單室雙推力固體火箭發動機用NEPE低燃速推進劑的燃燒性能

代志高，宋 琴，吳京漢，項 麗，尹必文

(湖北航天化學技術研究所，襄陽 441003)

0 引言

雙推力發動機是固體火箭發動機的一個重要分支，它分為單室雙推力發動機和雙室雙推力發動機[1]。單室雙推力發動機是指用一個燃燒室產生兩級推力的發動機，這種發動機可為火箭提供起飛時的大推力及飛行過程中的續航推力[2]。通過發動機設計實現單室雙推力的技術途徑主要有：(1)噴管一定，選用一種推進劑，改變燃燒面積，實現雙推力；(2)噴管一定，選用燃速不同的兩種推進劑實現雙推力；(3)燃面調節與燃速調節的各種組合實現雙推力；(4)調節發動機噴管實現雙推力。技術途徑(2)可采用兩種燃速不同的推進劑呈同心層排列的裝藥結構(套裝)和兩種燃速不同的推進劑前后串聯的裝藥結構(串裝)。串裝式通孔雙燃速發動機在起飛時，助推段裝藥推進劑和續航段裝藥推進劑同時燃燒；在飛行時，只有續航段裝藥推進劑燃燒。為滿足飛行過程中發動機較長的工作時間，要求續航段裝藥推進劑在高壓和低壓同時具有低的燃速。為減少燃速波動對燃燒室壓力的影響，要求續航段裝藥推進劑在高壓段和低壓段同時具有較低壓強指數。本文研究的NEPE低燃速推進劑應用于采用通孔串聯兩種不同燃速推進劑單室雙推力發動機。

NEPE推進劑打破了雙基推進劑和復合推進劑的界限，它充分發揮了雙基推進劑中液體硝酸酯能量高、復合推進劑中聚醚聚氨酯粘合劑力學性能好的特點。NEPE推進劑采用大量含能組分——硝胺和硝酸酯，由于兩者的固有性質及大量的使用，導致該類推進劑的壓強指數偏高，燃速可調范圍窄，且燃燒性能難以調節，燃速與壓強指數調節技術之間相互制約[3]，一般情況下燃速升高壓強指數降低，燃速降低則壓強指數升高。無論是在雙基推進劑中，還是在復合固體推進劑中，加入燃速調節劑是調節燃速、降低壓強指數的有效方法之一[4-5]。燃速調節劑可分為增速劑和降速劑，國內外對增速劑的研究都較活躍，但對降速劑的研究則較少，特別是對既能降低燃速又能降低壓強指數的降速劑的研究更少。國內外學者在推進劑中加入一些可抑制AP熱分解的鹽類或通過一些新型含能材料(如FOX-12、DNP等)部分取代配方中的硝胺，來降低推進劑燃速[6]。楊立波等[7]通過降速劑共聚甲醛(POM)和蔗糖八醋酸酯(SOA)的復配，降低了雙基低燃速推進劑的壓強指數，但未同時降低推進劑燃速。

本文研究了NEPE推進劑低壓和高壓燃燒性能的主要影響因素，并獲得了既能降低低壓和高壓燃速，又能降低低壓段和高壓段壓強指數的降速劑。

1 實驗

1.1 推進劑樣品制備

推進劑樣品制備工藝為傳統復合推進劑制造工藝，將推進劑組分預混后加入到VKM-5型立式捏合機中于54～60 ℃下捏合85～100 min，出料并真空澆注，放置于50 ℃油浴烘箱內固化7 d得到推進劑方坯。

1.2 實驗方法

推進劑靜態燃燒性能測試采用水下聲發射法測定。首先將推進劑制成4 mm×4 mm×110 mm的藥條，測試25 ℃、3～8 MPa、12～22 MPa壓強下各壓力點藥條的燃燒時間，采樣頻率為1 K，選取的每個壓力下同時測定測試5根藥條燃速數據；然后進行統計處理，求出平均燃速，根據Vieille經驗式r=apn，通過線性回歸方法求出壓強指數n。

1.3 推進劑配方

推進劑粘合劑分別采用聚醚和疊氮聚醚作為粘合劑時，同一壓強下的燃速依次升高，燃速隨壓強變化的敏感性也依次升高[8]；增塑劑中的硝酸酯基含量越高，同一壓強下燃速越高。因此，配方選用聚醚為粘合劑，硝酸酯基含量低的硝酸酯為增塑劑，通過熱力學理論計算、考慮高能固體推進劑配方設計原則及理論基礎，結合原材料成熟度，確定以無規共聚醚/硝酸酯/AP/HMX/Al為基本組分，為保證推進劑能量性能，通過理論計算確定配方固體含量為80%，推進劑配方基本組成見表1。

表1 推進劑配方基本組成

2 結果分析與討論

2.1 AP含量對推進劑燃燒性能的影響

推進劑配方固體組分主要為HMX、AP，固定HMX與AP總含量不變，研究了AP含量對推進劑燃速(4、17.5 MPa)和壓強指數(3～8 MPa、14～22 MPa)的影響，結果見圖1、圖2。

從圖1、圖2可看出：(1)隨著配方中AP含量的降低，推進劑4、17.5 MPa燃速逐漸降低；當AP含量由47%降低為27%時，推進劑4 MPa燃速降低幅度為13.2%，推進劑17.5 MPa燃速降低幅度為3.21%，這可能是由于AP含量降低后，推進劑配方中有效氧含量降低，推進劑燃燒時不能得到充分燃燒，使燃燒釋放的熱量減少，從而導致推進劑燃速降低；(2)隨著配方中AP含量降低，低壓段靜態壓強指數增加，而高壓段靜態壓強指數降低。

2.2 固體組分粒度對推進劑燃燒性能的影響

固體組分粒度在推進劑中合理的分布可提高燃燒表面結構的均勻性，改善推進劑的燃燒性能。考察了AP粒度、HMX粒度對推進劑燃速(4、17.5 MPa)和壓強指數(3～8 MPa)的影響，結果見圖3～圖6。

從圖3、圖4可看出，固定配方中AP含量不變，AP粒度增加，推進劑4 MPa燃速和17.5 MPa燃速均降低而低壓段壓強指數增加。這是由于AP細粒度含量越多，AP的比表面積越大，這樣有利于熱分解和凝聚相放熱反應，AP在推進劑燃燒表面附近放熱增加，傳給表面的熱量也增加，故而推進劑的燃速提高。

從圖5、圖6可看出，固定配方中HMX含量不變，隨著HMX粒度增加，推進劑4、17.5 MPa燃速降低，低壓段靜態壓強指數也呈降低趨勢。

2.3 燃燒性能調節劑對推進劑燃燒性能的影響

2.3.1 胺類化合物對推進劑燃燒性能的影響

國內外學者[9]對胺類化合物、碳酸鹽在丁羥推進劑中進行了使用性能研究。研究結果表明，胺類化合物、碳酸鹽能夠降低丁羥推進劑的燃速。考察了草酸胺、草酰胺、草酸胺/CaCO3(1∶1)對推進劑燃燒性能的影響，結果見圖7、圖8和表2。

表2 胺類物質對推進劑壓強指數的影響

從圖7、圖8、表2可看出，推進劑配方中加入上述物質只能小幅度降低推進劑4 MPa和17.5 MPa燃速，同時提高了推進劑低壓段和高壓段壓強指數。

2.3.2 新型有機化合物對推進劑燃燒性能的影響

新型有機化合物RTJ、RTA含有能吸附NO2和ClOx的稠環，通過降低“嘶嘶”區內強氧化劑(NO2和ClOx)的百分含量，降低了“嘶嘶”區內氧化還原反應的發生，從而降低了“嘶嘶”區的溫度梯度，達到降低推進劑燃速的目的。同時分子中含有能夠抑制AP分解的基團，提高了AP的分解溫度，也達到了降低推進劑燃速的目的。開展了RTJ、RTJ/RTA對推進劑燃燒性能的影響研究，結果見圖9、圖10和表3。

表3 RTJ含量對推進劑壓強指數的影響

從圖9、圖10、表3可看出：(1)配方中加入RTJ能夠顯著降低推進劑4 MPa和17.5 MPa燃速，隨著配方中RTJ含量增加，推進劑燃速降低；(2)配方中加入RTJ推進劑高壓段壓強指數降低，但推進劑低壓段壓強指數增加。

將RTJ與RTA進行組合，考察其相對含量(3/1、1/1)對推進劑燃燒性能的影響，結果見圖11、圖12和表4。

從圖11、圖12、表4可看出：(1)RTJ/RTA等量代替RTJ，RTJ/RTA制得的推進劑4、17.5 MPa燃速略低于RTJ制得的推進劑4、17.5 MPa燃速；(2)RTJ/RTA等量代替RTJ，對低壓燃速、高壓燃速不同程度的降低，隨著壓強增加，燃速降低幅度增大，RTJ/RTA制得的推進劑3～8 MPa、17.5～22 MPa的靜態壓強指數低于RTJ制得的推進劑3～8 MPa、17.5～22 MPa的靜態壓強指數，特別是推進劑高壓段壓強指數降幅較大；(3)RTJ/RTA(3/1)制得的推進劑低壓段壓強指數略高于RTJ/RTA(1/1)制得的推進劑低壓段壓強指數；RTJ/RTA(3/1)制得的推進劑高壓段壓強指數低于RTJ/RTA(1/1)制得的推進劑高壓段壓強指數。

表4 RTJ/RTA對推進劑壓強指數的影響

2.4 降速劑RTJ/RTA使用性能研究

2.4.1 RTJ/RTA含量對推進劑燃燒性能的影響

固定降速劑RTJ/RTA的相對含量(3/1)，考察了其加入量(外加)對推進劑靜態燃燒性能的影響，結果見圖13、圖14和表5。

從圖13、圖14、表5可看出，(1)固定降速劑的相對含量，隨著加入量增加，推進劑燃速降低，壓強越高推進劑燃速降低幅度越大，當加入量為5%時，推進劑4 MPa燃速為3.082 mm/s，17.5 MPa燃速為5.996 mm/s；(2)固定組合降速劑的相對含量，隨著加入量的增加，推進劑低壓段靜態壓強指數基本保持不變，高壓段靜態壓強指數降低，當加入量為5%時，低壓段靜態壓強指數為0.53，高壓段靜態壓強指數為0.48。

表5 RTJ/RTA加入量對推進劑壓強指數的影響

2.4.2 RTJ/RTA作用機理分析

對AP、AP+ RTJ /RTA(3/1)進行了DSC分析，其結果如圖15、圖16所示。

從圖15、圖16可看出，AP中混入RTJ/RTA，AP晶型轉變峰基本保持不變，AP低溫分解峰由304.4 ℃升高到312.1 ℃，升高了7.7 ℃，高溫分解峰由371.2 ℃升高到408.1 ℃，升高了36.9 ℃。AP中混入RTJ/RTA后AP低溫、高溫分解峰溫度升高，說明RTJ/RTA對AP的分解有抑制作用，導致推進劑燃速降低。

2.4.3 動態燃燒性能的驗證

根據上述研究結果，確定燃燒性能調節劑RTJ/RTA加入量為5%，RTJ/RTA的相對含量為3/1，通過BSFφ75 mm 發動機的裝藥和試車，驗證了推進劑的動態燃燒性能，結果見表6。

表6 推進劑動態燃燒性能(BSFφ75 mm)

從表6可看出，推進劑4 MPa動態燃速為3.90 mm/s，17.5 MPa動態燃速為8.93 mm/s；低壓段(3～8 MPa)動態壓強指數為0.49，高壓段(14～22 MPa)動態壓強指數為0.44，推進劑在實現低燃速同時實現了較低的壓強指數。

3 結論

(1)通過合理調節配方中AP含量、固體組分粒度以及添加高效的RTJ/RTA降速劑，得到燃速和壓強指數低的高固體含量NEPE推進劑配方。

(2)配方中加入胺類化合物，只能小幅度降低推進劑4 MPa和17.5 MPa燃速，同時提高了推進劑低壓段和高壓段壓強指數；加入新型有機化合物RTJ能夠顯著降低推進劑4 MPa和17.5 MPa燃速，推進劑高壓段壓強指數降低，但推進劑低壓段壓強指數增加。

(3)與配方中單獨加入RTJ比較，加入等量的RTJ/RTA組合降速劑，推進劑4 MPa和17.5 MPa燃速降低，同時推進劑高壓段和低壓段壓強指數降低；隨著加入量的增加，推進劑低壓段靜態壓強指數基本保持不變，高壓段靜態壓強指數降低。

(4)通過DSC對RTJ/RTA作用機理進行了初步研究。研究表明，RTJ/RTA提高了AP低溫、高溫分解峰溫，對AP的分解起到抑制作用，從而降低了推進劑燃速。

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