速温度敏感系数随RDX含量的变化情况如图1所示。

图1　不同压强下RDX含量对燃速温度敏感系数的影响Fig.1　Effects of RDX contents on the temperature sensitivity coefficient of burning rate for RDX-CMDB propellants at different pressures

由图1可以看出，在不同压强下，随着RDX含量的增加，各个样品的燃速温度敏感系数(σp)总体呈现降低趋势，即RDX质量分数为38%时σp最小，RDX质量分数为8%时σp最大。但当RDX质量分数在18%～28%时σp值变化不大。由此可知，RDX-CMDB推进剂的燃速温度敏感系数与RDX的含量有关，RDX质量分数为8%～38%时，增加RDX含量有利于降低RDX-CMDB推进剂的燃速温度敏感系数。此外，由图1还可以看出，RDX-CMDB推进剂的燃速温度敏感系数还与压强有关，在RDX含量相同情况下，压强增大，燃速温度敏感系数减小。

CMDB推进剂燃烧时，燃烧表面及凝聚相反应区通过热传导作用吸收热量，温度由初始温度(T0)升至表面温度(Ts)。在此区域，硝酸酯和RDX中的硝胺基团发生热分解反应，O-NO2键断裂生成NO2和醛类物质，这两种物质在靠近燃烧表面的嘶嘶区发生剧烈的氧化还原反应[6]，并放出大量的热，温度急剧升至暗区温度(Td)，所生成的NO、N2O和其他产物在暗区继续发生较为平缓的反应，产生明亮的火焰。双基、改性双基推进剂的燃速主要由嘶嘶区发生的放热反应控制，从嘶嘶区反馈到燃面的热流是决定燃速大小的主要因素。RDX-CMDB推进剂中RDX含量改变后，火焰中NO2浓度发生变化，对燃速大小产生重要影响[7]。初始温度发生变化时，对燃烧表面附近发生的RDX熔融过程和RDX、硝酸酯类物质的热分解反应产生影响，进而使嘶嘶区发生的放热反应受到影响，导致燃速发生改变。Kubota[8-9]基于燃烧波中一维一阶反应的分析提出双基、改性双基推进剂的温度敏感系数(σp)可由式(2)近似表示

σp=Φ+Ψ

(2)

式中：Φ为气相温度敏感度，由气相区参数决定；Ψ为凝聚相温度敏感度，由凝聚相区参数决定。

降低燃速温度敏感系数(σp)可通过降低气相温度敏感度(Φ)和凝聚相温度敏感度(Ψ)实现，对于RDX-CMDB推进剂，Φ对σp的影响更大，占总权重的70%。提高嘶嘶区温度(Tf)、降低嘶嘶区反应活化能可降低气相温度敏感度，提高燃烧表面温度(Ts)可降低凝聚相温度敏感度。

2.2铝粉对RDX-CMDB推进剂燃速温度敏感系数的影响

以样品3为基础，设计了含质量分数10%微米铝粉的样品5(微米铝粉取代吸收药，其余组分保持不变，具体配方如表1所示)，样品3和样品5的燃速温度敏感系数随压强的变化如图2所示。

图2　样品3和样品5 的燃速温度敏感系数随压强的变化曲线Fig.2　The changing curves of temperature sensitivity coefficient of burning rate vs. pressure for sample 3 and sample 5

由图2可看出，RDX-CMDB推进剂中加入微米铝粉后，燃速温度敏感系数在2～14MPa下变化不大，说明压强对该类推进剂的燃速温度敏感系数影响并不明显。含铝粉的样品5与不含铝粉的样品3相比，压强为2～10MPa时，样品5的燃速温度敏感系数小于样品3，压强为14MPa时，样品5的燃速温度敏感系数大于样品3。说明在中低压强下微米铝粉具有降低RDX-CMDB推进剂燃速温度敏感系数的作用，当压强大于10MPa时，铝粉反而会增大初始温度对推进剂燃速的影响作用。

2.3燃烧催化剂对RDX-CMDB推进剂燃速温度敏感系数的影响

在样品3的基础上，设计了含邻苯二甲酸铅燃烧催化剂的样品6和含新型绿色非铅催化剂[10]没食子酸铋锆的样品7。上述3个样品在初始温度20℃时的燃速和燃速压强指数如表3所示。

表3　 含不同燃烧催化剂的RDX-CMDB推进剂在初始温度20℃时的燃速和燃速压强指数

由表3可以看出，所选用的两类燃烧催化剂对RDX-CMDB推进剂的燃烧均有明显的催化作用，在一定初始压强下可大幅提高燃速，并能有效降低RDX-CMDB推进剂的燃速压强指数，因此有必要研究两类燃烧催化剂对RDX-CMDB推进剂燃速温度敏感系数的影响规律。样品3、样品6和样品7的燃速温度敏感系数随压强的变化如图3所示。

图3　样品3、样品6和样品7的燃速温度敏感系数随压强的变化曲线Fig.3　The changing curves of temperature sensitivity coefficients of burning rate vs. pressure for sample 3,sample 6 and sample 7

由图3可以看出，在压强小于10MPa时，加入燃烧催化剂可在10MPa下有效降低RDX-CMDB推进剂的燃速温度敏感系数，在压强较低时(2MPa)该现象尤为明显。在2～7MPa时，含邻苯二甲酸铅燃烧催化剂的样品6的σp值接近甚至低于0，体现出良好的燃烧性能调节作用；由表3可知，压强为2～10MPa时，样品6的燃速压强指数较低，当压强大于10MPa时，燃速压强指数增大，燃速温度敏感系数也迅速增大。含没食子酸铅锆的样品7在7～14MPa时燃速压强指数在0.40左右，燃速温度敏感系数总体处于较低的水平，由此可见，与样品3相比，没食子酸铋锆的加入可显著降低RDX-CMDB推进剂在2～10MPa下的燃速温度敏感系数。σp值随压强变化不大，呈缓慢上升的趋势。与含邻苯二甲酸铅燃烧催化剂的样品6相比，含没食子酸铋锆的样品7在10MPa以上具有相对较低的燃速温度敏感系数。

3　结　论

(1)增大RDX-CMDB推进剂中RDX含量是降低其燃速温度敏感系数的有效途径。尤其在高压(14MPa)条件下，高RDX含量的RDX-CMDB推进剂具有低的燃速温度敏感系数。

(2)含微米铝粉的RDX-CMDB推进剂的燃速温度敏感系数几乎不随压强变化而改变。加入微米铝粉能显著降低RDX-CMDB推进剂在10MPa以下的燃速温度敏感系数。

(3)选用含邻苯二甲酸铅和没食子酸铋锆的燃烧催化剂均可在2～10MPa下降低RDX-CMDB推进剂燃速压强指数的同时降低燃速温度敏感系数。其中含邻苯二甲酸铅盐燃烧催化剂的RDX-CMDB推进剂在2～7MPa时燃速温度敏感系数接近0。

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Experimental Research on Temperature Sensitivity Coefficient of Burning Rate for RDX-CMDB Propellant

PEI Qing, ZHAO Feng-qi, HAO Hai-xia, XU Si-yu, ZHANG Heng

(Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory, Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065，China)

In order to reveal the effects of the commonly used component on temperature sensitivity coefficient of burning rate for RDX-CMDB propellant, a series of propellant samples containing RDX, aluminium powder and combustion catalyst were prepared. Their temperature sensitivity coefficients of burning rateσPwere determined at the pressure of 2MPa to 14MPa by using nitrogen strand burner method. The influences of RDX content, aluminium powder and combustion catalysts on the temperature sensitivity coefficient of burning rate were discussed. The results show that the increase of working pressure and RDX content and the addition of combustion catalyst are healpful to reduce the temperature sensitivity coefficient of burning rate of RDX-CMDB propellant under certain initial conditions. After introducing aluminium powder into the formulation, the temperature sensitivity coefficient of burning rate of RDX-CMDB propellant at middle and low pressures can be reduced and is almost not changed with the pressure. Using lead phthalate and bismuth/zirconium gallate as combustion catalyst may reduce pressure exponent of burning rate at the pressure of 2MPa to 10MPa and reduce the temperature sensitivity coefficient of burning rate.

physical chemistry; RDX-CMDB propellant; burning rate; temperature sensitivity coefficient of burning rate; aluminium powder; combustion catalyst

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.014

2015-12-26；

2016-04-08

国家自然科学基金资助(No.21473130)

裴庆(1982-)，男，硕士，副研究员，从事固体推进剂燃烧研究。E-mail:peiqing204@sohu.com

赵凤起(1963-)，男，博士，研究员，从事固体推进剂及含能材料研究。E-mail:zhaofqi@163.com

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1007-7812(2016)03-0073-04