GAP高能低特征信号推进剂的燃烧性能调节

宋 琴，代志高，尹必文，项 丽，吴京汉

(湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳441003)

GAP高能低特征信号推进剂的燃烧性能调节

宋 琴，代志高，尹必文，项 丽，吴京汉

(湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳441003)

研究了硝胺种类、固体组分含量和粒度、增塑剂与GAP的增塑比及燃速催化剂对GAP高能低特征信号推进剂在11～19MPa下燃烧性能的影响。结果表明，当HMX取代推进剂样品中的RDX时，推进剂的燃速较高，压强指数从0.72降至0.63；在AP和HMX总质量分数为67.5%的条件下，随着AP质量分数由5%增至30%，推进剂燃速逐渐增大，压强指数由0.82降至0.45；减小AP粒度以及在配方中添加燃速催化剂或调节过渡金属化合物J1/J2的配比，可较大幅度地增加推进剂燃速和降低压强指数，其中，J1与J2总质量分数为3%，二者质量比为2∶1和1∶1时，推进剂的压强指数较小，分别为0.50和0.48；随着HMX粒度减小及增塑剂与GAP黏合剂的增塑比的降低，推进剂的燃速和压强指数降低。

聚叠氮缩水甘油醚；GAP；高能低特征信号推进剂；燃烧性能；压强指数；黏合剂；增塑剂

引 言

推进剂燃烧时产生的特征信号使导弹武器的生存能力和突防能力受到严重威胁，因此推进剂的隐身对于整个导弹系统非常重要。通常，战术导弹在发射及飞行时，喷焰中的烟雾不仅有可见烟，还有红外和紫外辐射，容易暴露导弹方位，也易被敌方拦截[1]；另一方面，制导信号(微波、电磁波和激光)穿越喷焰和烟雾区时还会衰减和被干扰，从而严重影响制导的精确性[2-3]。因此，研究具有低特征信号的新型推进剂是固体推进剂发展的一个重要方向。

聚叠氮缩水甘油醚(GAP)具有生成热高、密度大、燃气无腐蚀性、特征信号低、燃温低、感度低等优点，被认为是研制高能、钝感和低特征信号推进剂的关键材料之一，是固体推进剂的理想黏合剂[4]。将GAP作为高能低特征信号推进剂黏合剂时，可以弥补减少金属粉以及AP含量带来的能量损失，且其与常规氧化剂、增塑剂相容性好。在GAP高能低特征信号推进剂配方研制过程中，为了减少一次烟和二次烟的生成量，常采用降低燃烧剂金属Al粉和氧化剂AP含量并相应提高HMX或RDX含量来降低推进剂的特征信号，因此无Al粉、少AP(质量分数不大于15%)、高硝胺含量成为高能低特征信号推进剂配方的一个重要研究趋势。目前，某背景型号发动机要求采用此高能低特征信号推进剂配方，但由于该体系中多硝胺含量的特征，推进剂在11～19MPa内存在压强指数偏高的问题，严重影响发动机正常工作的可靠性。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[5-6]。李伟等[7]研究认为，在GAP少烟推进剂中添加铅盐催化剂，可大幅提高高压燃速和降低高压段压强指数；顾健等[8]研究了新型负载燃速催化剂对NEPE推进剂燃速的影响，认为新型负载型燃速催化剂可大幅提高推进剂的燃速并降低压强指数。

本研究从高硝胺含量推进剂燃烧特性入手，研究了不同硝胺种类、固体组分含量、固体组分粒度、增塑剂与GAP黏合剂增塑比以及燃速催化剂对GAP高能低特征信号推进剂燃烧性能的影响。

1 实 验

1.1 样 品

GAP黏合剂、硝酸酯、AP(IV类)、NG/TEGDN以及NG/BTTN共混，湖北航天化学技术研究所；HMX(β型一级品)、RDX，甘肃银光化学工业集团有限公司；AP(Ⅲ类)，大连高佳化工有限公司；

1.2 推进剂制备

推进剂基础配方(质量分数)为：AP≤15%，硝胺>50%，硝化甘油(NG)和三甘醇二硝酸酯(TEGDN)或1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)组合硝酸酯增塑剂/GAP黏合剂混胶15%～30%，燃速稳定剂0.5%～2%，其他功能助剂2%～4%。

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50～60℃下捏合50～70min，出料并真空浇注，置于50℃油浴烘箱内固化7d得到推进剂方坯。

1.3 推进剂燃速测定

采用水下声发射法测定推进剂燃速。首先将推进剂制成4mm×4mm×110mm的药条，测试压强分别为11、13、16和19MPa时药条的燃烧时间，每个压强下测定5根药条。其他操作与数据处理均参照GJB770B-2005中的706.1方法。

2 结果与讨论

2.1 硝胺种类对GAP高能低特征信号推进剂燃烧性能的影响

在保持配方其他组分不变的情况下，考察了相同粒度和含量的RDX和HMX对推进剂燃烧性能的影响，结果见图1。

从图1中可以看出，配方体系中采用HMX后，推进剂在11～19MPa下燃速均高于含RDX的配方，但压强指数较低。分析认为，HMX密度大于RDX，其在推进剂中的体积分数大，燃烧时，热分解产生的热量更高，因此燃速更高。

2.2 固体组分含量对GAP高能低特征信号推进剂燃烧性能的影响

由于本研究中的GAP高能低特征信号推进剂配方中无Al粉，因此该推进剂中的主要有效固体组分为AP和HMX，重点考察了在AP和HMX总质量分数为67.5%的情况下，改变AP含量对GAP高能低特征信号推进剂燃烧性能的影响，结果见图2。

从图2可以看出，在AP和HMX总含量不变的条件下，随着AP质量分数由5%增至30%，推进剂在11～19MPa下的燃速呈增长趋势，压强指数逐渐降低。这是由于HMX的熔融温度比分解温度低，在分解前会先熔化吸热，使推进剂燃烧表面温度降低。一般认为，HMX在推进剂的燃烧表面起惰性添加剂的作用，且AP的反应活性高于HMX，AP分解产生大量的富氧化合物与GAP黏合剂、硝酸酯增塑剂等分解的富燃产物(CmHn、醛类等)反应产生大量的热，从而使推进剂燃速增加。当AP含量增大后，低压下推进剂燃速比高压下的燃速提高更显著，因此增加AP含量，同时降低HMX含量，推进剂燃速增大，压强指数降低，但同时也会影响推进剂的羽烟信号特征。

2.3 固体组分粒度对GAP高能低特征信号推进剂燃烧性能的影响

分别考察了HMX粒径为95μm时，AP粒径对推进剂燃烧性能的影响，以及AP粒度为7μm时，HMX粒度对推进剂燃烧性能的影响，结果见表1。

表1 AP及HMX粒度对推进剂燃烧性能的影响

从表1可以看出，随着AP粒度的减小，推进剂在11～19MPa下燃速均逐渐增大，压强指数逐渐降低。AP燃烧产生的氧化性气体产物和黏合剂热分解产生的可燃性气体产物形成的扩散火焰控制GAP推进剂的燃烧过程；AP细粒度含量越多，其比表面积越大，有利于热分解和凝聚相放热反应，AP在推进剂燃烧表面附近放热增加，传给表面的热量也增加，故推进剂的燃速提高。从表1也可看出，随着HMX粒度的减小，推进剂在11～19MPa下燃速均降低，压强指数也降低，这是由于在推进剂燃烧时，硝胺在燃烧表面吸热熔化，当其粒度减小时，熔化吸热增大，促进凝聚相吸热反应进行，减少其放热量，进而降低凝聚相的反应热，降低了燃烧表面的气体反应速度和扩散速度，从而降低了推进剂的燃速。同时也说明，在该配方体系中，调节AP和HMX的粒度，可一定程度降低推进剂的压强指数。

2.4 增塑比对GAP高能低特征信号推进剂燃烧性能的影响

在GAP高能低特征信号推进剂配方体系中，含能的硝酸酯增塑剂是推进剂的重要组成部分，且含能增塑剂对燃烧火焰结构会产生重要的影响，进而影响推进剂的燃烧行为，因此调节增塑比(即NG和TEGDN或BTTN组合硝酸酯增塑剂与GAP黏合剂质量比)，分析其对推进剂燃烧性能的影响，结果见图3。

从图3可以看出，随着硝酸酯增塑剂与GAP黏合剂增塑比的降低，即推进剂在11～19MPa各个压强点燃速和压强指数均明显降低。这是由于硝酸酯增塑剂对GAP黏合剂的热分解有一定的促进作用，而且随着硝酸酯增塑剂含量的降低，体系的放热量减少，反馈至燃烧表面的热量减少，从而燃速降低。

2.5 燃速催化剂对GAP高能低特征信号推进剂燃烧性能的影响

研究了质量分数为3%的燃速催化剂(C粉、过渡金属化合物J1、J2和J3)对推进剂燃烧性能的影响，并在此基础上研究了J1和J2组合燃速催化剂不同配比(质量比)对推进剂燃烧性能的影响，结果见图4和表2。

从图4可以看出，在基础配方中添加质量分数为3%的燃速催化剂后，推进剂在11～19MPa范围内各个压强点燃速均明显增大，压强指数降低，其中添加燃烧性能调节剂C粉，推进剂压强指数降至0.58，而添加过渡金属化合物J1或J2，推进剂压强指数降至0.53，说明添加燃速催化剂是降低推进剂压强指数的有效技术手段。分析认为，GAP黏合剂体系燃烧后产生的织态碳结构是C粉、过渡金属化合物J1和J2催化剂发挥催化作用的载体，对推进剂的燃速和压强指数有显著影响。

表2 J1/J2配比对推进剂燃烧性能的影响

从表2中可以看出，J1/J2质量比对压强指数有一定的影响，但规律性不强(随J1含量增大，压强指数变化趋势为升高-降低-升高)，二者存在最佳配比，即J1/J2质量比为2∶1和1∶1时，推进剂的压强指数较小，分别为0.50和0.48，说明调节组合燃速催化剂相对含量对降低压强指数有一定的效果。

3 结 论

(1)推进剂配方中通过采用HMX、降低硝酸酯增塑剂和GAP黏合剂增塑比以及减小AP和HMX的粒度，可一定程度地降低推进剂在11～19MPa的压强指数。

(2)在AP和HMX总含量不变的条件下，增大AP含量，可明显增大推进剂的燃速和降低压强指数。

(3)在配方体系中添加一定含量的燃速催化剂，可有效提高推进剂的燃速，并降低推进剂的压强指数，其中，燃速催化剂总质量分数为3%，J1和J2质量比为1∶1时，推进剂压强指数降幅最大，可降至0.48。

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RegulationoftheCombustionPropertiesforGAPPropellantwithHighEnergyandLowSignature

SONG Qin, DAI Zhi-gao, YIN Bi-wen, XIANG Li, WU Jing-han

(Hubei Institute of Aerospace Chemotechnology, Xiangyang Hubei 441003, China)

The effects of nitramine variety, content and granularity of solid component, plasticizing ratio of plasticizer and GAP binders, and burning-rate catalysts on the combustion properties of GAP propellant with high energy and low signature under 11-19MPa were studied. Results show that the burning rate of the propellant sample is higher and the pressure exponents decrease from 0.72 to 0.63 when HMX is substituted for RDX in the propellant samples. As the total mass fraction of AP and HMX is 67.5%, the burning rate increases gradually and the pressure exponent decreases from 0.82 to 0.45 with increasing the mass fraction of AP from 5% to 30%. Reducing the granularity of AP, adding the burning-rate catalysts and adjusting the ratios of transition metal compounds J1and J2,can greatly increase the burning rate of the propellant and reduce the pressure exponent. In which,when the total mass fraction of J1and J2is 3% and the ratios of J1and J2are 2∶1 and 1∶1, the pressure exponents of the propellant are smaller, which are 0.50 and 0.48 respectively. With reducing the granularity of HMX and decreasing the plasticizing ratios of plasticizers and GAP binders, the burning rates and pressure exponents of the propellants reduce.

glycidyl azide polymer; GAP ；propellant with high energy and low signature; combustion properties; pressure exponent; binder; plasticizer

TJ55;V512

A

1007-7812(2017)05-0060-04

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.011

2017-04-26；

2017-09-06

宋琴(1987-)，女，硕士，从事固体推进剂研究。E-mail:songqin1721@163.com