脉冲推力器用烟火型装药燃烧性能研究

蒋新广， 张长富， 闫正虎， 郁红陶

(西安工业大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

脉冲推力器是一种能够产生脉冲推力的弹道修正执行装置，用以实现飞行过程中对弹体的弹道和姿态修正，从而精确命中目标。对脉冲推力器工作过程的要求是燃烧室压力上升速度快、工作时间短，压力曲线要具有显著的脉冲特性。而装药是脉冲推力器工作的能量来源，对装药的性能要求之一就是具有较高的燃烧速度。因此，研究装药的燃烧性能对脉冲推力器设计具有重要意义。

目前，脉冲推力器常采用的装药主要有发射药、高燃速复合固体推进剂和烟火型推进剂[1]。对于发射药和高燃速复合固体推进剂，能达到的最高燃速只有几百毫米每秒， 该装药的推力器作用时间相对较长。对于烟火型推进剂，其燃速可以达到几十米每秒。采用该型药剂作为装药，燃烧时间显著缩短。因此，设计作用时间要求为几个毫秒级的脉冲推力器，必须采用烟火型装药才能满足使用要求。

燃烧特性是药剂的重要性能之一，研究药剂的燃烧性能对于推力器设计有着重要作用。燃速高低对于脉冲推力器的作用时间和总冲量具有决定性的影响。宋琴等[2]测定了低燃速高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的燃速，研究了组分含量、高氯酸铵粒度级配对低燃速推进剂燃烧性能的影响。周晓杨等[3]研究了不同固体组分含量对高能固体推进剂燃烧性能的影响。田长华等[4]用靶线法测试燃速，研究了黑索今(RDX)粒径、组分等因素对燃烧性能的影响。由此可以看出，推进剂燃烧性能受到多种因素的影响，要使推进剂按照一定规律燃烧，需要合理选择药剂的各项参数。

本文根据所研究脉冲推力器的输出性能要求，研究了一种烟火型装药，采用光纤测速法和密闭爆发器试验测试了该装药药剂在燃烧室中的燃烧速度和燃烧规律，为选择合适的药剂配比和装药密度，保证装药稳定燃烧提供了依据。

1 药剂组分设计

本文设计的烟火型装药以硝胺类炸药RDX为氧化剂，以苦味酸钾(KP)为可燃剂，以硝化棉(NC)为黏合剂，按照烟火药的混合方法制备而成。

RDX的生成焓为正值，在火药中加入一定量的RDX可以使火药能量提高，又能使火药燃速增加[5]。RDX成分中含有大量的氮，燃烧后生成N2，气体生成量高。

NC是推进剂的主要能量组分之一，能产生大量的燃烧气体产物，并且加入NC可以改善药剂的力学性能。

KP通常作为点火药和单体延期药，其火焰感度高，具有良好的点火性能，易被点燃。在火药中加入KP，可以起到快燃物的作用。用添加快燃物的方法提高推进剂燃速是一种重要发展趋势，其机理是推进剂在燃烧过程中，该快燃物以极快的速度首先燃尽，在原位置留下大量孔隙，一方面增加了燃烧表面，另一方面又加速了热量向燃烧表面的传递，从而增加了推进剂燃速[6]。

与一般复合固体推进剂所不同的是，该种药剂配方可调性大，压装成形，在较小的燃烧室内和较低的压力下易于快速燃烧。

2 测试系统

本文采用光纤法测量药剂的燃速，采用测压装置测试药剂燃烧过程的压力- 时间曲线，从而分析其燃烧性能。光纤测速试验装置如图1所示。光纤法测试的特点是光纤探头响应速率高、抗干扰能力强，便于测量微小区域内燃速变化[7]。

图1 光纤测速试验装置Fig.1 Schematic diagram of burning rate test setup

试验装置布置有6根测试光纤(光纤编号见图1中1～6)，间距为6 mm. 第1根光纤距点火头的距离为8.5 mm. 将烟火型装药直接在试验装置中压成一定密度的药柱，装药直径6 mm，总长度36 mm，质量为1.4 g，长径比为6，在压药时分3次压。压完后，在装药的点火端压装80 mg由硼、硝酸钾与黑火药组成的混合点火药，高度为2 mm. 测试时，发火电源给试验装置通电时，同时向示波器输出触发信号，使示波器启动，开始记录数据。装药燃烧产生的光信号通过光纤传到光电转换仪转换成电信号，被示波器记录。随着燃烧的进行，不同位置的光纤采集到燃烧波阵面光信号的时间不同，在计算机上可以得出相邻光纤之间的时间间隔Δt，由光纤的间距Δs和Δt可以得到该区间内的平均名义燃速u.

测压装置如图2所示，测压装置的燃烧室尺寸、装药结构、装药量与测速装置一致。压力传感器采用压电式传感器，传感器输出信号经电荷放大器放大后，由数字示波器显示出压力波形。

图2 测压试验装置Fig.2 Schematic diagram of pressure test setup

3 结果及分析

3.1 不同配比药剂对燃速的影响

根据3种组分各自的性能，制备出3种配比的药剂，其组分配比如表1所示，并采用光纤测试系统，测试不同配比药剂的燃速。在测试时，3种不同药剂的装药条件相同。

表1 3种不同配比药剂

得到的燃速测试结果如表2、表3、表4所示。3种药剂的平均名义燃速随时间的变化曲线如图3所示。

表2 药剂1的燃速测试结果

图3中3种药剂的起始时刻分别是825 μs、874 μs、945.5 μs. 由以上3组试验结果可以看出，

表3 药剂2的燃速测试结果

图3 平均名义燃速与时间关系Fig.3 Average burning rate vs. time

烟火型药剂的燃速从前往后逐渐增大，到一定距离后达到最高燃速并保持稳定，其最高燃速可以达到600 m/s，表明所设计的烟火型药剂能够满足推力器对装药高燃速的要求。

随着药剂配比的变化，药剂在燃烧初期阶段的燃烧速度有所不同，而燃烧后期的燃烧速度趋于一致。主要原因为不同配比药剂中的KP含量不同，由于KP的火焰感度比其他组分高，在点火燃烧初期阶段，随着药剂中KP含量的增大，该药剂就更容易被点燃，在燃烧初期阶段由于KP先燃烧留下的空隙也增多，从而在初期阶段较小的燃烧室压力下，燃气就越容易渗透到空隙中，因此燃烧速度增大。

在燃烧后期阶段，虽然尾部有排气口，但是由于药剂燃速高，燃气生成质量流率大于燃气排出质量流率，因此燃烧室压强升高；随着燃烧室压强的升高，燃气排出质量流率和燃气生成质量流率都增加，但燃气生成质量流率增加的速率更快，因此，燃气生成质量流率同样大于燃气排出质量流率，从而燃烧室压强越来越大。燃气在压力梯度作用下，空隙中的对流传热作用非常剧烈，这时空隙大小的影响就不太显著了，3种药剂燃烧后期的燃速趋于一致。压强越来越高，能够增加热量传递速率，从而提高燃速。但药剂自身物理化学性质的限制，其吸收热量的速率有一个极限，当传热速率由于压强的升高而继续增大时，吸热速率保持在一定范围内变化不大，因此药剂在后期还能保持燃速恒定不变。

3.2 不同密度药剂对燃速的影响

为了研究密度对装药燃烧性能的影响，采用光纤测试系统测试不同装药密度下的燃速。测试时，在图1测试装置的光纤2、光纤4、光纤6位置布置3根光纤，相邻光纤采样点之间的距离为12 mm，其他3个光纤位置用堵头密封。装药采用2号药剂，采用1.26 g/cm3、1.38 g/cm3、1.45 g/cm3、1.60 g/cm34种装药密度，每种密度条件下测试3发，测试结果见表5. 分别将3发测试结果取平均值得到该密度下的平均名义燃速，平均名义燃速与装药密度的关系曲线如图4所示。

表5 不同密度装药的测速结果

图4 平均燃速与装药密度关系Fig.4 Average burning rate vs. charge density

由表5结果可以看出：装药密度在1.26～1.45 g/cm3时，随着密度增加，燃速也增大；当密度超过1.45 g/cm3时，随着密度增加，燃速减小；当装药密度为1.45 g/cm3时，装药燃速最大。

分析其原因，装药密度对燃速有正反两方面的影响。一方面，由于该装药为对流燃烧，燃烧速度很快。由图2测压装置测得的压力曲线(见图5)可知，燃气压力上升也十分迅速，于是产生压缩波。装药密度增大，有利于压缩波的叠加，加强燃气渗透速度，从而对燃速增加有促进作用。另一方面，对流燃烧传播的一个主要原因是装药区域存在空隙，燃气能渗透到空隙中。密度增大，药剂组分颗粒之间的空隙率减小，减弱燃气的渗透作用，对燃速有消极影响，甚至密度达到一定程度，会出现压死现象，燃烧无法传播。因此，随着密度增加，正反两方面影响此消彼长，燃速变化有一个拐点，在该点时燃速达到最大。

图5 装药密度1.45 g/cm3时的压力测试曲线Fig.5 p-t curve of pressure test for charge density of 1.45 g/cm3

当密度在1.26～1.45 g/cm3之间时，压缩波的叠加作用大于空隙率减小的影响，所以燃速随着密度增加而增大。当密度超过1.45 g/cm3时，空隙率减小的作用大于压缩波叠加的效果，所以燃速随着密度增加而减小，在密度为1.45 g/cm3时，燃速达到最大值。

因此，在选择装药密度时，应该选择在1.45 g/cm3左右，这时的燃速最大，作用时间最短。

3.3 燃速压强指数研究

采用密闭爆发器对装药进行燃烧性能测试，装药采用药剂2，密闭爆发器容积20 mL，压力传感器采样频率大于20 kHz. 将装药压制成φ6 mm，高度2 mm圆形药片，压装密度采用1.45 g/cm3，总药量为 0.8 g. 试验得到的压力曲线如图6所示。

图6 密闭爆发器试验压力曲线Fig.6 p-t curve of closed-bomb test

根据密闭爆发器压力曲线，通过状态方程式将它换算为Ψ-t关系式(Ψ为形状函数)，再利用形状函数可得到e-t的变化关系(e为某一瞬间药剂燃烧去的厚度)，然后由r=de/dt计算求得燃烧速度r. 这样就得到了燃烧速度r与压力p的函数关系。

采用Vieille指数速度函数表征燃速r与压强p的关系：r=u1pn，为确定其燃速系数u1和压强指数n，取对数得

lgr=lgu1+nlgp.

根据试验数据点，在给定的压力区间内(压力上升段)，作出lgr-lgp的关系图如图7所示。二者关系近似为一条直线，具有一定的散布。因此可以采用最小二乘法确定逼近试验点的回归直线，得到的回归直线方程为lgr=1.702 7+0.736 4lgp，相关系数R2=0.827 5. 该直线的截距和斜率就分别代表lgu1和n.

因此，求得的燃速系数u1=50.431，压强指数n=0.736 4. 其燃速方程为r=50.431p0.736 4.

由试验结果可以看出，该药剂的燃速压强指数小于1，表明药剂在燃烧时能够保持稳定。分析其原因，由图8所示的药剂热分解特性曲线可知，药剂的热分解有3个不同的温度段：第1个温度段为熔融吸热段，峰值温度为205 ℃；后两个温度段为分解放热段，峰值温度分别为244 ℃和340 ℃. 药剂熔融吸热段是由于RDX熔融温度比分解温度低，RDX在燃烧分解前要先吸热熔化而引起的，从而使药剂的燃烧表面温度降低。文献[2]认为，RDX等硝胺类组分在推进剂的燃烧表面上实际起到惰性添加剂的作用，因此，燃烧能够稳定进行。

图8 药剂差示扫描量热曲线Fig.8 DSC curve of pyrotechnic composition

4 结论

1)本文设计了由RDX、KP和NC为组分，按照烟火药制备工艺混制而成的烟火型装药，采用光纤测试系统对药剂的燃烧速度进行了测试。测试结果表明，不同配比药剂在燃烧初期阶段燃速有所不同，而后期燃速相同，当KP含量大时，药剂初期燃速较高。同时，该装药在燃烧初期燃速增加很快，后期燃速稳定。

2)装药密度是影响该种药剂燃速的重要因素。随着装药密度的增大，燃速先增大、后减小，当装药密度为1.45 g/cm3时，燃速最高，可达到800 m/s. 因此，从提高装药的燃速角度考虑，可以选择推力器的装药密度为1.45 g/cm3左右。

3)该烟火型装药的燃速压强指数小于1，能够稳定燃烧，原因可能与RDX在燃烧分解前要先熔化吸热，使药剂的燃烧表面温度降低有关。