高濕環境裝藥對某型發動機性能影響分析

杜振賓

(海軍裝備部， 西安　710025)

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高濕環境裝藥對某型發動機性能影響分析

杜振賓

(海軍裝備部， 西安710025)

相比普通固體推進劑,高燃速推進劑具有燃速高、能在短時間內提供大推力的特點,近年來被廣泛應用于各類型固體發動機。針對某型固體火箭發動機采用細氧化劑含量較高的高燃速推進劑在高濕環境進行裝藥的可行性,通過不同濕度環境和貯存條件的細氧化劑對燃速影響的測試和發動機在三種不同燃速條件下的試車,得出高濕環境裝藥對該推進劑燃速有較大影響,會使燃速偏低,從而對發動機的內彈道性能產生影響。

固體火箭發動機;高燃速;內彈道性能

0　引　　言

固體火箭發動機由于結構簡單、 可靠性高、 免維護等特點， 被廣泛應用于助推發動機、 姿態控制發動機以及導彈用發動機中。隨著對發動機內彈道性能要求的不斷提高， 越來越多的發動機開始采用高燃速推進劑。高燃速推進劑配方中含有大量的燃速催化劑和細氧化劑(AP)， 生產過程中的燃速波動控制是高燃速推進劑生產中的難題。

研究發動機的內彈道性能一般采用試驗法和數值仿真法[1-5]， 本文使用試驗法研究某型發動機推進劑燃速與內彈道性能的關系。通過燃速測試研究某型高燃速推進劑(配方中細AP含量≥20%)在不同環境條件下貯存對其燃速的影響， 分析不同燃速推進劑裝藥的發動機試車得到的內彈道性能， 對發動機在高濕環境(濕度≥13 g水/kg干空氣)裝藥的可行性進行了分析， 所得結果可為該發動機高濕環境裝藥提供參考。

1　高燃速推進劑燃速測試

1.1不同環境條件下細AP貯存對燃速的影響

1.1.1貯存24 h內對燃速的影響

不同濕度條件下粉碎細AP， 分別放置在真空(真空罐壓力為3～6 kPa)、 高溫烘料(烘房溫度為60±10 ℃)、 干燥桶(密封塑料桶內放置干燥劑)貯存， 貯存時間≤24 h， 選取該高燃速推進劑配方， 相同條件下重復兩鍋裝藥， 結果如表1所示。表中鍋間差為參數、 材料相同時第一鍋燃速與第二鍋燃速的差值。

表1　粉碎細AP貯存24 h內燃速的差異

由表1可以看出， 高濕環境相比低濕度條件貯存24 h內鍋間差更大。 高溫烘料貯存方法的燃速鍋間差小于真空貯存和干燥桶貯存；細AP粉碎后在真空和高溫烘料貯存24 h內第一鍋燃速值接近， 但重復的第二鍋燃速差異大， 得出細AP離開貯存環境后其狀態會發生變化。 從燃速數據分析， 真空和高溫貯存的細AP狀態相對于干燥桶比較穩定， 細AP在高濕環境高溫烘料的貯存方法有利于保持細AP狀態。

1.1.2高濕環境貯存11 d和16 d后的燃速

高濕環境細AP在不同條件下貯存11 d 和16 d后的兩鍋推進劑燃速如表2所示。比較高溫烘料和真空貯存不同時間燃速的差值， 高溫烘料貯存比真空貯存條件燃速波動小，證明高濕環境貯存16 d時高溫烘料較好地保持了細AP狀態。從表1～2真空貯存下燃速可以看出， 真空貯存重復裝藥的第二鍋燃速基本比第一鍋燃速低， 高溫烘料的燃速變化不大。

表2　貯存11 d和16 d的燃速波動

1.1.3高濕環境貯存25 d和30 d后的燃速波動

高濕環境細AP在不同條件下貯存25 d和30 d后的兩鍋推進劑燃速如表3所示。可以得出， 與貯存1 d相比， 貯存25 d和30 d后， 各貯存條件燃速均有明顯降低， 其中高溫烘料燃速降低最小， 自然貯存燃速降低最大。結果表明， 貯存25 d后， 各貯存條件均不能較好保持細AP狀態。

表3　貯存25 d和30 d的燃速波動

1.1.4低濕度下貯存對燃速影響情況

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低濕度(約2～3 g水/kg干空氣)下， 細AP在不同條件下貯存不同時間對燃速的影響如表4所示。結果顯示， 兩種貯存方式燃速差異不大， 燃速波動相近， 高溫烘料貯存方式的推進劑燃速高， 表明高溫烘料能較好保持細AP的狀態以使推進劑保持較高燃速。

表4　低濕度下不同條件下貯存的燃速情況

1.1.5中低濕度下高溫烘料貯存對燃速影響情況

中低濕度(約4～8 g水/kg干空氣)下， 根據在高濕度和低濕度條件下的研究結果， 進行了高溫烘料貯存的兩批細AP燃速隨時間變化大小的測試， 結果見表5。兩批細AP在高溫烘料貯存60 d內燃速波動約為±1.2 mm/s， 燃速變化不大。

表5　中低濕度下高溫烘料貯存不同時間的燃速情況

1.2細AP處理環境對燃速的影響

全尺寸推進劑裝藥與配方調試時的細AP處理環境濕度與暴露時間不同。 配方調試時， 因細AP用量小， 可在有環境控制條件的工位(濕度≤13 g水/kg干空氣)進行過篩和稱量， 細AP暴露時間最多5 min； 尺寸裝藥時， 細AP用量大， 過篩、 稱量、 加料等工序的設備和廠房等條件不同， 約有30 min處于濕度不受控制的環境中， 因此全尺寸裝藥時細AP容易受外界環境影響。

模仿全尺寸裝藥的處理環境進行細AP暴露不同濕度、 不同時間的影響測試， 如表6所示。由表6可知， 同樣的材料和裝藥工藝， 僅僅因細AP處理的環境不同， 可造成約3 mm/s的燃速差異， 再加上混合、 澆注等工藝的影響， 全尺寸裝藥燃速與配方調試的預期結果相比， 會產生較大差異。與中低濕度環境相比， 高濕環境對全尺寸裝藥燃速影響最大。

表6　細AP處理環境對燃速的影響

1.3燃速與內彈道性能的關系

已知某高燃速推進劑的三種不同燃速， 通過地面試車得到該發動機在不同燃速下的內彈道曲線， 如圖1所示。其中： 燃速1為48.25 mm/s； 燃速2為43.08 mm/s； 燃速3為37.55 mm/s。

由圖1可以看出， 該發動機在推進劑不同燃速下的內彈道性能差別較大。隨著燃速的降低， 發動機內出現最大壓強峰的時間滯后， 工作壓強降低， 工作時間增加。燃速越低， 發動機的內彈道性能越差。

圖1推進劑不同燃速下發動機內彈道曲線

2　測試結果分析與討論

細AP在貯存過程中實際上處于軟團聚狀態[6]， 貯存環境和時間的不同會對其狀態產生影響。 細AP的直徑、 表面平均直徑變化均會對燃速產生較大影響，表面平均直徑越大， 燃速越低[7]。不同的團聚狀態造成混合后細AP在推進劑藥漿中的分散狀態不同， 分散均勻， 燃速高， 反之燃速變低。因此， 貯存的溫度和時間會影響其狀態， 高溫烘料下短時間貯存有利于保持細AP的狀態。這與國外的高溫保存細AP的方法一致。

從氧化劑結塊機理上分析， AP粉體的單個顆粒多為晶粒， 顆粒上有大量新生成的尖銳棱角， 兩棱或多棱相接觸時極易形成鹽橋， 并進而形成團聚和結塊。細AP結塊有著顆粒吸濕、 干燥、 結晶的循環過程， 在大顆粒之間產生新的晶體， 結晶體在大顆粒間起到架橋作用， 使顆粒結塊。高溫下進行烘料貯存細AP時， 因環境水份含量小， 可減少顆粒吸濕現象。相反， 高濕環境下， 剛粉碎的細AP在幾小時內就可發生軟團聚， 使得粒度增大。同時， 高溫環境不利于顆粒結晶放熱過程。 因此， 理論上高溫貯存可以防止初始鹽橋的形成， 從而起到防結塊的效果。

通過發動機在推進劑不同燃速下試車得出的內彈道曲線， 可知燃速降低對內彈道的性能影響比較顯著。對高燃速推進劑來說， 其燃速隨環境不同容易產生較大波動， 尤其是高濕環境對細AP的狀態影響很大， 各種儲存條件均不能很好保持細AP狀態， 會使燃速降低較顯著。在高濕環境裝藥時， 細AP在環境中暴露對燃速也有較大影響。由此可以得出該發動機在高濕環境裝藥會使推進劑燃速明顯降低， 將對發動機的內導彈性能產生較大影響。

3　結　　論

通過對某發動機高燃速推進劑進行的一系列燃速測試和發動機在推進劑三種不同燃速下的試車， 得出如下結論：

(1) 高燃速推進劑燃速受環境濕度影響較大， 在高濕環境下各種貯存條件均不能保持推進劑中細AP狀態， 隨著貯存時間的增加， 燃速會有明顯降低；

(2) 高溫烘料貯存條件保存細AP貯存狀態比真空、 干燥容器、 自然貯存等條件好， 其貯存細AP裝藥燃速的波動小于其他貯存方法；

(3) 燃速對該發動機內彈道性能影響較大， 隨著燃速的降低， 發動機內出現最大壓強峰的時間滯后， 發動機工作時間增加， 內彈道性能下降；

(4) 高濕環境裝藥會使高燃速推進劑燃速明顯下降， 這會進一步導致發動機內彈道性能降低， 因此采用高燃速推進劑的發動機應避開高濕環境裝藥。

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Analysis of the Effect of High Humidity Environment Charge on the Performance of Certain Solid Rocket Motor

Du Zhenbin

(Equipment Department of the Navy， Xi’an 710025， China)

Compared with ordinary solid propellant, high burning rate propellant can provide a large thrust in a short time, which has been used in various types of solid motors in recent years. For analyzing the feasibility of high humidity environment charge for a certain solid rocket motor using high burning rate propellant with high content of fine oxidant, the effects of fine oxidant in different humidity and storage conditions on burning rate are tested, and the motor is tested under three different burning rate conditions. The test results show that high humidity environment charge has great impact on the burning rate of used propellant, which will lead to low burning rate and influence the interior ballistic performance of motor.

solid rocket motor； high burning rate； interior ballistic performance

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.005

2015-11-07

杜振賓(1987-)， 男， 湖北天門人， 碩士， 助理工程師， 研究方向為航空宇航科學與技術。

V435

A

1673-5048(2016)03-0022-04