弹道稳定剂对改性双基推进剂燃烧性能的影响

2019-09-05熊文慧隋九龄

舰船科学技术 2019年8期

熊文慧，隋九龄，刘科

(1. 中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州 450015；2. 河南省水下智能装备重点实验室，河南郑州 450015)

0 引言

固体火箭发动机在工作过程中，会出现燃烧室压强和推进剂燃速等参数出现非正常的周期性或近似周期性的波动现象。当固体火箭发动机发生不稳定燃烧时，燃烧参数的波动幅值会超过理论设计阈值，发动机的各项性能也会发生偏离。因此，保证固体火箭发动机的稳定燃烧是固体火箭发动机装药设计的重要考虑因素。在固体推进剂中加入少量的高熔点化合物粒子作为弹道稳定剂，能有效抑制或消除固体推进剂的不稳定燃烧，从而改善固体推进剂的燃烧性能。吴毅[1]通过研究某型固体火箭发动机的低温燃烧不稳定现象，提出了改变弹道稳定剂含量和粒径的方法，能基本消除固体推进剂的不稳定燃烧现象，并通过地面试车试验得到了验证。王江宁[2]研究了弹道稳研究了弹道稳定剂Al2O3粒度及含量对RDX-CMDB 推进剂的燃速影响，发现加入Al2O3后推进剂的燃速降低，Al2O3粒度增加后推进剂的燃速降低幅度有所减小；同时还分别研究了MgO，TiO2和ZrO2几种不同种类的弹道稳定剂对RDX-CMDB 推进剂的燃烧性能影响，发现不同弹道稳定剂对推进剂中的催化剂活性影响不同，从而导致推进剂的燃速差异。另外，弹道稳定剂的不同粒度复合对推进剂的燃速影响也不同，张晓宏[3]研究了粒径分别为2.5 μm 和3.5 μm 的Al2O3以不同比例混合，发现粒度小的Al2O3所占比例越大，推进剂燃速越高，粒度大的Al2O3所占比例越大，推进剂燃速越低；而且可以通过调整这2 种粒度弹道稳定剂的复合比例，实现推进剂燃速的精确调节。在改性双基推进剂中，加入少量Al 粉提高推进剂能量及改善固体发动机的内弹道性能，邓重清[4]在研究AP/CMDB 推进剂时，发现降低铝粉粒径时，能提高推进剂高压区燃速。但是，关于不同粒径Al 粉条件下，弹道稳定剂对推进剂燃烧性能影响的相关研究较少，有必要对这方面进行研究，分析推进剂中组分粒度对燃烧性能的影响。

通过研究某水下动力装置高燃速改性双基推进剂的燃烧性能，发现在加入不同种类和不同粒度的弹道稳定剂及Al 粉后，改性双基推进剂的燃烧性能存在差异。为研究内弹道稳定剂及Al 粉对推进剂的燃烧性能影响，通过试验探讨了Al2O3和SiC 两种弹道稳定剂及Al 粉对配方燃速的作用效果，研究弹道稳定剂对燃速的影响规律及与不同粒度Al 粉复合后对燃速的综合影响，为高燃速改性双基推进剂的燃速调节提供参考。

1 试验

1.1 基础配方

采用某改性双基固体推进剂为基础配方，其主要组分NC+NG 占总重量的60.0%～80.0%，铝粉约占5%，燃烧催化剂铅铜盐及其他添加物共约占16%。试验时，在配方中加入一定量的Al2O3和SiC 作为弹道稳定剂。

1.2 样品制备

利用双基固体推进剂传统无溶剂法工艺制备吸收药团，经离心驱水和熟化后于卧式光辊机上压延塑化，制备成直径为5 mm，长度约150 mm 的燃速测试药条。

1.3 测试方法

按照GJB 770B-2005 中706.1 的要求，用聚乙烯醇溶液对测试药条进行包覆，待包覆液晾干后按规定钻孔、穿靶线和点火线。将测试药条置于药池内，将靶线、点火线绑在接线柱上，并检查接线通路及充压管路。检查完毕后，将装有测试药条的底盖装到内部温度为20 ℃的燃烧室本体中，手动调节调压阀门，充入氮气，分别保持压强为4 MPa，6 MPa，8 MPa，10 MPa，12 MPa，14 MPa，16 MPa。待保温至一定时间后，进行点火，记录燃烧时间，从而计算不同压强下样品药条的燃速。

2 结果与分析

2.1 弹道稳定剂对推进剂燃烧性能影响

选定2 种弹道稳定剂Al2O3和SiC，分别研究2 种弹道稳定剂对配方燃速的影响。从测试结果看，加入Al2O3和SiC 作为弹道稳定剂后，配方测试药条的燃烧性能发生了明显变化，结果如表1、图1 和图2 所示。

表 1 弹道稳定剂对推进剂燃烧性能的影响Tab. 1 Effect of ballistic stabilizers on propellant combustion performance

图 1 Al2O3 含量对双基推进剂燃烧性能的影响Fig. 1 Effect of Al2O3 content on combustion performance of double-base propellant

图 2 SiC 含量对双基推进剂燃烧性能的影响Fig. 2 Effect of SiC content on combustion performance of double-base propellant

在配方中分别加入1%的Al2O3后，在4 MPa时，燃速下降了1.86 mm/s，压力指数从0.22 升高到0.37（4～8 MPa）；随着压力增大，与不加Al2O3配方的药条燃速接近。压力在10～16 MPa 时，含量为1%的Al2O3对配方的燃烧性能影响不明显，压力指数也较接近。加入1.5% Al2O3后，装药的燃速降至20.29 mm/s（10 MPa），降低了10%，而压力指数升高到0.47。随着Al2O3含量的增加，Al2O3对燃烧性能的影响从低压区逐渐向高压区转移，变化幅度也增加。根据对双基推进剂的燃烧过程分析认为，装药燃烧产生的熔融Al2O3在燃烧表面团聚后，微粒粒径增大，使推进剂燃烧表面处的铅铜盐燃烧催化剂浓度降低，继而影响推进剂燃速[2]。Al2O3含量越高，对燃烧催化剂在燃烧表面处的浓度影响越明显，因此对燃烧性能的影响越大。

加入SiC 后，配方药条的燃速均有所下降。在4～8 MPa 时，与不加SiC 的配方燃速差异波动较大，最低相差4.5%。随着SiC 含量的增加，配方的燃速下降，压力指数（4～8 MPa）从0.22 分别升高到0.33 和0.34，增幅达55%。在10～16 MPa 时，加入SiC 的配方燃速随着压强的增高，燃速越来越接近，压力指数变化幅度较小，SiC 含量对燃速的影响变小。因此，SiC 在推进剂中主要在低压区对其燃烧性能的产生影响，使推进剂燃速降低，压力指数提高。由于SiC 自身性质，其具有较高的化学稳定性，在推进剂的燃烧过程中，会吸附一定含量的燃速催化剂和燃烧反应中间产物，并随燃气流将之带出燃烧表面，使配方的燃速降低。随着压力升高，火焰区对燃烧表面的热反馈增加，不同弹道稳定剂含量的配方燃速变化幅度减小[5]。

图 3 内弹道稳定剂对双基推进剂燃烧性能的影响Fig. 3 Effect of internal ballistic stabilizer on combustion performance of double-base propellant

同时，从图3 可以看出，在配方中加入相同比例的弹道稳定剂Al2O3和SiC 后，其对配方的燃速影响不同。加入1.5% Al2O3的配方燃速比1.5% SiC 的配方燃速低，但压力指数较接近。在低压时，两者的燃速差异最大达1.38 mm/s（4 MPa），随着压力的增加，两者的燃速差异逐渐减小，火焰区对燃烧表面的热反馈作用加强，相对偏差从17.7%降低到0.5%。

2.2 铝粉粒度对推进剂燃烧性能影响

为了研究原配方中不同铝粉粒径及2 种弹道稳定剂粒度对燃烧性能的影响，分别在不同弹道稳定剂的推进剂配方中加入粒径为20 μm，80 μm，140 μm 的铝粉，对比分析2 种弹道稳定剂的性能，其结果如表2及图4～图6 所示。

表 2 不同配方的燃烧性能参数Tab. 2 Combustion performance parameters of different formulations

铝粉粒径为20 μm 时，分别加入粒度为W1.5，W2.5，W3.5 的Al2O3和SiC，其燃速如图4 所示。在以Al2O3为稳定剂的配方中，加入1%不同粒度的Al2O3，配方之间的差异不大，10 MPa 燃速在22.00～22.67 mm/s 之间，最大偏差为2.5%。在压强为10 MPa 时，W2.5 的配方燃速最低；在低压强区域，W2.5 的Al2O3配方燃速压力指数为0.23，而在高压强区域，其燃速压力指数最高为0.41。对比3 种不同粒度的Al2O3对20 μm 铝粉推进剂配方的影响，W2.5 的Al2O3对推进剂燃烧性能影响最大，使低压区燃速压力指数降低而高压区燃烧压力指数升高。用SiC 代替Al2O3后，随着SiC 粒度的增加，配方的10 MPa 燃速有先降低后上升的趋势，W3.5 的SiC 比W2.5 的SiC 配方燃速高1.18 mm/s，在低压强区域，其燃速压力指数受SiC 粒度影响较大，变化幅度达44%，而在高压强区域粒度对燃速压力指数影响变小。

图 4 铝粉粒径为20 μm 时，2 种稳定剂粒度对推进剂燃烧性能的影响Fig. 4 Effect of particle size on the combustion performance of propellant (dAl=20 μm)

图 5 铝粉粒径为80 μm 时，2 种稳定剂粒度对推进剂燃烧性能的影响Fig. 5 Effect of particle size on the combustion performance of propellant (dAl=80 μm)

图 6 铝粉粒径为140 μm 时，2 种稳定剂粒度对推进剂燃烧性能的影响Fig. 6 Effect of particle size on the combustion performance of propellant (dAl=140 μm)

铝粉粒径为80 μm 时，稳定剂对燃烧性能的影响如图5 所示。在10 MPa 条件下，其配方燃速与低压强区燃速压力指数均随着Al2O3和SiC 粒度的增加而提高；在高压强区域，含Al2O3配方压力指数随粒度增加而下降，而SiC 粒度对高压强区域的燃速基本无影响。当铝粉粒径为140 μm 时，Al2O3和SiC 粒度的变化而引起的燃速波动主要体现在低压强范围内（4～8 MPa），而在高压强区间对燃速影响较小。在低压强区域，加入Al2O3的配方燃速压力指数从0.21 分别增加到0.35 和0.30，而加入SiC 的配方燃速压力指数从0.33 分别增加到0.27 和0.22，最高变化幅度分别达67%和50%。在高压强区域，加入Al2O3，SiC 配方的压力指数变化幅度分别为2.9%和11.4%，压力指数波动明显低于低压强区域。

当弹道稳定剂的粒度一定时，推进剂的燃速压力指数随着Al 粉粒径的变化趋势不同。在稳定剂粒度较小（W1.5）时，Al2O3和SiC 配方的压力指数随Al 粉粒径的影响很小。稳定剂粒度为W2.5 时，Al2O3配方的低压强区域压力指数从0.23（20 μmAl 粉）增加到0.35（140 μmAl 粉），而对SiC 配方的压力指数影响不大。稳定剂粒度增加到W3.5，Al 粉粒径对SiC 配方的压力指数影响较大。随着Al 粉粒径的增大，其压力指数均先增加后降低，低压强区域和高压强区域的压力指数变化幅度最高分别为49%和24%。同时，推进剂的燃速随着Al 粉粒径的增大而降低。在W3.5 的Al2O3配方中，粒径为20 μm 的Al 粉时配方燃速比加入140 μm 的Al 粉配方燃速高1.56 mm/s，降低了5.8%；而在W1.5 的SiC 配方中，20 μm 的Al 粉时配方燃速比140 μm 的Al 粉配方燃速高1.26 mm/s，Al 粉粒径增大使燃速降幅达4.9%。经分析认为，双基推进剂中的Al 粉粒径越大，其比表面积越小，与燃烧反应物的接触面积相对较小，影响Al 参与燃烧反应程度，使推进剂爆热降低，进而影响推进剂燃速。