变推力发动机用高压强指数GAP推进剂的燃烧性能研究①

2021-11-24张惠坤鲍海明

固体火箭技术 2021年5期

王惠，张惠坤，池铁，翟峰，鲍海明

(上海航天化工应用研究所，湖州 313000)

0 引言

为应对现代空袭兵器的威胁，适应未来复杂的战场环境，防空导弹技术在向远程、高机动性和多用途的方向发展，进而对固体火箭发动机提出了更高的性能要求[1-2]。变推力固体发动机在实现推力随机调节的同时，可更加合理分配和充分利用固体推进剂的能量，实现了导弹的多任务，提高系统的环境适应、应变及生存能力[3-5]。变推力固体发动机的实现途径很多，其中，喉栓式变推力固体发动机通过调节喷管喉部面积可以实现推力大小的无级调节，对于发动机中推进剂而言，在保证燃烧稳定的情况下，压强指数的值愈高，推力对喉部面积的变化越敏感，这就可通过调节较小喉部面积来达到较大的推力比[4-5]，推力调节比可达10甚至100。一般固体发动机要求推进剂的压强指数在0.2～0.5之间，而喉栓式变推力固体发动机要求推进剂的压强指数在0.5～1之间[4-6]。

目前关于降低推进剂压强指数方面的研究很多，但关于提高推进剂压强指数方面的研究却很少，现有的含高硝胺、高硝酸酯增塑的高能固体推进剂具有较高压强指数[7-10]，但危险等级高，不适用于变推力发动机。叠氮粘合剂具有生成热高、密度大、热稳定性好，制得的推进剂能量高、感度低等优点，因而在复合固体推进剂中广泛应用[11-13]。

本文以GAP为粘合剂，研究GAP推进剂的燃烧性能，特别是压强指数，以期获得提高推进剂压强指数的途径，满足变推力发动机对推进剂压强指数的需求。

1 实验

1.1 原材料

高氯酸铵(AP)，工业级，大连高佳化工有限公司；奥克托金(HMX)，5类，江苏红光化工有限公司；高氯酸钾(KP)，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；GAP胶(聚叠氮缩水甘油醚)，黎明化工研究院；增塑剂A3，双(2，2-二硝基丙醇)缩甲醛/双(2，2-二硝基丙醇)缩乙醛，黎明化工研究院；球形铝粉(Al)，鞍钢实业微细铝粉有限公司；甲苯二异氰酸酯，甘肃银达化工有限公司；燃速催化剂RC-1，RC-2，RC-3，RC-4，自制。

1.2 GAP推进剂样品的制备

按照表1的配方组成，将各组分(除固化剂外)称量在一起、放入(70±5) ℃水浴烘箱中预烘15～20 min、预混后，将药浆倒入立式混合机中混合50～60 min，加入固化剂再混合50～60 min，真空浇注后放在(60±5) ℃水浴烘箱中固化7 d，制备得到GAP推进剂样品。

表1 GAP推进剂的配方组成

1.3 性能测试

静态燃速和压强指数测试：采用靶线法燃速仪(国产BXF-2000)，参照GJB 770B—2005方法706.1进行静态燃速和压强指数测试。将样品切成5 mm×5 mm×150 mm的药条，记录的有效长度为100 mm，药条侧面用标准液包覆，采用靶线法测试推进剂的燃烧性能。

动态燃速和压强指数测试：参照GJB 96A—2001进行φ118 标准试验发动机的制备，参照GJB 2365A—2004和GJB 97A—2001进行发动机的动态燃烧性能的测试和数据处理。

2 结果与讨论

2.1 氧化剂的影响

氧化剂是复合固体推进剂的主要组分，提供推进剂燃烧所需的氧，占比例也最大，对推进剂的燃速和压强指数必有一定的影响。固定氧化剂含量54%，研究不同种类氧化剂配比对GAP推进剂燃烧性能的影响，如表2所示。可以看出，当5%HMX、KP分别取代AP后，GAP推进剂在1～15 MPa下的燃速和压强指数差异较小，压强指数仅从0.47变化到0.46，对GAP推进剂的燃速和压强指数的提高效果不明显。

表2 氧化剂种类对GAP推进剂燃烧性能的影响

在氧化剂总含量为54%的条件下，改变氧化剂粒径及配比，研究细氧化剂粒径及配比对GAP推进剂燃烧性能的影响，结果如表3所示。可以看出，随着细AP粒径和含量的变化，GAP推进剂在1～15 MPa的燃速和压强指数均有显著的变化，图1和图2分别为细AP粒径和含量对GAP推进剂燃速的影响趋势图。

图1 细AP粒径对推进剂燃速的影响趋势图

图2 UFAP含量对推进剂燃速的影响趋势图

表3 细氧化剂粒径及配比对GAP推进剂燃烧性能的影响

结合表3和图1、图2可以看出，细AP的粒径越小，UFAP(dAP<2 μm)含量越高，推进剂的燃速和压强指数均逐渐增加，在1～15 MPa压强下，推进剂静态压强指数最高可达0.74。分析认为，细AP粒径越小，UFAP含量提高，均使得AP的比表面积增大，从而提高凝聚相中AP的分解反应速率和推进剂的产气量，进而提高气相中氧化性气体反应物浓度，最终提高推进剂的燃速。同时，随着压强的升高，AP的分解速率加快，气相反应物浓度更高，从而提高了燃速的增长幅度，进而提高推进剂的压强指数[14]。

2.2 增塑比的影响

在推进剂体系中，除了氧化剂体系，粘合剂体系的差异对推进剂的燃烧性能也有一定的影响。GAP粘合剂为含能粘合剂，是推进剂的弹性基体，增塑剂A3，为含能增塑剂，两者均提供可燃元素，又提供了氧，所以增塑比(增塑剂/粘合剂比值，PL/PO)的大小对推进剂的燃烧性能也有一定影响。

根据获得的氧化剂对GAP推进剂压强指数影响规律，结合考虑实际生产过程中药浆的工艺性能，选定细氧化剂UFAP含量20%，研究了不同增塑比对GAP推进剂的燃烧性能的影响，结果如表4所示，增塑比对推进剂燃速的影响趋势图如图3所示。

图3 不同增塑比对推进剂燃速的影响趋势图

由表4和图3可见，随着增塑比从1.0增加到1.4，GAP推进剂的燃速和压强指数均是逐渐增加的，压强指数从0.49增加到0.57，分析认为，增塑比增加，即小分子A3的硝基含量增加，对GAP粘合剂的分解具有一定促进作用，体系的放热量增加，反馈至燃烧表面的热量增加，从而燃速提高，同时随着压强的升高，燃速的增幅加大，因而推进剂的压强指数升高。其中，增塑比从1.2增加到1.4时，推进剂的压强指数增加幅度减小，说明增塑比的适量增加，有助于推进剂压强指数的提高。

表4 增塑比对GAP推进剂燃烧性能的影响

2.3 燃速催化剂的影响

调节推进剂燃速和压强指数的方法很多，最常用且对推进剂其他性能影响最小的方法是加入燃速催化剂。按照表1和以上研究结果，选择推进剂的固含量72%，氧化剂UFAP含量20%，增塑比1.2，研究一系列燃速催化剂对GAP推进剂燃烧性能的影响，结果见表5，推进剂燃烧性能变化规律见图4。

表5 燃速催化剂对GAP推进剂燃烧性能的影响

图4 不同燃速催化剂对推进剂燃速的影响趋势图

从表5和图4可见，不同种类燃速催化剂对GAP推进剂燃烧性能的影响差异较大，燃速催化剂RC-1、RC-2、RC-3及RC-4均能显著提高GAP推进剂1～15 MPa的燃速和压强指数，其中燃速催化剂RC-4制备的GAP推进剂的压强指数最高，为0.78，7 MPa下燃速为37.16 mm/s。进而研究RC-4含量对推进剂燃烧性能的影响，随着RC-4含量从1%增加到2%时，GAP推进剂的压强指数没有再升高，压强指数从0.78降到0.75，说明与加入2%燃速催化剂RC-4配方相比，加入1%燃速催化剂RC-4的GAP推进剂能得到更高的压强指数。

从图4还可以看出，燃速催化剂的种类不同，推进剂高压区间(9～15 MPa)的燃速有不同的变化规律，计算获得高压区间(9～15 MPa)的压强指数，数据如表5中所示。不同燃速催化剂对高压段的压强指数影响差异性较大，其中1%含量RC-4的推进剂高压区间压强指数最低，为0.37，且低于1～15 MPa的压强指数0.78，说明高压段燃速对压强的敏感程度降低，高压燃速出现平缓的趋势，这有利于推进剂在高压范围燃烧的稳定性和变推力发动机在高压范围内的正常工作。

从以上实验结果可见，不同燃速催化剂在不同的压力区间，对GAP推进剂的压强指数有不同的作用效果，本实验中只研究了四种单一催化剂的作用效果，而复配催化剂的作用效果及在不同压力区间对GAP推进剂的燃烧机理还有待进一步研究。

2.4 动态燃烧性能测试

基于氧化剂、增塑比、燃速催化剂对GAP推进剂燃烧性能的影响规律，确定高压强指数GAP推进剂的基本配方组成：固含量72%，UFAP含量20%，增塑比1.2，RC-4燃速催化剂含量1%。对此高压强指数GAP推进剂进行φ118标准发动机动态燃烧性能表征，动、静态燃烧性能对比见表6。通过对表6各压强点的动态燃速进行计算，得出推进剂在1～15 MPa的动态压强指数为0.66，满足变推力发动机对高压强指数(0.5～1.0)的要求，同时高压范围(9～15 MPa)的动态压强指数为0.51，低于1～15 MPa压强范围的压强指数，说明高压范围燃速对压强的敏感程度较低，这有利于高压区间燃烧的稳定性，保障变推力发动机在宽压力范围内的正常工作。采用φ118发动机对推进剂进行能量测试，发动机推力、压强-时间曲线如图5所示。