丁羟三组元推进剂15～60 MPa高压燃烧特性研究*

赵 海，罗桂莲，史良伟，吴 涛，邓安华，吕 龙

(1.湖北三江航天江河化工科技有限公司，宜昌 444200；2.中国科学院 上海有机化学研究所，上海 200032)

0 引言

固体火箭推进技术水平以提高发动机比冲和质量比为主要目标，而发动机的比冲主要取决于推进剂的能量性能。除采用高能推进剂之外，在采用丁羟等常规体系推进剂装药时，提高工作压强也是提升发动机能量性能的一条有效技术途径。与10 MPa相比，20 MPa时，丁羟推进剂的理论比冲可提升至少15 s，能量性能提升效果显著。高压发动机技术已在国外众多战术导弹中得到了应用，典型的如美国PAC-3发动机最高工作压强为20.5 MPa，SM-3型导弹第二级发动机工作压强据称已达到28 MPa，在研的“紧凑型动能导弹”(CKEM)的演示型号“超高速反坦克导弹”(HATM)据称最高达28.3 MPa[1]。国内亦开展了推进剂高压燃烧特性相关的研究。张春泰[2]采用小型试验发动机对少烟丁羟推进剂高压燃烧性能进行研究，发现在17～18 MPa以上压强时存在燃速突变现象。刘中兵等[3]对丁羟三组元和四组元推进剂在2～20 MPa平均压强范围内的燃烧特性进行了实验研究，发现丁羟三组元推进剂在压强超过20 MPa后压强指数趋近于1，发动机无法正常工作。苏昌银等[13]初步开展了低铝粉含量的HMX/HTPB推进剂高压燃烧性能研究，最高压强达47 MPa，但无压强指数相关具体数据和分析。

常用的压强指数调节剂，如亚铬酸铜、氟化钙、碳酸钙、有机钙盐、五氧化二钒、铬酸盐、N，N’-乙撑双水杨叉亚胺络铜、二茂铁衍生物、高氮化合物等，在小于20 MPa时，对丁羟推进剂具有较好的降压强指数效果，压强更高时降压强指数效果不佳[9-12]。季铵盐不仅降低燃速效果好，还可大大降低压强指数，适合在丁羟推进剂中应用[4]。有机钡盐是很好的平台化剂，钡盐与少量的铜盐复合就能使双基推进剂产生宽压强范围的平台或麦撒效应[2]。在专利中亦有季铵盐、有机钡盐等的应用实例[14-15]。近年来，国内密闭燃烧器法(亦称定容燃烧器法)高压燃速测试精度明显提升[16]，AP/HTPB推进剂燃烧的理论研究有较大进步[17]，这在硬件和软件上为促进丁羟推进剂的高压燃烧性能研究提供了便利条件。

本文针对含有机钡盐、季铵盐的丁羟三组元推进剂进行了制药试验，并采用特制耐高压φ112 mm试验发动机、定容燃烧器法等，对推进剂15～60 MPa的高压燃烧特性进行了重点研究，以期为超高压强发动机的设计提供参考。

1 实验

1.1 实验原材料

端羟基聚丁二烯(HTPB)，黎明化工研究设计院有限责任公司；高氯酸铵(AP)，大连高佳化工有限公司；球形铝粉(Al)，鞍钢实业微细铝粉有限公司；季铵盐(YZ-1)，中科院上海有机所；有机钡盐(BS-1)，自制。

1.2 实验方法及仪器

(1)静态燃速及静态压指测试

根据GJB 770B—2005《火药试验方法》中的方法706.2“水下声发射法”进行静态燃速测试，根据维也里经验方程计算出静态压强指数。

(2)φ112 mm发动机燃速及动态压指测试

参照GJB 97A—2001《标准试验发动机技术要求和数据处理要求》和江河公司Q/N z108—2016《φ112 mm评定发动机静止试验大纲》标准，采用特制耐高压φ112 mm试验发动机进行16～25 MPa的高压燃速测试，根据维也里经验方程计算出动态压强指数。

(3)定容燃烧器法高压燃速测试

采用西北工业大学燃烧热结构与内流场重点实验室的定容燃烧器进行15～60 MPa的连续燃速测试，以1 MPa为间隔分别计算出各压强区间的压强指数。

1.3 推进剂样品制备

推进剂配方：在保证推进剂力学性能和工艺性能的前提下，丁羟三组元推进剂基础配方见表1。

将HTPB粘合剂、Al、AP和其他原材料分多次加入5 L或25 L立式捏合机中，在(50±2) ℃混合均匀、真空浇注，(70±2) ℃下固化120 h，制备推进剂方坯和φ112 mm发动机。

表1 HTPB推进剂配方组成

2 结果与讨论

2.1 静态燃速及压强指数

对含YZ-1、BS-1与YZ-1复配物的丁羟三组元推进剂高压静态燃速进行了对比研究，燃速测试结果见表2。推进剂配方中，除压强指数调节剂种类不同，其他组分完全一样。

表2 静态燃速和压强指数

由表2可知，在16～25 MPa区间，添加YZ-1/BS-1复配物推进剂的压强指数比添加YZ-1的低。这表明，季铵盐和有机钡盐复配使用，更有利于在高压下降低丁羟三组元推进剂的压强指数。

在复合固体推进剂中，添加有机钡盐有利于降低压强指数，其主要原因在于有机钡盐的分解产物钡或氧化钡的相对惰性。常用的燃烧性能调节剂氧化铅或氧化铜有极强的氧化性，而且铜有起吸附作用的d-电子，铅、铜都具有变价能力，这些特性都是钡或氧化钡所不具备的，从而导致导致钡化物对推进剂燃烧催化活性较低，有利于降低高压下的燃速[5]。

已有研究表明，在双基推进剂中使用有机钡盐后，钡能够产生足够的离子来抑制炭的凝聚，并减少炭烟的形成量，从而提高推进剂的燃气红外透过率。HTPB热分解后产生大约2%的含碳残余物(焦炭)[6]。焦炭的辐射热吸收能力较强，并有利于热传导，故丁羟推进剂燃面上粘合剂热解后的含碳残余物有利于催化燃烧。在丁羟推进剂中添加少量有机钡盐复合物，即可清除燃面上的碳物质，减弱辐射热的吸收、减缓热传导速率，从而有利于降低高压下燃速[14]。在16 MPa左右，等量的季铵盐具有比有机钡盐更好的降燃速效果。但随着压强升高，季铵盐降燃速作用有所减弱，故仅添加季铵盐推进剂的压强指数在高压下会升高。添加有机钡盐和季铵盐复配物的推进剂，兼具两者优点，可使丁羟三组元推进剂在高压下压强指数进一步降低。

2.2 φ112 mm发动机动态燃速及压强指数

采用φ112 mm发动机对上述丁羟三组元推进剂的高压燃烧性能进行了对比测试，结果见表3、图1和图2。表2的静态燃速和表3的动态燃速结果有所差异，这主要是由于测试方法不同，推进剂的燃烧环境亦不同，从而使燃速具有一定的差异，但这不影响燃烧性能规律性分析。由表3可知，φ112 mm发动机测得的动态压强指数与采用药条测得的静态压强指数具有一致的规律性。在16～25 MPa，含YZ-1的推进剂动态压强指数为0.434，含BS-1/YZ-1的推进剂动态压强指数为0.279。这说明在16～25 MPa，BS-1/YZ-1比YZ-1具有更好的降压强指数效果。

从图1和图2中还可看出，含BS-1/YZ-1、YZ-1的推进剂在16～25 MPa区间均可稳定燃烧。随着设计工作压强升高，喷管喉衬烧蚀程度不断加重，燃烧室最大压强与平均压强之间的差值越来越大。刘中兵等[3]的研究中三组元推进剂在压强超过20 MPa后压指趋近于1，发动机无法正常工作。采用BS-1/YZ-1、YZ-1作为压指调节剂的丁羟三组元推进剂均可稳定燃烧、发动机正常工作，目前实测的φ112 mm发动机最高稳定工作压强可达27 MPa，且还没达到最高稳定工作压强极限。

表3 φ112 mm发动机动态燃速和压强指数

图1 含YZ-1的φ112 mm发动机压强-时间曲线

图2 含BS-1/YZ-1的φ112 mm发动机压强-时间曲线

2.3 定容燃烧器法高压燃烧性能测试

采用定容燃烧器法对上述丁羟三组元推进剂高压燃烧性能进行了对比研究，测得了15～60 MPa区间的实时燃速，燃速-压强曲线见图3。并通过实时燃速，以1 MPa为间隔，计算出了各压强区间的压强指数，以各压强区间的压强中值为x轴、以压强指数为y轴，作出了压强指数-压强变化曲线，见图4。

对比表2、表3和图4可看出，由于测试方法不同以及推进剂制药批次差异性的影响，在16～25 MPa采用定容燃烧器法与药条、φ112 mm发动机三种方法测得的燃速和压强指数的具体值具有一定的差异。但这不影响对推进剂燃烧特性的分析，采用不同方法测试时，16～25 MPa的压强指数具有一致性：含BS-1/YZ-1推进剂的压强指数都比含YZ-1的更低。

从图3可以明显看出，在15～60 MPa区间含不同降压指剂的推进剂燃速-压强曲线具有明显差异：随压强不断升高，含BS-1/YZ-1推进剂的燃速增大速率相对平缓，而含YZ-1推进剂的燃速增大速率忽大忽小，变化比较剧烈。

图3 含不同调节剂推进剂的燃速-压强曲线

图4 含不同调节剂推进剂的压强指数-压强曲线

从图4可看出，在15～60 MPa区间，仅含YZ-1推进剂的最大压强指数为0.99(32～33 MPa)，非常趋近于1，采用该推进剂装药的发动机在超过30 MPa时极可能无法正常工作，存在爆炸解体的风险。含BS-1/YZ-1推进剂的最大压强指数为0.87(31～32 MPa)，亦处于较高的水平。从图4还可看出，含YZ-1推进剂最小压强指数为0.173(51 MPa附近)，在49～52 MPa之间出现了短暂的“平台”燃烧区(n<0.2)。复合推进剂在高压下出现“平台”燃烧区，主要有两方面的原因：一是粘合剂熔化液层在高压下的覆盖作用增强，阻止了AP分解气体顺利地进入气相，降低了燃速随压强增加的效果，甚至使某些正压强指数推进剂在一定压强范围内出现“平台”或“麦撒”效应。但这种现象并不是每次测试都会出现。二是AP爆燃特性随压强不断变化，在爆燃速度III区(14～28 MPa)，AP的爆燃速度随压强增加而急剧下降[7-8]。该现象确实存在，但同一种推进剂在重复测试时却偶尔出现，其机理至今尚不完全清楚。推进剂中添加的季铵盐等燃烧性能调节剂对AP燃速特性变化的影响很大，可能会造成AP爆燃速度Ⅰ～Ⅳ区的压强区间发生变化，从而在49～52 MPa之间出现“平台”燃烧区。AP的爆燃速度随压强变化而改变，且受燃烧性能调节剂的影响，这可能是推进剂压强指数在宽压强范围内不断变化的主要原因。

3 结论

(1)在16～25 MPa之间，有机钡盐与季铵盐复配物(BS-1/YZ-1)比季铵盐(YZ-1)具有更好的降压强指数作用，仅添加YZ-1推进剂的动态压强指数为0.434，添加BS-1/YZ-1推进剂的动态压强指数为0.279，两种推进剂均可稳定燃烧。φ112 mm发动机最高稳定工作压强可达27 MPa，仍未达到高压极限。

(2)定容燃烧器法燃速测试结果表明，添加YZ-1、BS-1/YZ-1推进剂的最大压强指数分别为0.99(32～33 MPa)、0.87(31～32 MPa)，含BS-1/YZ-1的推进剂在压强超过30 MPa时具有稳定燃烧的潜力。

(3)添加YZ-1的推进剂在43～57 MPa之间表现出较低的压强指数，且在49～52 MPa之间出现了短暂的“平台”燃烧区(n<0.2)。