单室双推力固体火箭发动机用NEPE低燃速推进剂的燃烧性能

代志高，宋 琴，吴京汉，项 丽，尹必文

(湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003)

0 引言

双推力发动机是固体火箭发动机的一个重要分支，它分为单室双推力发动机和双室双推力发动机[1]。单室双推力发动机是指用一个燃烧室产生两级推力的发动机，这种发动机可为火箭提供起飞时的大推力及飞行过程中的续航推力[2]。通过发动机设计实现单室双推力的技术途径主要有：(1)喷管一定，选用一种推进剂，改变燃烧面积，实现双推力；(2)喷管一定，选用燃速不同的两种推进剂实现双推力；(3)燃面调节与燃速调节的各种组合实现双推力；(4)调节发动机喷管实现双推力。技术途径(2)可采用两种燃速不同的推进剂呈同心层排列的装药结构(套装)和两种燃速不同的推进剂前后串联的装药结构(串装)。串装式通孔双燃速发动机在起飞时，助推段装药推进剂和续航段装药推进剂同时燃烧；在飞行时，只有续航段装药推进剂燃烧。为满足飞行过程中发动机较长的工作时间，要求续航段装药推进剂在高压和低压同时具有低的燃速。为减少燃速波动对燃烧室压力的影响，要求续航段装药推进剂在高压段和低压段同时具有较低压强指数。本文研究的NEPE低燃速推进剂应用于采用通孔串联两种不同燃速推进剂单室双推力发动机。

NEPE推进剂打破了双基推进剂和复合推进剂的界限，它充分发挥了双基推进剂中液体硝酸酯能量高、复合推进剂中聚醚聚氨酯粘合剂力学性能好的特点。NEPE推进剂采用大量含能组分——硝胺和硝酸酯，由于两者的固有性质及大量的使用，导致该类推进剂的压强指数偏高，燃速可调范围窄，且燃烧性能难以调节，燃速与压强指数调节技术之间相互制约[3]，一般情况下燃速升高压强指数降低，燃速降低则压强指数升高。无论是在双基推进剂中，还是在复合固体推进剂中，加入燃速调节剂是调节燃速、降低压强指数的有效方法之一[4-5]。燃速调节剂可分为增速剂和降速剂，国内外对增速剂的研究都较活跃，但对降速剂的研究则较少，特别是对既能降低燃速又能降低压强指数的降速剂的研究更少。国内外学者在推进剂中加入一些可抑制AP热分解的盐类或通过一些新型含能材料(如FOX-12、DNP等)部分取代配方中的硝胺，来降低推进剂燃速[6]。杨立波等[7]通过降速剂共聚甲醛(POM)和蔗糖八醋酸酯(SOA)的复配，降低了双基低燃速推进剂的压强指数，但未同时降低推进剂燃速。

本文研究了NEPE推进剂低压和高压燃烧性能的主要影响因素，并获得了既能降低低压和高压燃速，又能降低低压段和高压段压强指数的降速剂。

1 实验

1.1 推进剂样品制备

推进剂样品制备工艺为传统复合推进剂制造工艺，将推进剂组分预混后加入到VKM-5型立式捏合机中于54～60 ℃下捏合85～100 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 实验方法

推进剂静态燃烧性能测试采用水下声发射法测定。首先将推进剂制成4 mm×4 mm×110 mm的药条，测试25 ℃、3～8 MPa、12～22 MPa压强下各压力点药条的燃烧时间，采样频率为1 K，选取的每个压力下同时测定测试5根药条燃速数据；然后进行统计处理，求出平均燃速，根据Vieille经验式r=apn，通过线性回归方法求出压强指数n。

1.3 推进剂配方

推进剂粘合剂分别采用聚醚和叠氮聚醚作为粘合剂时，同一压强下的燃速依次升高，燃速随压强变化的敏感性也依次升高[8]；增塑剂中的硝酸酯基含量越高，同一压强下燃速越高。因此，配方选用聚醚为粘合剂，硝酸酯基含量低的硝酸酯为增塑剂，通过热力学理论计算、考虑高能固体推进剂配方设计原则及理论基础，结合原材料成熟度，确定以无规共聚醚/硝酸酯/AP/HMX/Al为基本组分，为保证推进剂能量性能，通过理论计算确定配方固体含量为80%，推进剂配方基本组成见表1。

表1 推进剂配方基本组成

2 结果分析与讨论

2.1 AP含量对推进剂燃烧性能的影响

推进剂配方固体组分主要为HMX、AP，固定HMX与AP总含量不变，研究了AP含量对推进剂燃速(4、17.5 MPa)和压强指数(3～8 MPa、14～22 MPa)的影响，结果见图1、图2。

从图1、图2可看出：(1)随着配方中AP含量的降低，推进剂4、17.5 MPa燃速逐渐降低；当AP含量由47%降低为27%时，推进剂4 MPa燃速降低幅度为13.2%，推进剂17.5 MPa燃速降低幅度为3.21%，这可能是由于AP含量降低后，推进剂配方中有效氧含量降低，推进剂燃烧时不能得到充分燃烧，使燃烧释放的热量减少，从而导致推进剂燃速降低；(2)随着配方中AP含量降低，低压段静态压强指数增加，而高压段静态压强指数降低。

2.2 固体组分粒度对推进剂燃烧性能的影响

固体组分粒度在推进剂中合理的分布可提高燃烧表面结构的均匀性，改善推进剂的燃烧性能。考察了AP粒度、HMX粒度对推进剂燃速(4、17.5 MPa)和压强指数(3～8 MPa)的影响，结果见图3～图6。

从图3、图4可看出，固定配方中AP含量不变，AP粒度增加，推进剂4 MPa燃速和17.5 MPa燃速均降低而低压段压强指数增加。这是由于AP细粒度含量越多，AP的比表面积越大，这样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，故而推进剂的燃速提高。

从图5、图6可看出，固定配方中HMX含量不变，随着HMX粒度增加，推进剂4、17.5 MPa燃速降低，低压段静态压强指数也呈降低趋势。

2.3 燃烧性能调节剂对推进剂燃烧性能的影响

2.3.1 胺类化合物对推进剂燃烧性能的影响

国内外学者[9]对胺类化合物、碳酸盐在丁羟推进剂中进行了使用性能研究。研究结果表明，胺类化合物、碳酸盐能够降低丁羟推进剂的燃速。考察了草酸胺、草酰胺、草酸胺/CaCO3(1∶1)对推进剂燃烧性能的影响，结果见图7、图8和表2。

表2 胺类物质对推进剂压强指数的影响

从图7、图8、表2可看出，推进剂配方中加入上述物质只能小幅度降低推进剂4 MPa和17.5 MPa燃速，同时提高了推进剂低压段和高压段压强指数。

2.3.2 新型有机化合物对推进剂燃烧性能的影响

新型有机化合物RTJ、RTA含有能吸附NO2和ClOx的稠环，通过降低“嘶嘶”区内强氧化剂(NO2和ClOx)的百分含量，降低了“嘶嘶”区内氧化还原反应的发生，从而降低了“嘶嘶”区的温度梯度，达到降低推进剂燃速的目的。同时分子中含有能够抑制AP分解的基团，提高了AP的分解温度，也达到了降低推进剂燃速的目的。开展了RTJ、RTJ/RTA对推进剂燃烧性能的影响研究，结果见图9、图10和表3。

表3 RTJ含量对推进剂压强指数的影响

从图9、图10、表3可看出：(1)配方中加入RTJ能够显著降低推进剂4 MPa和17.5 MPa燃速，随着配方中RTJ含量增加，推进剂燃速降低；(2)配方中加入RTJ推进剂高压段压强指数降低，但推进剂低压段压强指数增加。

将RTJ与RTA进行组合，考察其相对含量(3/1、1/1)对推进剂燃烧性能的影响，结果见图11、图12和表4。

从图11、图12、表4可看出：(1)RTJ/RTA等量代替RTJ，RTJ/RTA制得的推进剂4、17.5 MPa燃速略低于RTJ制得的推进剂4、17.5 MPa燃速；(2)RTJ/RTA等量代替RTJ，对低压燃速、高压燃速不同程度的降低，随着压强增加，燃速降低幅度增大，RTJ/RTA制得的推进剂3～8 MPa、17.5～22 MPa的静态压强指数低于RTJ制得的推进剂3～8 MPa、17.5～22 MPa的静态压强指数，特别是推进剂高压段压强指数降幅较大；(3)RTJ/RTA(3/1)制得的推进剂低压段压强指数略高于RTJ/RTA(1/1)制得的推进剂低压段压强指数；RTJ/RTA(3/1)制得的推进剂高压段压强指数低于RTJ/RTA(1/1)制得的推进剂高压段压强指数。

表4 RTJ/RTA对推进剂压强指数的影响

2.4 降速剂RTJ/RTA使用性能研究

2.4.1 RTJ/RTA含量对推进剂燃烧性能的影响

固定降速剂RTJ/RTA的相对含量(3/1)，考察了其加入量(外加)对推进剂静态燃烧性能的影响，结果见图13、图14和表5。

从图13、图14、表5可看出，(1)固定降速剂的相对含量，随着加入量增加，推进剂燃速降低，压强越高推进剂燃速降低幅度越大，当加入量为5%时，推进剂4 MPa燃速为3.082 mm/s，17.5 MPa燃速为5.996 mm/s；(2)固定组合降速剂的相对含量，随着加入量的增加，推进剂低压段静态压强指数基本保持不变，高压段静态压强指数降低，当加入量为5%时，低压段静态压强指数为0.53，高压段静态压强指数为0.48。

表5 RTJ/RTA加入量对推进剂压强指数的影响

2.4.2 RTJ/RTA作用机理分析

对AP、AP+ RTJ /RTA(3/1)进行了DSC分析，其结果如图15、图16所示。

从图15、图16可看出，AP中混入RTJ/RTA，AP晶型转变峰基本保持不变，AP低温分解峰由304.4 ℃升高到312.1 ℃，升高了7.7 ℃，高温分解峰由371.2 ℃升高到408.1 ℃，升高了36.9 ℃。AP中混入RTJ/RTA后AP低温、高温分解峰温度升高，说明RTJ/RTA对AP的分解有抑制作用，导致推进剂燃速降低。

2.4.3 动态燃烧性能的验证

根据上述研究结果，确定燃烧性能调节剂RTJ/RTA加入量为5%，RTJ/RTA的相对含量为3/1，通过BSFφ75 mm 发动机的装药和试车，验证了推进剂的动态燃烧性能，结果见表6。

表6 推进剂动态燃烧性能(BSFφ75 mm)

从表6可看出，推进剂4 MPa动态燃速为3.90 mm/s，17.5 MPa动态燃速为8.93 mm/s；低压段(3～8 MPa)动态压强指数为0.49，高压段(14～22 MPa)动态压强指数为0.44，推进剂在实现低燃速同时实现了较低的压强指数。

3 结论

(1)通过合理调节配方中AP含量、固体组分粒度以及添加高效的RTJ/RTA降速剂，得到燃速和压强指数低的高固体含量NEPE推进剂配方。

(2)配方中加入胺类化合物，只能小幅度降低推进剂4 MPa和17.5 MPa燃速，同时提高了推进剂低压段和高压段压强指数；加入新型有机化合物RTJ能够显著降低推进剂4 MPa和17.5 MPa燃速，推进剂高压段压强指数降低，但推进剂低压段压强指数增加。

(3)与配方中单独加入RTJ比较，加入等量的RTJ/RTA组合降速剂，推进剂4 MPa和17.5 MPa燃速降低，同时推进剂高压段和低压段压强指数降低；随着加入量的增加，推进剂低压段静态压强指数基本保持不变，高压段静态压强指数降低。

(4)通过DSC对RTJ/RTA作用机理进行了初步研究。研究表明，RTJ/RTA提高了AP低温、高温分解峰温，对AP的分解起到抑制作用，从而降低了推进剂燃速。

[1] 斯维特洛夫,戈卢别夫.防空导弹设计[M].北京:中国宇航出版社,2004.

[2] 林小树,王宝山,金世学.双燃速固体发动机内弹道计算方法[J].固体火箭技术,1991,14(4):12-18.

LIN Xiaoshu,WANG Baoshan,JIN Shixue.The method of internal ballistic calculation of solid rocket motors with dual burning rate[J].Journal of Solid Rocket Technology,1991,14(4):12-18.

[3] 吴芳,王世英,庞爱民.NEPE推进剂燃烧性能研究概况[J].飞航导弹,2003,24(7):51-55.

WU Fang,WANG Shiying,PANG Aimin.Research on the combustion properties of NEPE propellants[J].Journal of Propulsion Technology,2003,24(7):51-55.

[4] 张小平.复合燃速调节剂对NEPE推进剂高压燃烧性能的影响[J].固体火箭技术,2007,30(2):128-131.

ZHANG Xiaoping.Effects of composite burning-rate modifiers on combustion properties of NEPE propellant under high pressure[J].Journal of Solid Rocket Technology,2007,30(2):128-131.

[5] Curtis D D.Control of propcessibility by particle size in high energy solid propellant[P].USP 4693764,1987.

[6] 张正中,曹芳洁,刘晓军.降低固体推进剂燃速研究进展[J].化学推进剂与高分子材料,2014,12(3):25-28.

ZHANG Zhengzhong,CAO Fangjie,LIU Xiaojun.Research progress in decreasing burning rate of solid propellants[J].Chemical Propellants & Polymeric Materials, 2014,12(3):25-28.

[7] 杨立波,周瑞.复合降速剂对低燃速推进剂燃烧性能的影响[J].火炸药学报,2013,36(6):70-73.

YANG Libo,ZHOU Rui.Effects of composite deceleration agents on the combustion characteristics of the propellant with low burning rate[J].Chinese Journal of Explosives and Propellant,2013,36(6):70-73.

[8] 王芳,张小平,胡润芝,等.硝酸酯增塑聚醚高能推进剂高压燃烧性能研究[J].推进技术,2004,25(5):469-472.

WANG Fang,ZHANG Xiaoping,HU Runzhi.Study on combustion properties of nitrate ester plasticized polyether propellants at high pressure[J].Journal of Propulsion Technology,2004,25(5):469-472.

[9] 孙运兰,李疏芬,丁敦辉.复合推进剂中的降速剂[J].推进技术,2005,26(4):376-380.

SUN Yunlan,LI Shufen,DING Dunhun.Additives of lowing the burning rate in composite propellants[J].Journal of Propulsion Technology,2005,26(4):376-380.