超級鋁熱劑對雙基推進劑燃燒性能的影響①

安 亭，趙鳳起，裴 慶，儀建華，郝海霞，徐司雨，譚 藝

(西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，西安 710065)

0 引言

固體推進劑的燃燒性能是影響火箭發(fā)動機彈道性能的重要因素，燃速的高低決定著發(fā)動機的工作時間和飛行速度。推進劑的燃燒性能是指推進劑燃燒速度的規(guī)律性和燃燒過程(內(nèi)彈道性能)的穩(wěn)定性，包括穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)燃燒［1］。燃燒性能參數(shù)是表征燃燒過程穩(wěn)定性的數(shù)量界限，即當這些參數(shù)在某一范圍時，推進劑裝藥在火箭發(fā)動機中燃燒所產(chǎn)生的p-t與r-t曲線能符合人們的設計要求。否則，上述曲線將會出現(xiàn)異常，嚴重時會使發(fā)動機熄火(壓力下降為零)或爆炸(壓力增至很大)，從而使發(fā)動機不能工作［2］。

固體推進劑燃燒過程是一個復雜的傳熱傳質(zhì)過程，其本質(zhì)是一個復雜的高溫、瞬時、高壓的放熱化學反應，化學反應速度、傳熱傳質(zhì)速度決定了推進劑的燃速［1－2］。總體來講，推進劑的燃速不僅受壓力、初溫及氣流速度等外部環(huán)境因素的影響，而且還受火藥內(nèi)在因素的左右。內(nèi)在因素影響即火藥的物理化學性能對燃速的影響，包括推進劑的組分及組成、推進劑的密度和熱傳導系數(shù)等。上述因素直接影響發(fā)動機工作性能的穩(wěn)定性。因此，控制和調(diào)節(jié)推進劑燃燒性能對滿足各種火炮和火箭武器的設計要求是十分重要的［3］。

目前，含能納米材料是推進劑燃燒催化劑的一個重要發(fā)展方向，已開展了相關的應用研究［4－9］。超級鋁熱劑已成為國防科技領域的研究熱點，但對其研究主要集中于制備表征和基礎特性方面［10－21］。國內(nèi)外對超級鋁熱劑于推進劑中的應用尚未開展系統(tǒng)研究，因此有許多問題值得探索，如含超級鋁熱劑的推進劑與傳統(tǒng)推進劑燃燒特性有何區(qū)別?含超級鋁熱劑的推進劑的燃燒規(guī)律及其性能調(diào)控等一系列問題。為了初步探索并解決上述問題，本文研究了數(shù)種超級鋁熱劑對雙基推進劑燃燒性能的影響，并初步分析了超級鋁熱劑對催化效果的影響。

1 實驗

1.1 原料及推進劑配方設計

在燃燒性能影響的實驗中，所采用的雙基推進劑的基礎配方(質(zhì)量分數(shù))為雙基粘合劑89.0%，二號中定劑(C2)2.0%，其他助劑9.0%，所用材料都為工業(yè)品，均由西安近代化學研究所提供。

藥料按500 g配料，催化劑為外加量，加入量為2.5%;對照組空白推進劑樣品不含催化劑，其他組分和含量相同。催化劑的具體組成如表1所示，表1中m表示微米級鋁熱劑，n表示納米級鋁熱劑，下文同。所用催化劑的制備及表征見文獻［10－11］。為作對比分析，還加入了曾經(jīng)做過的含納米金屬氧化物雙基推進劑的燃燒性能研究結(jié)果，見文獻［4］。

表1 雙基推進劑配方中的催化劑Table 1 Catalysts in double-base propellant

1.2 推進劑配方制備工藝

固體推進劑樣品采用“吸收-驅(qū)水-放熟-壓延-切成藥條”的常規(guī)無溶劑壓伸成型工藝制備。為防止納米催化劑在推進劑樣品制備工藝的吸收過程中流失，將超級鋁熱劑與增塑劑經(jīng)物理混合形成混合體系，然后一起加入到吸收鍋中。由于其他組分不像NG，事先與NC充分吸收制成雙基粘合劑，而是直接引入的，因此，吸收過程必須保證有足夠的吸收時間，以使NC和其他各組分能充分且均勻混合。

1.3 測試儀器及實驗方法

燃速測定采用靶線法，在西安電子科技大學和燃燒與爆炸技術重點實驗室聯(lián)合研制的AE/BX-2006多功能固體推進劑燃速測試系統(tǒng)上進行。

測定試樣燃速時，先將推進劑樣品制成φ5 mm×150 mm藥條，并經(jīng)表面粗化處理，然后在其側(cè)面用聚乙烯醇溶液浸漬包覆并晾干，如此反復6次，按GJB 770A方法706.1“燃速-靶線法”，在充氮調(diào)壓式燃速儀中測定燃速。環(huán)境溫度為20℃，壓強為2～20 MPa。

2 結(jié)果與討論

按上述實驗方法及內(nèi)容，推進劑的燃速測試結(jié)果見表2。為作對比研究，表2中同時也列出了文獻［4］中含納米金屬氧化物雙基推進劑的燃速測試結(jié)果。

表2 含不同超級鋁熱劑的雙基推進劑的燃速Table 2 Burning rate of double-base propellant containing different super thermites

為了比較不同催化劑的催化效果，計算了不同催化劑的催化效率ηr(ηr=uc/u0，uc為含催化劑的推進劑燃速，u0為不含催化劑的推進劑燃速，下文同)，計算結(jié)果如表3所示。

表3 含不同超級鋁熱劑的雙基推進劑中催化劑的催化效率Table 3 The catalytic efficiency of double－base propellant containing different super thermites

2.1 Al/PbO對雙基推進劑燃燒性能的影響

圖1和圖2分別給出了含超級鋁熱劑Al/PbO雙基推進劑燃速及催化劑催化效率與壓強的關系曲線。

圖1 含Al/PbO雙基推進劑的燃速-壓強曲線Fig.1 Burning rates of DB propellant containing super thermites Al/PbO

圖2 超級鋁熱劑Al/PbO的催化效率-壓強曲線Fig.2 ηr-p curves of super thermites Al/PbO

從表2、表3和圖1、圖2可看出，超級鋁熱劑Al/PbO的加入，可明顯改善雙基推進劑的燃燒性能。與納米氧化鉛相比，超級鋁熱劑Al/PbO使得推進劑具有更高的燃速，2～20 MPa壓強范圍內(nèi)，燃速的增幅較為明顯，但同時壓強指數(shù)有所惡化，這可能與復合的納米鋁粉有關;10～16 MPa壓強范圍內(nèi)，含納米PbO雙基推進劑的燃速低于空白配方，對燃燒性能起到負催化作用。

含2.5%納米Al/PbO復合物的雙基推進劑在2～20 MPa燃速出現(xiàn)顯著提高，并在8～14 MPa范圍內(nèi)出現(xiàn)低壓強指數(shù)區(qū)。該催化劑在2～8 MPa的催化效率ηr分別為2.54、2.12、1.77 和 1.59，尤其是 2 MPa 時的催化效率較高(即在2 MPa推進劑的燃速增加了2.54倍)，雙基推進劑的燃速提高了154%，具有“超速燃燒”的特點，在2～20 MPa壓強范圍內(nèi)，ηr始終在1.30以上。

微米Al/PbO復合物在低壓和高壓下能較好地提高雙基推進劑的燃速，并在中低壓范圍內(nèi)出現(xiàn)低壓強指數(shù)區(qū)，但其優(yōu)化效果不如納米級Al/PbO，該催化劑在2 ～6 MPa的催化效率 ηr分別為 2.60、1.86 和1.41，尤其是在2 MPa下，雙基推進劑的燃速提高了160%，顯現(xiàn)了“超速燃燒”的特點，在4～20 MPa范圍內(nèi)，ηr始終在 1.20 以上。

可見，納米級超級鋁熱劑Al/PbO能顯著提高雙基推進劑燃速，尤其是低壓下具有“超速燃燒”的特點，并在中壓范圍內(nèi)可明顯降低燃速壓強指數(shù);微米級Al/PbO也能改善雙基推進劑的燃燒性能，但其效果較納米級較差，可在低壓和高壓下較好地提高雙基推進劑的燃速，且在中低壓范圍內(nèi)出現(xiàn)低壓強指數(shù)區(qū)，在低壓下也具有“超速燃燒”的特點;實驗結(jié)果表明，納米級Al/PbO的催化效果明顯優(yōu)于微米級Al/PbO。因此，可認為超級鋁熱劑Al/PbO是一種對雙基推進劑燃燒催化效果優(yōu)良的催化劑。

2.2 Al/CuO對雙基推進劑燃燒性能的影響

圖3和圖4分別給出了含超級鋁熱劑Al/CuO的雙基推進劑的燃速及催化劑催化效率與壓強的關系曲線。

圖3 含Al/CuO雙基推進劑的燃速-壓強曲線Fig.3 Burning rates of DB propellant containing super thermites Al/CuO

圖4 超級鋁熱劑Al/CuO的催化效率-壓強曲線Fig.4 ηr-p curves of super thermites Al/CuO

從表2、表3和圖3、圖4可看出，納米超級鋁熱劑Al/CuO可使雙基推進劑在2～20 MPa燃速提高，尤其在中低壓下的改善效果更明顯，該催化劑在2～8 MPa的催化效率 ηr分別為 1.45、1.42、1.30 和 1.28，在2 MPa時雙基推進劑的燃速提高45%;微米Al/CuO也可改善雙基推進劑的燃燒性能，但效果欠佳且較特別，其對低壓和高壓下燃速的提高貢獻較大，如在2 MPa時雙基推進劑的燃速提高近22%，20 MPa下燃速提高20%，而在中壓段的催化效率相對較低。

綜上分析，超級鋁熱劑Al/CuO可改善雙基推進劑的燃燒性能，但燃速提高幅度不大，壓強指數(shù)優(yōu)化不明顯。含納米級Al/CuO的雙基推進劑改善效果更佳，其在中低壓下的催化作用效果較好，而微米級Al/CuO在低壓和高壓下能較好地提高雙基推進劑的燃速。因此，綜上分析結(jié)合實驗結(jié)果表明，超級鋁熱劑Al/CuO對雙基推進劑燃燒性能具有一定的催化作用，但沒有Al/PbO的催化效果明顯。

2.3 Al/Bi2O3對雙基推進劑燃燒性能的影響

圖5和圖6分別給出了含超級鋁熱劑Al/Bi2O3的雙基推進劑的燃速及催化劑催化效率與壓強的關系曲線。

圖5 含Al/Bi2O3雙基推進劑的燃速-壓強曲線Fig.5 Burning rates of DB propellant containing super thermites Al/Bi2O3

圖6 超級鋁熱劑Al/Bi2O3的催化效率-壓強曲線Fig.6 ηr-p curves of super thermites Al/Bi2O3

從表2、表3和圖5、圖6可看出，將納米Bi2O3加入雙基推進劑中，燃速增加較小，催化效率也較低，對燃燒性能的改善幾乎沒有貢獻。相比納米Bi2O3，超級鋁熱劑Al/Bi2O3在低壓下對燃速的提高并不明顯，但隨著壓強逐漸升高，推進劑燃速增加非常明顯，在中高壓下具有較高的燃速，納米Al/Bi2O3表現(xiàn)的尤為明顯，其在12～18 MPa甚至超過了含納米Al/PbO的推進劑燃速，且該區(qū)間內(nèi)的催化效率納米Al/Bi2O3超過了納米Al/PbO。

含超級鋁熱劑 Al/Bi2O3的雙基推進劑在2～20 MPa燃速提高，在該壓強范圍內(nèi)納米Al/Bi2O3的催化效率ηr較為理想，始終保持在1.34以上，尤其是2 MPa下雙基推進劑的燃速提高了62%，增加幅度較大;微米Al/Bi2O3復合物也可改善雙基推進劑的燃燒性能，但其優(yōu)化效果不如納米級 Al/Bi2O3，在2～20 MPa范圍內(nèi)，該催化劑的催化效率 ηr保持在1.17以上，2 MPa下雙基推進劑燃速提高了51%。

由圖可見，納米Bi2O3可降低雙基推進劑在中高壓10～14 MPa范圍內(nèi)的壓強指數(shù)，在此區(qū)間壓強指數(shù)較低為0.559 0，相關系數(shù)為 0.999 8，而納米 Al/Bi2O3則可改善雙基推進劑高壓區(qū)的燃燒性能，其在16～20 MPa范圍內(nèi)出現(xiàn)低壓強指數(shù)區(qū)。總體來講，納米Al/Bi2O3在改善推進劑壓強指數(shù)方面效果并不顯著。

可見，納米級超級鋁熱劑Al/Bi2O3可明顯有提高雙基推進劑的燃速，改善雙基推進劑高壓區(qū)的燃燒性能，降低雙基推進劑在中高壓范圍內(nèi)的壓強指數(shù)，催化效率ηr也較為理想;微米級Al/Bi2O3復合物也可改善雙基推進劑的燃燒性能，但其催化效果不如納米級Al/Bi2O3;納米級Al/Bi2O3的催化效果優(yōu)于微米級Al/Bi2O3。綜上實驗結(jié)果及分析表明，超級鋁熱劑Al/Bi2O3對雙基推進劑燃燒催化具有明顯積極的作用，其效果要優(yōu)于超級鋁熱劑Al/CuO，但綜合催化效果比超級鋁熱劑Al/PbO差。

3 結(jié)論

(1)超級鋁熱劑Al/PbO可顯著改善雙基推進劑的燃燒性能。含納米Al/PbO的雙基推進劑燃速明顯提高，尤其是在低壓下出現(xiàn)了“超速燃燒”的現(xiàn)象，并在中壓范圍內(nèi)可明顯降低燃速壓力指數(shù);微米級Al/PbO也能改善雙基推進劑的燃燒性能，但其效果較納米級稍差。

(2)超級鋁熱劑Al/CuO可改善雙基推進劑的燃燒性能，但燃速提高幅度不大，壓強指數(shù)優(yōu)化不明顯。含納米級Al/CuO的雙基推進劑改善效果更佳，其在中低壓下的催化作用效果較好，而微米級Al/CuO可在低壓和高壓下提高雙基推進劑的燃速。

(3)納米Al/Bi2O3可明顯提高雙基推進劑的燃速，降低雙基推進劑在中高壓范圍內(nèi)的壓強指數(shù)，催化效率ηr也較為理想;微米Al/Bi2O3也可改善雙基推進劑的燃燒性能，但其催化效果不如納米級Al/Bi2O3。

(4)納米級超級鋁熱劑對雙基推進劑燃燒性能的催化作用明顯優(yōu)于微米級的，超級鋁熱劑對雙基推進劑的催化作用順序為Al/PbO＞Al/Bi2O3＞Al/CuO，這是由于各金屬氧化物活性不同，納米鋁粉與金屬氧化物復合后組成的超級鋁熱劑的反應性有差異，即鋁熱反應程度或強度不同，以及在推進劑中應用時催化效果的不同所造成的。

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