收集方法對NEPE推進劑凝相燃燒產物特性的影響

胡 翔，龐愛民，汪 越，唐 泉，韓麗萍

(中國航天科技集團公司四院四十二所，襄陽 441003)

收集方法對NEPE推進劑凝相燃燒產物特性的影響

胡 翔，龐愛民，汪 越，唐 泉，韓麗萍

(中國航天科技集團公司四院四十二所，襄陽 441003)

采用燃燒室藥條法、密閉容器法和密閉彈燃燒法收集NEPE推進劑凝相燃燒產物(CCP)，研究了收集方法對CCP粒度分布、表面形態及元素組成的影響。結果表明，3種收集方法所得CCP的D43、D50和W≥100 μm大小關系：燃燒室藥條法>密閉彈燃燒法>密閉容器法。密閉容器法收集的產物顆粒表面粗糙，含C元素和其他雜質元素多，可能與其顆粒冷卻方式有關；燃燒室藥條法和密閉彈燃燒法得到的產物顆粒表面光滑，含C元素和其他雜質元素少。

推進劑；凝相燃燒產物；粒度分布；收集方法

0 引言

固體火箭發動機中含鋁推進劑燃燒產生大量CCP顆粒，可引起二相流損失、絕熱材料燒蝕和排氣羽流特征信號等問題。燃燒室內CCP顆粒越大，二相流損失越嚴重，嚴重時可使發動機比沖損失3%～5%[1]。燃氣中2 μm以下粒徑CCP顆粒能引起排氣羽流能見度顯著增加，暴露飛行軌跡。高溫燃氣中的CCP顆粒對聲振蕩產生顆粒阻尼，約占維持發動機穩定工作所需總阻尼的30%[2]。顆粒阻尼大小與CCP粒度分布有關，而后者與鋁粉的團聚和燃燒過程有關。CCP粒度分布、元素組成等特性與推進劑燃燒過程緊密相關，是研究推進劑燃燒性能與鋁粉燃燒機理的重要途徑[3]。因此，國內外對SRM燃燒室內CCP產生機理和特性進行了大量研究[3-5]。CCP收集是進行產物特性研究的基礎，國內外已開發出多種收集方法，主要有密閉容器法、折管法、硬質盤法和帶有顆粒采樣器的飛行器法等[4-5]。不同收集方法所得CCP特性存在差異，如文獻[5]中密閉容器法0°收斂角時收集的顆粒D43=5.721 μm，而折管法的為37.46 μm，兩者差異明顯。

本文以NEPE推進劑為測試對象，開展了3種收集方法實驗研究，并利用激光粒度分析儀、掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀(EDS)分別對CCP進行粒度分布、微觀表面形態及元素組成分析，比較收集方法對CCP特性的影響。研究結果亦可為推進劑配方設計、燃燒模型研究、顆粒阻尼研究等提供有效原始數據。

1 實驗

1.1 推進劑性能

使用3組性能不同的NEPE推進劑開展實驗，3組推進劑的部分配方特性見表1。其中，推進劑B不含降速劑，使用的AP為粗、細二元級配，燃速最高。推進劑A和B均使用Q1鋁粉(D50=30.14 μm)，而推進劑C使用Q3鋁粉(D50=13.61 μm)。

表1 NEPE推進劑配方特性

注：1)r為20 ℃下的靜態燃速，由WAE-2000C測試。

1.2 收集方法

3種收集方法燃燒室均為密閉容器，無噴管性回歸得到了混合體系結構，可避免噴管對CCP粒度分布的影響，實驗條件如表2所示。根據安全規定，密閉彈燃燒法只能進行初始壓強小于3 MPa的收集實驗。

表2 凝相燃燒產物收集實驗條件

1.2.1 燃燒室藥條法

靜態燃速測試儀WAE-2000C結構改裝后可收集CCP顆粒，收集實驗系統如圖1所示。工作過程中，蓄能瓶起到較好穩壓作用，使得工作壓力先略上升，再下降至平穩。實驗方法參考標準GJB 770—2005方法706.2，且燃燒室采用高壓N2填充，藥條于藥池中燃燒。高溫燃燒產物自然冷卻后，通過燃燒室底部導管緩慢通入無水乙醇中，可保證氣相中的細微CCP顆粒被徹底收集。使用無水乙醇清洗藥池和燃燒室內壁，收集洗液。所得乙醇混合液經沉降、離心、多次洗滌、干燥等處理后，得到CCP。

1.2.2 密閉容器法

采用西北工業大學航天學院的粒子收集裝置，可對燃面上方指定距離處燃燒粒子進行凍結和收集，實驗系統如圖2所示[6]。推進劑藥柱一端固定，另一端燃燒，并使用絕熱材料包覆周邊以減少熱量損失。推進劑燃燒產生大量燃氣的同時，冷卻水從排水泄壓裝置流出。調整排水泄壓裝置出水孔板直徑，使得排水流量與燃氣體積產率相等，從而獲得穩定壓強。冷卻水的深度保證了排水過程中只排出水，無CCP粒子損失。推進劑燃燒結束后，收集冷卻水，并進行沉降、過濾、離心、無水乙醇洗滌、多次離心、洗滌、干燥等操作，得到CCP。

1.2.3 密閉彈燃燒法

采用GR-3500型氧彈式熱量計中的氧彈收集CCP，且用高純N2填充。4.0 g推進劑顆粒于耐高溫金屬坩堝中燃燒，熱力學計算表明氧彈內最高壓強不超過10 MPa。燃燒產物自然冷卻、沉降后，收集、后處理，得到CCP。泄壓時，可能存在少量細微CCP顆粒隨氣流逸出而損失。

選用基于全量程米氏光散射原理的TopSizer激光粒度分析儀進行CCP粒度分析，可測粒徑范圍為0.020 ～2 000 μm。粒度分析實驗中，從CCP樣品中多點取樣，取樣總量為0.3 ～1.0 g，并使用超聲波分散技術促使板結狀產物解聚，測試不少于3次，取平均值。選用Quanta650掃描電鏡聯用X射線能譜儀對CCP進行微觀表面形態分析及表面元素組成分析。

2 實驗結果與分析

2.1 粒度分析

采用密閉容器法進行了3、7 MPa工況的研究，所得凝相燃燒產物粒徑分布曲線如圖3所示。結果表明，2種壓強下收集的CCP粒度分布差異小，與張明信等[7]采用激光全息法得到的結果一致。因此，將這2種工作壓強對粒度分布的影響作等同處理。實驗中，不再考慮3種收集方法之間壓強差異對CCP粒度分布的影響。

圖4為推進劑A、B和C在3種收集方法中所得CCP的粒度分布曲線。

由圖4可見，推進劑A和C在燃燒室藥條法和密閉彈燃燒法中所得CCP粒徑均呈雙峰分布，在密閉容器法中呈三峰分布；3組推進劑在燃燒室藥條法中所得CCP最頻粒徑均大于100 μm，密閉容器法和密閉彈燃燒法中均小于20 μm；3種推進劑在燃燒室藥條法中所得CCP粒度分布范圍均最寬，密閉容器法中最窄，與大顆粒CCP粒徑粒度有關。

表3給出了3組推進劑在不同收集方法中得到的CCP的粒徑參數。可以看出，3種收集方法得到的粒度參數差異明顯，但密閉彈燃燒法的粒徑參數與密閉容器法的較接近。

編號W/%≤10μm10～100μm≥100μmD50/μmD43/μmABCⅠ17．9140．9241．1746．14147．6Ⅱ49．8936．8913．2210．0737．87Ⅲ28．1444．2827．5820．26100．4Ⅰ34．6739．3625．7026．7173．92Ⅱ76．1322．681．194．9689．657Ⅲ72．5423．154．312．23716．70Ⅰ14．4527．3058．25213．0331．5Ⅱ50．8234．9514．239．7046．07Ⅲ35．0247．6817．3015．1163．78

圖5為表3中推進劑CCP粒徑隨收集方法的變化情況。

可見，3種收集方法所得同種推進劑CCP中10 μm及以下粒徑顆粒含量大小關系：密閉容器法>密閉彈燃燒法>燃燒室藥條法，且密閉容器法明顯大于燃燒室藥條法；100 μm及以上粒徑顆粒含量大小關系：燃燒室藥條法>密閉彈燃燒法>密閉容器法，燃燒室藥條法明顯大于密閉容器法；D50和D43大小關系基本與100 μm及以上粒徑顆粒一致。實驗表明，燃燒室藥條法中推進劑燃燒生成的大顆粒CCP最多；密閉容器法中大顆粒最少，平均粒徑最小。根據鋁的燃燒理論，大顆粒CCP來自于鋁凝團的燃燒。大顆粒CCP越多，表明推進劑中鋁的團聚越嚴重。因此，燃燒室藥條法中鋁的團聚最嚴重。

2.2 表面形態分析

采用Quanta650掃描電鏡對凝相燃燒產物顆粒進行了表面形態分析，選取了特征性較強的B推進劑CCP掃描電鏡照片(圖6)進行比較。由圖6可看出，燃燒室藥條法所得CCP顆粒大小分明，大顆粒表面完整，且易粘連細小顆粒，小顆粒表面光滑、多為規則球體，大、小顆粒容易聚集；密閉容器法所得CCP顆粒表面粗糙，形狀不規則，大顆粒表面存在開裂等缺陷，顆粒間無規律聚合；密閉彈燃燒法所得CCP顆粒表面最光滑，大顆粒表面粘連少，小顆粒尺寸大小分布窄，片狀物厚度為20～40 μm。分析認為，是由干燥過程中的小顆粒CCP在容器內壁上吸附并板結而成。

3種收集方法所得CCP表面形態與李疏芬等[8]研究結果相似，但3種收集方法得到的CCP存在形態差異，尤其是密閉容器法與另兩者的差異明顯。密閉容器法中CCP表面粗糙的原因可能與高溫燃燒粒子表面和水的作用有關。燃燒室藥條法和密閉彈燃燒法中CCP自然冷卻，小顆粒在表面張力作用下形成表面光滑的規則球體。因此，燃燒室藥條法和密閉彈燃燒法的CCP的表面形態接近。

2.3 表面元素組成

使用X射線能譜儀對3種收集方法所得推進劑A和B的CCP進行表面元素分析，元素組成如表4所示，主要含有Al、O、C，其他元素(主要為Fe、Cl、Cr等)總含量低于10%。元素含量與收集方法有關：密閉容器法所得CCP顆粒表面Al元素含量最低，C和其他元素含量最高；密閉彈燃燒法所得CCP顆粒表面Al元素含量最高，C和其他元素含量最低；3種收集方法中，密閉容器法所得CCP顆粒表面Al、O元素質量比Al/O最小，密閉彈燃燒法的最大，非常接近Al2O3中兩元素比值1.125。

表4 推進劑A和B的CCP表面元素組成分析

骨架層理論指出，粘合劑在推進劑的凝聚相中，分解形成高熔點的碳骨架，碳骨架形成的孔洞結構能夠吸附熔融鋁，熔融鋁聚集形成鋁凝團[3,9]。密閉容器法中鋁凝團在氣相中滯留時間最少，燃燒最不充分，表面的碳骨架燃燒不充分而大量保留，因而所得CCP表面的主要元素中Al元素含量最低，C元素含量最高。密閉彈燃燒法中，鋁凝團的燃燒最充分，所得CCP表面的主要元素中Al元素含量最高，C元素含量最低。

3 結論

(1)收集方法影響CCP的粒度分布、表面形態和表面元素組成等特性，各特性隨收集方法變化而呈現不同變化規律。

(2)燃燒室藥條法中鋁粉團聚嚴重，得到的大顆粒CCP較多，粒度分布范圍最寬，CCP的平均粒徑最大；密閉容器法的小顆粒CCP較多，大顆粒CCP較少，平均粒徑最小。

(3)密閉彈燃燒法收集的CCP顆粒表面最光滑，顆粒表面C元素含量少，Al元素含量高。

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(編輯：薛永利)

Effects of collection methods on characteristics of condensed combustion products of NEPE propellant

HU Xiang,PANG Ai-min,WANG Yue,TANG Quan,HAN Li-ping

(The 42nd Institue of the Fourth Academy of CASC,Xiangyang 441003,China)

Condensed combustion products (CCP) of NEPE propellant were collected by three different collection methods.The collection methods include strand burner (using propellant strip),sealed container and closed bomb method.Effects of the collection methods on the particle size distributions,surface morphologies and the surface elemental compositions of CCP were studied.The relationships ofD43,D50andW≥100 μmof CCP obtained by the three collection methods could be found.The values obtained by strand burner method are the highest,while values obtained by sealed container method are the lowest.The surface of CCP obtained by sealed container method is rough with a higher content of C and other elements,which might relate to its cooling mode.Meanwhile,the surface of CCP collected by the other two methods is smooth with a lower content of C and other elements.

propellant;condensed combustion product;particle size distribution;collection method

2015-11-24；

2016-01-11。

胡翔(1990—)，男，碩士，研究方向為固體推進劑燃燒性能。E-mail：hxzgz1990@sina.com

V512

A

1006-2793(2017)01-0065-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.01.011