GAP/CL-20推进剂在快速热刺激下的自着火特性

余 涛,杨 猛,麦棹铭,孔祥东,汤成龙,武 毅

(1.西安交通大学 能源与动力工程学院,陕西 西安 710065;2.北京理工大学 宇航学院,北京 100085)

引 言

固体推进剂的综合性能制约着装备和空天动力系统的发展,对提高装备、空间动力系统的综合效能等具有重大影响,直接推动着装备及动力系统的更新换代[1]。

固体推进剂先后从交联改性双基推进剂(XLDB)、端羧基聚丁二烯推进剂(CTPB)到端羟基聚丁二烯推进剂(HTPB)再逐步发展到硝酸酯增塑聚醚推进剂(NEPE),发展趋势则是其不断增加的能量密度[2]。而随着装备与空天动力技术的进一步发展,NEPE推进剂已无法满足其日益增长的能量需求,各国开始在NEPE推进剂基础上探究进一步提高推进剂能量的方案。1987年美国首次合成出六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20),使用叠氮类含能黏合剂GAP取代惰性聚醚黏合剂PEG等,并用更高能量的CL-20取代传统的硝铵炸药环三亚甲基三硝胺(RDX)和环四亚甲基四硝胺(HMX)所制成的GAP/CL-20推进剂。相较于NEPE推进剂,GAP/CL-20推进剂的能量水平有着显著提高。然而更高的材料能量密度也会给其贮存、运输与使用带来更大的安全风险。因此,研究人员针对GAP/CL-20推进剂做了许多性能上的测试与研究。

针对GAP/CL-20推进剂的燃烧性能,Wei等[3]设计并制备了GAP/CL-20基复合炸药,并对该炸药的爆轰可靠性、爆速、机械感度、冲击感度和光亮度进行了测试和分析。周晓杨等[4]探究了GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能的影响因素,采用水下声发射法测试了推进剂的静态燃速,并用线性回归法计算了推进剂燃速压强指数,研究结果表明,推进剂燃速压强指数均随CL-20、Al粉粒度减小和AP粒度增加而减小。后续还使用最小二乘法计算燃速压强指数,开展了GAP/CL-20推进剂燃烧性能调节的探究,结果表明减小CL-20粒度、增大AP粒度、使用增塑剂Bu-NENA(丁基硝氧乙基硝胺)部分取代硝酸酯增塑剂等推进剂等途径均可降低GAP/CL-20推进剂的燃速与燃速压强指数[5]。张伟等[6]研究了CL-20的能量潜力,结合含能黏合剂GAP,计算出GAP、CL-20、氧化剂、可燃剂四元混合炸药的爆炸能量。计算结果表明,使用高氯酸锂作氧化剂可显著提高体系的能量密度,但将其在浇注混合炸药中应用需要进一步改性研究。王瑛等[7]探究了CL-20粒度对GAP/CL-20推进剂燃烧性能的影响,采用靶线法分别测定了14μm和115μm 的CL-20在不同压强下的燃速,计算了其压强指数,并利用微型高温热电偶测温技术、燃烧火焰单幅照相技术研究了CL-20粒度对GAP/CL-20推进剂燃烧性能影响的机理。Wang等[8]通过差热分析、热重分析和扫描电镜实验研究了推进剂的形貌和热分解性能,建立了GAP/CL-20推进剂固体火箭发动机烤燃数值模型。Li等[9]通过TG、DTA与SEM实验研究了GAP/CL-20推进剂的形貌与热解性能,还对三维固体火箭发动机在不同升温速率下的烤燃过程进行了仿真验证。

由此可见,当前针对GAP/CL-20推进剂燃烧性能的研究主要体现在材料燃速的测量及压强指数的计算,对于GAP/CL-20推进剂的其他燃烧性能未见相关报道。而GAP/CL-20推进剂作为一种先进的高能推进剂,其在爆炸、冲击等快速热刺激场景下的着火特性当前并无探究,因此本研究针对GAP/CL-20推进剂开展基于快速压缩机的试验,探究不同温度和压强下快速热刺激对GAP/CL-20推进剂自着火性能的影响规律,并得出其自着火边界,可为系统分析GAP/CL-20推进剂在不同环境条件下的燃烧性能提供参考。

1 试 验

1.1 试验样品

试验中所采用的GAP/CL-20推进剂配方(质量分数)为:GAP,15%;CL-20,35%;AP,10%;Al,18%;NC,10%;NG,10%;其他,2%。根据燃烧室视窗范围,按照3mm×3mm×5mm的长方体对GAP/CL-20推进剂进行塑形。每次试验用量为50mg的GAP/CL-20推进剂。

1.2 试验装置

快速压缩机装置主要由高压气罐、驱动段、液压段、压缩段、燃烧室、控制和数据采集系统、配气系统、油压系统以及光学系统等部分组成,图1为快速压缩机装置示意图。

图1 快速压缩机装置示意图Fig.1 The schematic diagram of the rapid compression device

其工作方式为气体驱动,液压制动[10-11],且光学系统采用阴影成像原理[12],视窗直径为30mm。试验过程中通过压强传感器(Kistler 6125C)和电荷放大器(Kistler 5018A)对燃烧室内的压强变化进行记录,燃烧过程中的高速图像则通过可视化燃烧室及其对应的光学系统进行记录。实验选用的高速相机型号为Phantom V710,帧数为20000,像素分辨率为512×512。

1.3 试验方法与条件

GAP/CL-20推进剂快速热刺激试验方法:参考文献[11]对HMX/NC/NG在快速热加载(约2×104K/s)条件下的自着火进行研究,压缩开始前,首先将液压段注满液压油,进而将系统中的各活塞锁定在下止点位置(如图1中活塞位置所示),将50mg的GAP/CL-20推进剂以钨针穿刺的方式固定在燃烧室内,随后往燃烧室内充入一定比例的混合气;压缩开始时,通过释放液压段内建立起的油压,高压气罐中的压缩空气驱动活塞连杆机构迅速移动到各部分的上止点。在压缩开始时,压强采集系统触发开始记录燃烧室内的压强变化,而当压强采集系统中的电信号达到一定信号强度时,高速相机触发开始记录燃烧室内GAP/CL-20推进剂样品的变化情况。当活塞机构到达各位置上止点,燃烧室达到预先设计好的环境条件后,GAP/CL-20推进剂样品由于受到快速热刺激的影响将会发生相应的反应。若样品未发生着火或爆炸,燃烧室内压强在压缩上止点后将不会出现上升趋势,且高速相机拍摄得到的高速图像也不会出现着火图片,反之亦然。本研究中的热刺激指样品在压缩上止点时的温度与压强。燃烧室压缩上止点的温度(Tc)可以根据“绝热核心假说”[13]和理想气体状态方程计算得到。之前所做的工作通过数值仿真[14]计算燃烧室内的温度场,并以此对燃烧室活塞结构进行了改良(如图1所示),保证了燃烧室内温度在快速压缩机工作过程中的均匀性。根据文献可得压缩过程中活塞的平均速度为11m/s,因此可以确定样品的自着火不是由于激波加热所引发的[11]。此外,为了研究GAP/CL-20推进剂在快速热刺激下的自着火特性,得出其在不同温度和压强下的着火规律以及自着火边界,需要在试验中严格调控快速压缩机燃烧室内的压强与温度。压缩后燃烧室内的压强和温度与所充入混合气体的体积与比热紧密相关。充入的混合气越多,则压缩完成后燃烧室内压强越高;充入的混合气总比热越大,则压缩完成后燃烧室内温度越低。故本次试验将通过调整充入混合气的量来调节压缩后燃烧室内压强,并通过调整混合气的组分来控制压缩后燃烧室内温度。通过分析不同组分混合气的测试结果,这里将采用纯度99.99%的氩气和纯度99.99%的氮气掺混的混合气以达到试验需求。

2 结果与讨论

2.1 GAP/CL-20推进剂样品典型的不着火和着火行为

在3.0MPa和677.29K下50mg GAP/CL-20推进剂样品典型的不着火工况时的高速图像与压强曲线如图2和图3所示。定义活塞机构锁止在压缩上止点(End of Compression,EOC)的时刻为0时刻,记为0ms。样品的初始状态如图2中No.1所示,图2中No.2～No.4为活塞从开始运动到其锁止在压缩上止点,从高速图像可以观察到热气流的生成,从压强曲线也可以看到压强的快速上升。当活塞到达压缩上止点时,燃烧室内温度与压强到达实验设计值后会随着燃烧室壁面的散热而缓慢下降。因此,压缩过程以及活塞达到压缩上止点后,GAP/CL-20推进剂样品会持续受到来自环境的热刺激,然而其压强曲线并未出现上升趋势,高速图像也没有出现着火点,GAP/CL-20推进剂样品没有发生着火现象,表明此环境下的热刺激不足以使GAP/CL-20推进剂样品发生自着火。

图2 在3.0MPa和677.29K下GAP/CL-20推进剂样品的高速图像Fig.2 The high-speed images of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and 677.29K

图3 在3.0MPa和677.29K下GAP/CL-20推进剂样品的压强演化Fig.3 The pressure evolution of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and 677.29K

图4和图5分别为3.0MPa和789.2K下50mg GAP/CL-20推进剂样品的压强演化与高速图像。由图4和图5可知,保持进气总量不变的情况下,提高混合气中氩气的比例,使压缩上止点在保持压强仍为3.0MPa的同时将温度提高到了782.9K,在该条件下样品发生了自着火现象。

图4 在3.0MPa和782.9K下GAP/CL-20推进剂样品的高速图像Fig.4 The high speed images of GAP/CL-20 samples at 3.0MPa and 782.9K

图5 在3.0MPa和782.9K下GAP/CL-20推进剂样品的压强演化Fig.5 The pressure evolution of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and 789.2K

随着压缩过程的进行,样品持续受到来自环境的高温高压刺激,使得样品在活塞到达上止点后18.5ms产生着火点,如图4中No.5所示,并将其定义为样品开始着火的时刻。但是样品自着火初期的热量释放小于燃烧室壁面的散热量。随着时间的继续推移,样品燃烧释放的热量将会大于系统的散热量,即表现为燃烧室内的压强开始上升,并在275ms(No.10)时达到燃烧室内压强的最大值,但随着剩余样品的不断减少,其释放的热量再度低于系统的散热量,压强开始下降,直到样品在389.5ms(No.12)时燃烧完全。

通过对高速图像进行分析,可以发现最早出现着火点的时刻为18.5ms,如图4中No.5所示,因此可以定义从压缩开始(外界能量输入)到图像上首次观察到着火点出现时刻的间隔为着火延迟期(IDTI)。参考上述样品试验,由高速图像分析可得其压缩过程开始于-25ms,因此可以定义该样品在上述条件下的着火延迟期为43.5ms。同样也可以通过高速图像对燃烧持续时间(Burning duration)进行定义,即从图像中首次出现着火点的时刻到图像中材料燃烧完全的时刻,此处试验的燃烧持续期为371ms。

根据多次试验结果,着火点主要出现在样品的右侧面与棱角部分。这是由于在实际压缩过程中燃烧室内的气流会产生轻微扰动,导致样品的右侧面与棱角部分接触区域内气流速度略高于其他接触区域,有利于样品与环境气体进行换热,进而导致该部分区域更早地产生着火现象。此外在整个压缩过程中作为动边界的活塞速度为11m/s,而气流速度小于动边界的移动速度,故不足以引起摩擦起燃。而且从长焦显微镜头所拍摄的高速图像(如图6所示)可以看出,样品整个着火过程分为热解和着火两个阶段。第一阶段,快速压缩机开始工作,燃烧室环境温度上升,样品开始受热发生热解,但该阶段并未出现着火现象;第二阶段,随着时间的累计,热解产物将会进一步产生化学反应并伴随着火现象,引燃样品。此外,从图6试验高速图像中可以观察到,虽然样品着火起始于上端面,但该面法方向上的燃面推移速度远小于长端面,而长端面的燃烧则呈现出分层的特点,即燃烧逐层进行,当一层燃烧殆尽时,该层将会发生剥离并将引燃下一层,并逐层燃烧至完全。

图6 GAP/CL-20推进剂样品在3.0MPa和不同温度下的自着火高速图像Fig.6 The high-speed images of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and different temperatures

2.2 GAP/CL-20推进剂在不同温度和压强下的着火延迟期变化

图7和图8分别为控制压缩上止点压强(Pc)3.0MPa时所获得的不同温度下的高速图像与压强曲线。由图3可知在3.0MPa、677.29K的工况下,通过高速图像与压强曲线分析可知样品没有发生着火现象。

图7 在3.0MPa和不同EOC温度下GAP/CL-20推进剂样品的自着火高速图像Fig.7 The high-speed images of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and different EOC temperatures

图8 在3.0MPa和不同EOC温度下GAP/CL-20推进剂样品的压强演变Fig.8 The pressure evolution of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and different EOC temperatures

随后在保持压强不变的情况下,升高温度。当温度升高到716.59K时,GAP/CL-20推进剂样品出现了着火现象,通过高速图像分析可以发现其在52ms时首次出现了着火点,且其燃烧持续期为398ms。当温度继续升高至748.95K时,在29.5ms时出现了着火点,其燃烧持续期为382ms。温度为782.03K时,着火点出现的时刻提前到了19.2ms,其燃烧持续期为371ms。所以从高速图像可以发现,随着压缩上止点温度的升高,样品的自着火会逐渐提前,燃烧持续期缩短。而根据不同温度下的燃烧室压强曲线,也可以观察到随着EOC温度的升高,会出现更快更早的压强上升趋势。

此外,还探究了在控制温度为925K左右时,EOC压强对GAP/CL-20推进剂样品自着火行为的影响。试验所得的高速图像与压强曲线如图9和10所示。

从图9可以看出,样品在1.5MPa时没有发生自着火现象。当压强升高至2.0MPa时,样品出现自着火现象,且在19.3ms时出现了着火点,随后样品开始缓慢燃烧至完全。在压强达到2.5MPa时,着火点出现在11.3ms,比2.0MPa时提前。当压强进一步升高至3.0MPa时,着火点出现的时间进一步提前。根据图10的压强曲线也可以发现,提高压强显著促进了样品燃烧的进行,且当压强较低(如1.5MPa)时,样品不会出现自着火现象。

图10 在不同温度和压强下GAP/CL-20推进剂样品的压强演变Fig.10 The pressure evolution of GAP/CL-20 propellant samples at different temperatures and pressures

2.3 GAP/CL-20推进剂样品的自着火边界

从2.1与2.2节可知,随着温度与压强的改变,存在一个临界条件将自着火与未着火情况区分开。因此,可以通过调节EOC温度与压强,得出着火临界条件,进而得到样品的自着火边界。

图11为样品在不同温度和压强的着火与不着火情况。可以看出,在快速压缩机中,GAP/CL-20推进剂样品是否可以发生自着火现象取决于EOC的温度与压强。而由文献[15]可知,气体导热系数随着压强增加而增加,因而随着快压机内的环境压强提升后,相同高温环境下气体对于固体材料的加热速率变快,从而导致固体推进剂本身升温速度的加快,进而加速了后续热分解和自着火过程。试验所获得样品的自着火边界将整个区域划分为两部分,当位于着火区域时,GAP/CL-20推进剂样品将会发生自着火现象并会产生引发爆炸的风险。具体来说,随着压强从1.0MPa增加到3.0MPa,临界着火温度显著降低。当压强高于3.0MPa时,临界着火温度显示出非常微弱的下降。此外,这些安全阈值可以为GAP/CL-20推进剂样品的安全使用提供指导。

图11 不同EOC温度和压强下的测试点及自着火区域Fig.11 The test points and auto-ignition regions at different temperatures and pressures (in EOC)

3 结 论

(1)从长焦显微镜头所拍摄的高速图像可以将样品整个着火过程分为热解和着火两个阶段。样品的着火整体则呈现出逐层燃烧的特点。

(2)当控制压强为3.0MPa时,随着EOC温度的增加,GAP/CL-20推进剂样品的自着火及压强上升趋势提前,燃烧持续期缩短。当控制EOC温度为925K时,随着EOC压强的上升,GAP/CL-20推进剂样品的自着火也会表现出与变温度系列试验相似的特征,GAP/CL-20推进剂样品的自着火及压强上升趋势提前,燃烧持续期缩短。

(3)根据试验所获得的自着火边界可知,当压强处于1.0～3.0MPa时,随着压强的升高,临界着火温度快速降低。而当压强高于3.0MPa时,压强的进一步提升则会导致临界着火温度下降变缓。