NEPE推進(jìn)劑主要組分對凝聚相燃燒產(chǎn)物粒徑的影響①

唐 泉，汪 越，尹欣梅，王小英，張 林，龐愛民

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽 441003)

NEPE推進(jìn)劑主要組分對凝聚相燃燒產(chǎn)物粒徑的影響①

唐 泉，汪 越，尹欣梅，王小英，張 林，龐愛民

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽 441003)

采用密閉爆發(fā)器收集NEPE推進(jìn)劑在3 MPa下的燃燒殘?jiān)芯苛酥饕M分對鋁粉凝相燃燒殘?jiān)骄降挠绊憽＝Y(jié)果表明，影響殘?jiān)降闹饕蛩卮笮￡P(guān)系為RDX/AP相對含量>AP粒徑>鋁粉粒徑>硝酸酯含量。低的RDX/AP相對含量和細(xì)AP有利于降低殘?jiān)剑沟萌妓亠@著升高，調(diào)節(jié)鋁粉粒徑和硝酸酯含量，可在對燃速影響較小情況下改善鋁粉燃燒效率。

組分；鋁粉；燃燒效率；氧化膜

0 引言

含鋁復(fù)合固體推進(jìn)劑燃燒時(shí)，燃面附近的鋁顆粒在受熱和分解產(chǎn)物的作用下積聚成團(tuán)(團(tuán)聚)，形成粒徑更粗的鋁凝團(tuán)[1-2]。大的鋁凝團(tuán)需要更長的停留時(shí)間或更強(qiáng)的氧化性氣氛，才能實(shí)現(xiàn)充分燃燒，否則難以充分燃燒，生成粗的含鋁凝聚相燃燒產(chǎn)物。鋁粉燃燒不充分，相當(dāng)于降低了推進(jìn)劑的有效鋁含量，推進(jìn)劑能量損失增大。推進(jìn)劑燃燒生成較大的凝聚相燃燒產(chǎn)物，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)二相流損失、熔渣沉積和噴管燒蝕等問題，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作[3-4]。因此，研究鋁粉的燃燒問題非常迫切。

燃燒過程中的團(tuán)聚是導(dǎo)致鋁粉燃燒效率下降的關(guān)鍵原因，與表面氧化膜性質(zhì)和復(fù)合固體推進(jìn)劑特殊的燃燒特性相關(guān)[5]。口袋理論[6]指出，AP口袋內(nèi)的鋁含量越低，鋁粉燃燒越充分，揭示了固體組分的規(guī)格對鋁粉初始分布狀態(tài)和燃燒過程的影響。熔融表面層理論[7-8]指出，含碳物質(zhì)在燃面熔融層中熱分解成的碳骨架結(jié)構(gòu)，揭示了鋁粉的團(tuán)聚過程及影響因素。Jeenu等[9]利用冷卻彈收集了推進(jìn)劑的燃燒產(chǎn)物，粒度分析表明，殘?jiān)w粒的粒徑主要分布在1、4、70 μm 3個(gè)范圍內(nèi)。趙志博等[10]采用密閉容器法，收集了NEPE推進(jìn)劑在不同壓強(qiáng)下的凝相產(chǎn)物，結(jié)果表明，燃燒產(chǎn)物大多呈規(guī)則球形，且具有一定的粒徑分布特征。上述理論和實(shí)驗(yàn)為揭示鋁粉團(tuán)聚機(jī)理和改善鋁粉燃燒效率指明了方向。在此基礎(chǔ)上，本文采用密閉爆發(fā)器收集NEPE推進(jìn)劑的燃燒殘?jiān)到y(tǒng)研究了推進(jìn)劑主要組分對凝相燃燒產(chǎn)物粒徑的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的推進(jìn)劑配方為聚醚/硝酸酯/RDX/AP/Al，固含量為75%～78%，配方組成如表1所示。經(jīng)過混合、澆注和固化等工序，制備成均勻致密的推進(jìn)劑藥塊。采用水下聲發(fā)射法，測定藥條的靜態(tài)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)。將一定質(zhì)量的推進(jìn)劑樣品放入氧彈量熱儀中，在充N2至3 MPa恒壓條件下點(diǎn)燃，收集推進(jìn)劑的燃燒殘?jiān)Ｈ缓螅捎眉す饬６葴y試儀測定殘?jiān)骄健?/p>

表1 推進(jìn)劑的組成特點(diǎn)Table 1 Composition property of propellant %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 凝聚相燃燒產(chǎn)物特性

NEPE推進(jìn)劑燃燒殘?jiān)谋砻嫘蚊踩鐖D1所示。從圖1可看出，殘?jiān)纱笮〔灰坏那驙铑w粒物組成，白色小顆粒的直徑約幾微米，顏色較深的大顆粒直徑可達(dá)幾十至幾百微米。EDS結(jié)果表明，大顆粒表面的Al/O元素含量比為1.842，小顆粒為1.208，表明凝相產(chǎn)物顆粒中含有未燃盡的活性鋁。

從圖2所示粒度測試結(jié)果可看出，殘?jiān)椒植记€存在2 μm和100 μm 2個(gè)分布峰。根據(jù)殘?jiān)w粒的表面形貌、元素分布和粒徑分布結(jié)果可看出，小顆粒殘?jiān)饕獮檠趸X燃燒產(chǎn)物，大顆粒殘?jiān)饕獮槲慈紵耆匿X凝團(tuán)。由于大顆粒的粒徑和含量對凝聚相燃燒產(chǎn)物平均粒徑(Dag)影響更大，降低大顆粒的粒徑和含量，有助于減小凝相燃燒產(chǎn)物對發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能的不利影響。

2.2 主要組分的影響

2.2.1 鋁粉粒徑

采用單因素實(shí)驗(yàn)方法，研究了鋁粉粒度及級配對推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物粒徑的影響，結(jié)果如表2所示。從表2可看出，采用Q1和Q3配比時(shí)，藥條燃速r3MPa略微降低；當(dāng)采用Q1和Q5配比時(shí)，r3MPa略微升高。單級配時(shí)，壓強(qiáng)指數(shù)從Q1→Q5先增大、后減小。Q1和Q5配比時(shí)，壓強(qiáng)指數(shù)明顯降低；Q1和Q3配比時(shí)，壓強(qiáng)指數(shù)略微升高。從燃速與殘?jiān)降年P(guān)系可看出，r3MPa越低或3～9 MPa壓強(qiáng)段的燃速壓強(qiáng)指數(shù)越大時(shí)，殘?jiān)皆叫　Ｓ纱丝梢姡X粉粒徑對燃速和壓強(qiáng)指數(shù)具有顯著影響，高壓強(qiáng)指數(shù)時(shí)，相應(yīng)的殘?jiān)骄捷^小。

圖1 凝聚相燃燒產(chǎn)物的SEM圖Fig.1 SEM image of condensed combustion residue

圖2 凝聚相燃燒產(chǎn)物的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of condensed combustion residue表2 鋁粉粒徑的影響Table 2 Effect of particle size of aluminum

Q1(29μm)/%Q3(13μm)/%Q5(3μm)/%r3MPa/(mm/s)r7MPa/(mm/s)n(3～9MPa)Dag/μm18——4.7808.5030.5254.382—18—4.6138.9400.5917.293——184.8737.8690.4692.42399—4.7268.3130.5237.7739—94.8587.7470.4360.08414.43.6—4.6758.3740.5443.96414.4—3.64.8648.2370.4896.501

2.2.2 AP粒徑

AP粒徑對鋁粉燃燒效率的影響結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，多種規(guī)格AP配比時(shí)，AP越細(xì)、細(xì)AP含量越高，燃速和壓強(qiáng)指數(shù)越高，AP粒徑對推進(jìn)劑燃速起著關(guān)鍵性影響。此外，從燃速和殘?jiān)降年P(guān)系可看出，凝聚相粒徑隨著燃速升高而大幅降低。當(dāng)r3MPa大于5.8 mm/s后，凝聚相粒徑幾乎不變。由此可見，AP越細(xì)，凝聚相燃燒產(chǎn)物越細(xì)。

表3 AP粒徑的影響Table 3 Effect of particle size of AP

口袋模型[7]指出，鋁粉位于粗AP堆積形成的空隙中，AP粒徑越小，空隙內(nèi)所能容納的鋁顆粒越少，形成的鋁凝團(tuán)越小。從圖3所示推進(jìn)劑拉伸斷面圖可看出，AP鑲嵌在粘合劑固化形成的彈性基體中，AP顆粒間存在一定間隔距離。因此，減小AP粒徑將降低推進(jìn)劑中鋁粉的堆積密度，有助于減小鋁凝團(tuán)粒徑。另一方面，AP越細(xì)熱分解速度越快，火焰結(jié)構(gòu)越均勻[11]，推進(jìn)劑燃速越高，鋁粉受到氣體的推動(dòng)作用力越大[12]，在燃面附近的停留時(shí)間越短，用于發(fā)生團(tuán)聚的時(shí)間越短，燃燒效率顯著提高。

圖3 推進(jìn)劑拉伸斷面的SEM圖Fig.3 SEM image of propellant fracture surface

2.2.3 RDX/AP相對含量

在RDX和AP總質(zhì)量不變的條件下，研究了RDX和AP相對含量對殘?jiān)降挠绊懀Y(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，隨RDX/AP相對含量比增大，燃速依次降低，壓強(qiáng)指數(shù)和殘?jiān)街饾u增大。由于RDX是零氧平衡的含能添加劑，推進(jìn)劑總氧含量隨RDX/AP含量比增大而降低，使燃料的燃燒完全程度降低。AP能促進(jìn)并加速RDX的熱分解[13]，當(dāng)RDX/AP的相對含量大時(shí)，AP對RDX熱分解的促進(jìn)作用較弱。由于RDX和AP的熱分解溫度較接近，RDX/AP含量變化對燃面溫度的影響較小，而主要影響氣相燃燒產(chǎn)物中氧化物的含量，進(jìn)而影響鋁凝團(tuán)在氣相中燃燒的完全程度。

表4 RDX含量的影響Table 4 Effect of RDX content

2.2.4 增塑劑含量

NEPE推進(jìn)劑采用硝酸酯增塑的聚醚粘合劑，本文研究了增塑劑含量(將增塑劑與聚醚的質(zhì)量比定義為增塑比)對鋁粉燃燒效率的影響，結(jié)果如表5所示。由表5可看出，隨增塑比增大，燃速壓強(qiáng)指數(shù)逐漸升高，燃速小幅升高，殘?jiān)较葴p小、后增大。可見，硝酸酯含量對鋁粉燃燒的影響較大。

表5 增塑劑含量的影響Table 5 Effect of plasticizer content

由粘合劑的作用和熱性質(zhì)可知，粘合劑性質(zhì)對熔融層特性具有顯著影響。含碳物質(zhì)在熔融層中熱分解生成高溫的碳骨架結(jié)構(gòu)，影響鋁粉團(tuán)聚過程[14]。一方面，碳骨架具有抑制熱流傳遞的作用，影響鋁粉受熱升溫；另一方面，碳骨架對鋁顆粒具有很強(qiáng)的粘附作用，延長了鋁顆粒在燃面附近的停留時(shí)間，加劇了鋁粉的團(tuán)聚程度。增塑比增大，使粘合劑總含碳量降低，粘附力減弱，使鋁顆粒在燃面的停留時(shí)間縮短，形成的鋁凝團(tuán)較小，鋁粉燃燒更充分。當(dāng)增塑比高于一定值時(shí)，粘附作用對鋁粉團(tuán)聚的影響減弱，熔融層和氣相火焰的氧化物濃度和溫度同時(shí)升高，鋁顆粒表面氧化膜的破碎更加劇烈，鋁粉團(tuán)聚活性增強(qiáng)帶來的能量損失大于氧化物濃度升高帶來的增益，導(dǎo)致燃燒殘?jiān)牧阶兇蟆Ｎ闹胁捎幂^高AP含量配方，增塑比為1.5時(shí)，鋁粉的燃燒已較充分。因此，增塑比應(yīng)綜合配方的氧化劑含量和推進(jìn)劑工作狀態(tài)來確定，在氧含量高時(shí)，可適當(dāng)降低。

3 影響鋁粉燃燒的主要因素

采用逐步回歸分析方法[15]，計(jì)算了各因素與表征鋁粉燃燒效率各參數(shù)之間的相關(guān)性關(guān)系，結(jié)果如表6所示。由表6可看出，影響燃速的主要因素強(qiáng)弱關(guān)系主要為RDX/AP相對含量>AP粒徑>硝酸酯含量>鋁粉粒徑；影響燃燒產(chǎn)物粒徑的主要因素強(qiáng)弱關(guān)系主要為RDX/AP相對含量>AP粒徑>鋁粉粒徑>硝酸酯含量。可見，降低RDX/AP相對含量、優(yōu)化AP級配是改善鋁粉燃燒效率最有效的措施，但二者對燃速影響很大。鋁粉粒徑和硝酸酯含量對燃速影響較小，對鋁粉燃燒性能影響較大。在保持燃速變化較小條件下，調(diào)節(jié)二者是較好選擇。

表6 影響因素與鋁粉燃燒效率之間的相關(guān)性Table 6 Dependency of factors and aluminum combustion efficiency

4 結(jié)論

(1)影響殘?jiān)降闹饕蛩貜?qiáng)弱關(guān)系為RDX/AP相對含量>AP粒徑>鋁粉粒徑>硝酸酯含量。

(2)細(xì)AP和低的RDX/AP相對含量有利于降低殘?jiān)剑沟萌妓亠@著升高。調(diào)節(jié)鋁粉粒徑和增塑劑含量，可在對燃速影響較小情況下改善鋁粉燃燒效率。

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(編輯：劉紅利)

Effect of main components of NEPE propellant on aluminum combustion efficiency

TANG Quan, WANG Yue, YIN Xin-mei, WANG Xiao-ying, ZHANG Lin, PANG Ai-min

(Hubei Institute of Aerospace Chemo-Technology，Xiangyang 441003，China)

Combustion residue of NEPE propellant was collected by close bomb at pressure of 3 MPa, and the effects of main components on the diameter of aluminum combustion residue were studied. The results show that the main factors affecting the particle size of the residue are: RDX/AP relative content > AP particle size > aluminum particle size > nitric ester content. The low RDX/AP content and fine AP can decrease the particle size, but the burning rate increases obviously. Adjusting of aluminum particle size and nitric ester content can improve aluminum combustion efficiency under the same level of combustion rate.

component；aluminum；combustion efficiency；oxidation film

2015-09-27；

2015-10-25。

唐泉(1989—)，男，碩士，從事推進(jìn)劑燃燒性能研究。E-mail:tq0405@163.com

V512

A

1006-2793(2016)06-0775-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.06.007