某产品低温静试燃烧时间超差原因分析与验证

陈晓锦,赵俊波,成爱珍,毛旭辉

(1.空军装备部驻太原地区军事代表室,山西 太原 030006;2.山西北方兴安化学工业有限公司,山西 太原 030008;3.晋西工业集团有限责任公司,山西 太原 030027)

1 引言

固体火箭发动机内弹道性能是固体发动机设计的重要内容,其核心是发动机燃烧室内压强随时间变化的规律,是固体发动机获得推力、燃烧室压强、总冲量、比冲量、工作时间等一系列性能参数的可靠方法。固体发动机只有按照设计的压强-时间曲线工作,才能达到既定的飞行技术指标[1-3]。根据固体火箭发动机工作原理,发动机整个工作过程的压力-时间曲线可以分为3段,即压力上升段、压力接近平衡压力的平衡段、燃烧结束的后效段。发动机工作时影响3段工作时间的因素主要表现在推进剂的燃速、药形尺寸、包覆情况以及发动机结构参数等方面[4-10]。

某产品采用XX-2双基推进剂,目前分外贸和国内两种配套方式。某年外贸发动机装药(1101批发动机装药,以下简称为“1101批”)各项性能均符合要求,国内发动机装药(1102批发动机装药,以下简称为“1102批”)高温曲线正常,但低温静试时,第1发燃烧时间为1.77 s,第2发为1.79 s,均超出了指标上限1.7 s的要求,出现了燃烧时间超差,而总冲、推力均符合指标要求,曲线被整体拉长的现象。本文从原材料及催化剂成分、燃速、药形尺寸、包覆以及发动机结构等方面进行分析,通过试验进行验证,确定产品低温静试燃烧时间超差的原因。该研究解决了低温静试燃烧时间超差的问题,进一步明确了该产品后续生产过程中的重点控制事项,为产品的质量保证提供了积极的指导作用。

2 原因查找分析

2.1 催化剂成分

XX-2双基推进剂配方组成与配比见表1。

表1 XX-2配方组成要求

燃速催化剂是影响双基推进剂燃烧性能的主要因素[11],催化剂批次、含量的不同,对推进剂燃速结果存在较大影响。因而先从催化剂进行分析,1101批和1102批吸收药、催化剂(炭黑)、催化剂(铅盐)及配比情况见表2。

表2 装药化学成分及燃速分析对比情况

从两批吸收药分析可知,化学成分分析结果符合表1技术指标要求,催化剂批次不同,配方加入量相同,测试结果有差异,因属大生产工艺,该现象属可接受偏差范围。虽然含量有所差异,但对装药+50 ℃、6.9 MPa下燃速结果影响不大。

2.2 燃速分析

根据生产的正常程序,在产品批量生产之前应对推进剂物料进行高温燃速测试。将1101批装药和1102批装药用药粒分别压制φ18 mm药柱样品,按照GJB 770B—2005 方法706.1采用靶线法进行燃速测试,测试条件均为+50 ℃、6.9 MPa,燃速测试结果见表2。

从表2测试结果看,1101批+50 ℃、6.9 MPa下燃速为12.00 mm/s;1102批为12.04 mm/s。两批高温燃速测试结果接近,且在内控指标(11.5～12.4 mm/s)中上限。从测试结果可知,1102批装药的燃速略高于1101批,如果温度系数接近,压力指数差别不大,应该二者低温工作时间接近。然而,实际上1101批装药低温内弹道工作时间为1.68 s,1102批装药为1.79 s,1102批装药比1101批装药工作时间长0.11 s,造成1102批装药低温工作时间超出指标。

对两种装药低温燃速出现明显差异的原因进行分析,一方面可能是系统误差造成的,如燃速样取样是否均匀,压制样品的塑化成型质量是否一致,样品的水分和密度以及测试包覆时样品的浸泡次数、间隔时间、晾干时间是否一致,以及压力波动、测试环境温度等因素均会对测试结果造成干扰;另一方面可能是原材料批次变动引起的,特别是铅盐催化剂的水分、粒度的变化影响到吸收药的燃速温度系数和压力指数,均有可能使高温燃速正常,低温燃速偏低,从而使低温燃烧时间较长。

2.3 药形尺寸

两批装药采用的物料成分接近,其热膨胀效应接近,因而两种装药药形尺寸差别主要由压药模具决定。从两者压药所使用的模具分析,1101批和1102批在压药时所用铜套和针均为φ108 mm/φ47.3 mm,故而排除了压药模具对药形尺寸的影响。笔者直接对两种装药的药形尺寸进行检测,对比结果见表3。

表3 装药压药模具及药形尺寸对比情况

从表3对比情况看,两批药形尺寸结果接近。若燃速接近,燃烧时间应该接近,因此药形尺寸不是影响燃烧时间的主要因素。

2.4 包覆情况

装药采用101聚氨酯胶将聚酯包覆片对药柱进行端面包覆。两批装药采用的包覆片和包覆用101聚氨酯胶及包覆工艺情况见表4。

表4 装药包覆情况

从表4可以看出,两批装药的包覆技术和手段一致,其中两批装药包覆所用原材料如101胶甲乙组份及批次完全相同,1101批装药所用包覆片为10-W1批、10-W2批、10-W3批,1102批装药为10-N1批、10-N2批。尽管包覆片批次不同,但是两批装药静试过程中燃烧曲线正常,说明两者包覆质量合格,没有对工作时间造成影响。

2.5 发动机结构

固体火箭发动机主要由壳体、固体推进剂装药、绝热层、喷管和点火装置组成。其中,壳体涂层的厚度、喷管的喷喉面积等方面,如果误差较大,也会很大程度上影响到发动机的平衡压力和工作时间。

1101批装药静试试验工作正常,问题发生后,为排除因1102批试验用发动机引起低温工作时间超差的原因,采用1101批试验用剩余发动机对1102批药柱进行了验证试验。试验结果显示,1102批工作时间为1.79 s,与之前1102批药柱在1102批发动机内的工作时间(1.77、1.79 s)基本一致,故而可以排除1102批发动机结构对装药工作时间的影响。

2.6 小结

综上所述,原材料及催化剂成分对两批装药高温燃速性能无影响,但通过低温内弹道工作时间超差分析可知,两批装药药形尺寸、包覆情况及发动机结构均不是造成低温内弹道工作时间超差的主要原因;因此,低温工作时间超差的主要原因集中于催化剂对装药燃速的影响,本文将通过试验进行验证。

3 试验验证

3.1 装药燃速分析

加入燃速催化剂提高推进剂燃速是目前最广泛和最常用的一种方法,催化剂加入的量很少,却能较大幅度地调节推进剂的燃速。铅盐、炭黑复合与铅盐单独使用时比较,可普遍提高燃速,同时二者含量的不同对压强指数的影响也不同[12]。

为验证装药中燃速催化剂对装药燃速的影响,对装药燃速性能进行了进一步分析,同时考虑装药高温(+50 ℃)、低温(-40 ℃)工作压力区间的差异,分别取高温压力区间为5～9 MPa、低温压力区间为3～7 MPa,通过对成品药柱加工成φ5 mm药柱,采用GJB 770B—2005方法706.1对装药进行了不同压力条件下的高温(+50 ℃)、低温(-40 ℃)燃速和压强指数测试,测试结果见表5和表6。

表6 低温(-40 ℃)燃速测试结果

由表5和表6可知,两种装药燃速在高温时各压力下燃速值相差不大,但1102批装药在3～7 MPa下燃速均低于1101批。由此可见,造成1102批装药低温燃烧时间超差的主要原因是该批装药低温工作环境下燃速偏低。

3.2 燃速催化剂对燃速性能的影响

为了进一步验证影响装药低温燃速的主要影响因素,对不同炭黑、铅盐含量(选取炭黑含量为0.4%、0.7%、0.1%,铅盐含量为2.5%、3.0%、3.5%)进行了推进剂的制备,并进行了燃速性能的测试。燃速测试结果见表7和表8。

表7 高温(+50 ℃)燃速测试结果

表8 低温(-40 ℃)燃速测试结果

由表7和表8可知,炭黑、铅盐对装药燃速性能均有较大影响,根据装药燃速内控要求(+50 ℃、6.9 MPa条件下11.8～12.45 mm/s),并考虑低温工作时间的影响,炭黑、铅盐含量应分别控制在0.1%～0.3%、3.0%～3.5%。

4 认识与改进效果

4.1 对产品质量控制的认识

通过上述分析与验证,可以认为造成该产品低温燃烧时间偏长的主要原因是产品在低温工作环境下燃速偏低,低温下铅盐催化剂对燃速影响较大,其原始粒度分散性的大小基本上决定了催化活性的大小。

针对本产品出现的问题,笔者认为燃速测试时应增加低温低压力区间内多点测试,根据多年来的结果统计,建议将内控指标修订为+50 ℃、6.9 MPa条件下11.8～12.45 mm/s,同时测试-40 ℃时不同压力点的燃速,燃速可控为-40 ℃、6.9 MPa条件下11.3 mm/s以上,并对药柱低温燃速进行数据积累。

4.2 改进效果

在1201批生产中对产品的催化剂更换了批次并控制其配比,对燃速进行了低温多点测试。其中低温-40 ℃、6.9 MPa条件下的燃速为11.39 mm/s,确保了产品性能符合技术指标要求,内弹道试验结果见表9和表10。

表9 高温(+50 ℃)试验结果

5 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)通过从原材料、催化剂成分、燃速、药形尺寸、包覆情况以及发动机结构等方面进行分析及验证,认为1102批装药低温静试燃烧时间超差的原因是受装药低温燃速偏低的影响。

2)在产品批量生产前除了对高温燃速进行测试外,还需对低温低压区间内燃速进行控制,以确保内弹道性能满足指标要求。

3)催化剂(炭黑、铅盐)是影响装药燃速性能的主要材料,对装药高、低温燃速的控制是确保内弹道性能合格的关键因素。