内弹道稳定剂对中高燃速RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

王江宁，杨 斌，孙志刚，尚 帆，谢 波，马 亮

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安710065; 2.宜宾北方川安化工有限公司，四川 宜宾 644219)



内弹道稳定剂对中高燃速RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

王江宁1，杨 斌2，孙志刚1，尚 帆1，谢 波1，马 亮1

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安710065; 2.宜宾北方川安化工有限公司，四川 宜宾 644219)

以一种中高燃速改性双基推进剂配方为基础配方，添加不同粒度的Al2O3及不同品种的内弹道稳定剂， 研究了6～20MPa下推进剂燃速和燃速压强指数的变化规律，并对其燃烧机理进行了分析。结果表明，添加Al2O3后推进剂的燃速降低,且随着压强的升高，燃速降低的幅度减小；不同品种的内弹道稳定剂对燃速及燃速压强指数降低和提高的幅度不同，TiO2提高了推进剂高压段的燃速，MgO几乎不影响推进剂燃速，而Al2O3、ZrO2均降低了推进剂的燃速。添加不同粒度的Al2O3后，均使燃烧表面的催化剂含量(浓度)降低，改变了催化剂的催化效率，从而导致添加芳香铅A催化剂的推进剂中Al2O3粒径分别为10μm和2.5μm时，燃速相应降低0.25mm/s和1.25mm/s。不同品种的内弹道稳定剂对燃烧表面催化剂含量、分散均匀性、催化活性的影响不同，TiO2、MgO的活性高于Al2O3和ZrO2，从而表现出添加TiO2、MgO的推进剂燃速高于添加Al2O3、ZrO2的推进剂。

物理化学；燃烧性能；改性双基推进剂；内弹道稳定剂；Al2O3

引 言

Al2O3是双基和改性双基推进剂常用的内弹道稳定剂，常用的规格型号符合GB2479工业磨料要求，其平均粒径为1.0、2.5、3.5、5.0、7.0、10.0μm。国内对其进行了大量研究工作[1-4]。李上文等[1]研究了不同粒度Al2O3对燃速为6.5mm/s(5MPa，20℃)平台燃速改性双基推进剂的燃速影响规律，结果表明，Al2O3粒度为5～10μm时对燃速无影响、2.5～3.5μm时燃速提高约2mm/s。张晓宏等[5]对利用燃烧稳定剂调节燃速作了研究，结果表明，粒径为3.5μm 的Al2O3对燃速提高的幅度小于粒径为2.5μm的Al2O3，因此通过两种粒度Al2O3按比例组合，将W-2改性双基推进剂的平台燃速由12.4mm/s(10～11MPa，20℃)降低为11.4mm/s。李上文、陈竚、张晓宏等[1,6-7]还研究了MgO、CaCO3、 ZrO2、ZrB2等内弹道稳定剂对低压(5MPa)低燃速(基础配方燃速小于8mm/s)双基和改性双基推进剂平台燃速的影响规律，结果表明，ZrO2、ZrB2使空白配方燃速提高，其催化能力随其粒度减小而上升。由此可见，虽然Al2O3、MgO、CaCO3、ZrO2、ZrB2主要作用是内弹道稳定剂，但对燃烧性能有一定的影响，研究内弹道稳定剂对燃烧性能的影响规律，对双基和改性双基推进剂燃速性能的调节具有重要意义。

本试验通过研究平台燃速为25～30mm/s(10MPa，20℃)改性双基推进剂的燃烧性能，发现添加粒径2.5μm的Al2O3降低了基础配方推进剂的平台燃速，为此专门设计了含不同粒度Al2O3的改性双基推进剂配方，研究了Al2O3对中高燃速改性双基推进剂燃烧性能的影响规律，并分析了相关的燃烧机理，以期为中高燃速改性双基推进剂研究过程中燃烧性能的调节提供参考。

1 实 验

1.1 样品和仪器

NC，含氮量12.0%，四川北方硝化棉股份有限公司；NG，西安近代化学研究所；RDX，工业纯，兰州白银银光化学材料厂；Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2、芳香铅A均为工业级。

静态恒压燃速仪，北京航天动力研究所。

改性双基推进剂配方组成如表1所示，其中芳香铅A催化剂与文献[1]中一致。

1.2 实验方法

采用传统螺压工艺，即“吸收-光辊压延-切药”制备塑化良好、符合标准直径和长度(Φ5mm×5mm×150mm)的燃速药条。将已处理过的药条侧面用聚乙烯醇溶液浸渍包覆6次并晾干，在恒压燃烧室中按照GJB770B-2005方法706.1“燃速-靶线法”测试燃速并计算燃速压强指数。温度为20℃，压强范围为6～20MPa。

表1 改性双基推进剂的配方

2 结果与讨论

2.1 内弹道稳定剂对推进剂燃烧性能的影响

按照表1设计的改性双基推进剂配方，在无Al2O3的基础推进剂配方(MA-1)中，分别添加相同粒度(2.5μm)和含量的内弹道稳定剂Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2，研究其对推进剂燃烧性能的影响，结果如图1所示。

图1 内弹道稳定剂对推进剂燃烧性能的影响Fig.1 Influence of different kinds of internal ballistics stabilizer on the combustion performance of propellant

由图1可以看出，与无Al2O3的基础配方推进剂MA-1相比，添加MgO的MA-6推进剂在6～20MPa的整体燃速-压强曲线位于MA-1推进剂下方，但与MA-1推进剂的十分接近，6、8、20MPa时几乎重合。说明添加2.5μm的MgO对推进剂的燃速和压强指数影响很小。

添加TiO2的MA-7推进剂，6、8MPa下的燃速低于基础配方推进剂MA-1,10MPa下燃速与MA-1相同，14、17、20MPa下燃速高于MA-1，而且17、20MPa下高出3mm/s左右。

添加ZrO2的MA-8推进剂，6～20MPa下燃速均低于MA-1推进剂，但随着压强升高，燃速逐渐接近MA-1推进剂，20MPa下燃速几乎相同。6～20MPa下推进剂压强指数低于MA-1推进剂。

与添加Al2O3的MA-2推进剂相比，添加MgO后6～14MPa下燃速比MA-2推进剂高1mm/s左右，17和20MPa下燃速相同；14～17MPa下的燃速压强指数为0.16，小于MA-2推进剂的0.23。添加TiO2后，推进剂6～9MPa下燃速低于MA-2推进剂，9～20MPa燃速逐渐高于MA-2推进剂，尤其17～20MPa下显著高于MA-2推进剂，约高3mm/s；6～17MPa下燃速压强指数显著高于MA-2推进剂，而17～20MPa下燃速压强指数为0.11，小于MA-2推进剂的0.19。添加ZrO2的情况与MA-1推进剂类似。

燃烧机理研究结果表明[8]，在推进剂燃烧过程中，Al2O3和Pb、Cu、CB等催化剂均会在燃烧表面积聚。根据这一观点，本研究认为Al2O3在燃烧表面的积聚，导致Pb、Cu、CB等催化剂相对浓度减小，这必然引起推进剂燃烧性能的波动，认为这是Al2O3等稳定剂影响燃速及燃速压强指数大小的根本原因。

根据李上文等[1,9-10]的报道，当PbO、芳香酸铅B等Pb催化剂浓度(添加量)降低时则推进剂燃速升高，当芳香酸铅A等Pb催化剂浓度(添加量)降低时则推进剂燃速降低，本研究的MA系列推进剂中添加了芳香铅A催化剂，在添加Al2O3以后，造成推进剂燃烧表面铅催化剂浓度降低，则燃速降低[9-10]。

2.2 Al2O3粒度对推进剂燃烧性能的影响

按照表1设计的改性双基推进剂配方，在无Al2O3的基础推进剂MA-1中，分别添加粒径为2.5、5.0、7.0、10.0 μm的Al2O3，得到1组燃速—压强曲线，如图2所示。

图2 Al2O3粒度对推进剂燃烧性能的影响Fig.2 Influence of the particle size of Al2O3 on the combustion performance of propellant

根据图1的燃速测试结果，按公式(1)计算不同压强下添加Al2O3后的燃速变化系数y，计算结果如表2 所示。

y=ux/u1

(1)

式中：u1为基础推进剂MA-1的燃速，ux为添加不同粒度Al2O3以后推进剂的燃速。

表2 不同压强下燃速变化系数

由图1和表2可知，17MPa以下，添加Al2O3后，推进剂的燃速均降低，降幅随压强增大而减小；当压强达到20MPa时，燃速等于或高于无Al2O3时推进剂的燃速。从燃速降低系数分析可知，10、14、17MPa时随Al2O3粒度增大，燃速降低幅度减小，即Al2O3粒度增大对基础配方推进剂的燃速影响减小，与张晓宏等[5]报道“Al2O3粒度增大，提高W-2推进剂燃速的幅度降低”的规律一致。

为了进一步研究和验证添加不同粒度Al2O3后推进剂的燃烧规律，对不同压强下燃速变化系数(y)的平均值与压强(p)作图，见图3，拟合结果为一条直线，其方程为y=0.0040+0.9233p，相关系数为：R2=0.9947。

图3 燃速变化系数与压强的关系Fig.3 Relation of burning rate variation coefficient and pressure

由图3可见，压强与燃速变化系数的平均值具有较好的线性相关性，说明表2数据及其规律具有较好的准确性和可靠性。

综上所述可知，Al2O3粒度变化对推进剂燃烧性能的影响与燃烧表面Pb、Cu、CB等催化剂的浓度和分散均匀性有关，Al2O3粒度越大对燃烧表面铅催化剂浓度的影响越小，所以对燃速的影响幅度降低。此结论可以指导工程应用时燃烧性能的调节。

3 结 论

(1)在RDX-CMDB推进剂中添加Al2O3后，燃烧表面芳香铅A催化剂的浓度降低，导致推进剂燃速降低，Al2O3粒度增大对燃烧表面铅催化剂浓度的影响作用降低，则对燃速的影响幅度也降低。

(2)不同内弹道性能稳定剂对燃烧表面Pb、Cu、CB等催化剂含量的影响和催化剂活性的影响不同，TiO2、MgO的活性高于Al2O3和ZrO2，从而表现出添加TiO2、MgO的推进剂燃速高于添加Al2O3、ZrO2的推进剂。

[1] 李上文，赵凤起，徐司雨.低特征信号固体推进剂技术[M].北京：国防工业出版社，2013:191-216,145-147.

[2] 赵崇信，王晰献，孟燮铨，等.无烟固体推进剂燃烧稳定剂最佳粒度的实验研究[J].火炸药学报(原火炸药)，1987,10(2)：5-7.

ZHAO Chong-xin, WANG Xi-xian, MENG Xie-quan, et al. Study on the optimal particle of combustion stabilizer of smokeless propellant [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao), 1987,10(2)：5-7.

[3] 李上文，孟燮铨，张蕊娥，等.白刚玉对微烟推进剂燃烧性能的影响[J].固体火箭技术，1993(3)：82-89.

LI Shang-wen, MENG Xie-quan, ZHANG Rui-e, et al. Influence of white corundum on the combustion performance of low smoke propellant [J]. Journal of Solid Rocket Technology, 1993(3)：82-89.

[4] 王宁飞，陈龙, 赵崇信，等.固体火箭燃烧室内微粒分布的实验研究[J].推进技术，1995,16(4)：24-27.

WANG Ning-fei, CHEN Long, ZHAO Chong-xin, et al. An experimental study on distribution of particulates in solid rocket motors[J]. Journal of Propulsion Technology, 1995,16(4)：24-27.

[5] 张晓宏，张蕊娥，王百成，等.利用燃烧稳定剂调节燃速的研究[J].火炸药学报，2000,23(3):26-29.

ZHANG Xiao-hong, ZHANG Rui-e, WANG Bai-cheng, et al. Study on burning rate regulating by combustion stabilizer [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2000,23(3):26-29.

[6] 陈竚，张佩，张晓宏，等. ZrO2和ZrB2在螺压双基推进剂中的应用[J].含能材料，2013,21(1)：53-56.

CHEN Zhu, ZHANG Pei, ZHANG Xiao-hong, et al. Application of ZrO2and ZrB2in screw extrusion double-based propellants [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2013,21(1)：53-56.

[7] 张晓宏，张佩，王百成，等.新型燃烧稳定剂对双基固体推进剂燃烧性能的影响[J].含能材料，2011,19(5)：557-560.

ZHANG Xiao-hong, ZHANG Pei, WANG Bai-cheng, et al. Effects of new combustion stabilizers on combustion performances of double-based propellant [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2011,19(5)：557-560.

[8] 王江宁.双基推进剂燃烧表面碳单元理论(物理模型Ⅰ)[J].固体火箭技术，1991(3)：58-63.

WANG Jiang-ning. Carbon-unit theory hypothesis on combustion surface of double base propellant (physical model 1) [J]. Journal of Solid Rocket Technology, 1991(3)：58-63.

[9] 郭.萨默菲尔德.固体推进剂燃烧基础(下册) [M]. 朱荣贵，等译.北京:宇航出版社，1994:10-14.

[10] 孟燮铨.螺压双基和改性双基推进剂燃速-压强图谱[M].西安:西安近代化学研究所,2014:158-160.

Influence of Interior Ballistic Stabilizer on the Combustion Performance of Middle and High Burning Rate RDX-CMDB Propellants

WANG Jiang-ning1, YANG Bin2, SUN Zhi-gang1, SHANG Fan1, XIE Bo1, MA Liang1

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China;2.Yibin North Chuan′anChemical Industry Co. Ltd, Yibin Sichuan 644219, China)

The change rule of burning rate and pressure exponent of the propellant in the range of 6-20MPa was studied taking a kind of middle or high burning rate CMDB propellant as basic formula and adding Al2O3with different particle size and different kinds of internal ballistics stabilizer.The combustion mechanism was analyzed. The results show that the burning rate decreases when Al2O3is added. The reduction range of burning rate reduces with the pressure rising. The range of enhancement or reduction of different kinds of internal ballistics stabilizer to burning rate and pressure exponent is different. TiO2increases the burning rate in high pressure stage and MgO does not affect the burning rate of propellant while Al2O3and ZrO2both decrease the burning rate of propellant. The catalyst content (or concentration) on the combustion surface decreases when different particle size of Al2O3is added. The catalytic efficiency of catalyst is changed, which leads to 0.5mm/s and 1.25mm/s reduction on burning rate of propellant added aromatic lead A and Al2O3with the particle size of 10μm and 2.5μm, respectively. The influence of internal ballistics stabilizer on catalyst content, dispersal uniformity and catalyst activity is different. The activity of TiO2and MgO is higher than that added Al2O3and ZrO2, which reflects that the burning rate of propellant added TiO2or MgO is higher than that added Al2O3and ZrO2.

physical chemistry; combustion performance; composite modified double-base propellant; interior ballistic stabilizer;Al2O3

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.05.020

2016-04-06；

2016-07-13

国防科工局基础产品创新科研项目(SJQC1510)

王江宁(1964-)，男，研究员，从事固体推进剂研究。E-mail:wangjiangning001@sohu.com

TJ55;V512

A

1007-7812(2016)05-0119-04