彈道穩(wěn)定劑對改性雙基推進劑燃燒性能的影響

熊文慧，隋九齡，劉 科

(1. 中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

固體火箭發(fā)動機在工作過程中，會出現燃燒室壓強和推進劑燃速等參數出現非正常的周期性或近似周期性的波動現象。當固體火箭發(fā)動機發(fā)生不穩(wěn)定燃燒時，燃燒參數的波動幅值會超過理論設計閾值，發(fā)動機的各項性能也會發(fā)生偏離。因此，保證固體火箭發(fā)動機的穩(wěn)定燃燒是固體火箭發(fā)動機裝藥設計的重要考慮因素。在固體推進劑中加入少量的高熔點化合物粒子作為彈道穩(wěn)定劑，能有效抑制或消除固體推進劑的不穩(wěn)定燃燒，從而改善固體推進劑的燃燒性能。吳毅[1]通過研究某型固體火箭發(fā)動機的低溫燃燒不穩(wěn)定現象，提出了改變彈道穩(wěn)定劑含量和粒徑的方法，能基本消除固體推進劑的不穩(wěn)定燃燒現象，并通過地面試車試驗得到了驗證。王江寧[2]研究了彈道穩(wěn)研究了彈道穩(wěn)定劑Al2O3粒度及含量對RDX-CMDB 推進劑的燃速影響，發(fā)現加入Al2O3后推進劑的燃速降低，Al2O3粒度增加后推進劑的燃速降低幅度有所減小；同時還分別研究了MgO，TiO2和ZrO2幾種不同種類的彈道穩(wěn)定劑對RDX-CMDB 推進劑的燃燒性能影響，發(fā)現不同彈道穩(wěn)定劑對推進劑中的催化劑活性影響不同，從而導致推進劑的燃速差異。另外，彈道穩(wěn)定劑的不同粒度復合對推進劑的燃速影響也不同，張曉宏[3]研究了粒徑分別為2.5 μm 和3.5 μm 的Al2O3以不同比例混合，發(fā)現粒度小的Al2O3所占比例越大，推進劑燃速越高，粒度大的Al2O3所占比例越大，推進劑燃速越低；而且可以通過調整這2 種粒度彈道穩(wěn)定劑的復合比例，實現推進劑燃速的精確調節(jié)。在改性雙基推進劑中，加入少量Al 粉提高推進劑能量及改善固體發(fā)動機的內彈道性能，鄧重清[4]在研究AP/CMDB 推進劑時，發(fā)現降低鋁粉粒徑時，能提高推進劑高壓區(qū)燃速。但是，關于不同粒徑Al 粉條件下，彈道穩(wěn)定劑對推進劑燃燒性能影響的相關研究較少，有必要對這方面進行研究，分析推進劑中組分粒度對燃燒性能的影響。

通過研究某水下動力裝置高燃速改性雙基推進劑的燃燒性能，發(fā)現在加入不同種類和不同粒度的彈道穩(wěn)定劑及Al 粉后，改性雙基推進劑的燃燒性能存在差異。為研究內彈道穩(wěn)定劑及Al 粉對推進劑的燃燒性能影響，通過試驗探討了Al2O3和SiC 兩種彈道穩(wěn)定劑及Al 粉對配方燃速的作用效果，研究彈道穩(wěn)定劑對燃速的影響規(guī)律及與不同粒度Al 粉復合后對燃速的綜合影響，為高燃速改性雙基推進劑的燃速調節(jié)提供參考。

1 試驗

1.1 基礎配方

采用某改性雙基固體推進劑為基礎配方，其主要組分NC+NG 占總重量的60.0%～80.0%，鋁粉約占5%，燃燒催化劑鉛銅鹽及其他添加物共約占16%。試驗時，在配方中加入一定量的Al2O3和SiC 作為彈道穩(wěn)定劑。

1.2 樣品制備

利用雙基固體推進劑傳統(tǒng)無溶劑法工藝制備吸收藥團，經離心驅水和熟化后于臥式光輥機上壓延塑化，制備成直徑為5 mm，長度約150 mm 的燃速測試藥條。

1.3 測試方法

按照GJB 770B-2005 中706.1 的要求，用聚乙烯醇溶液對測試藥條進行包覆，待包覆液晾干后按規(guī)定鉆孔、穿靶線和點火線。將測試藥條置于藥池內，將靶線、點火線綁在接線柱上，并檢查接線通路及充壓管路。檢查完畢后，將裝有測試藥條的底蓋裝到內部溫度為20 ℃的燃燒室本體中，手動調節(jié)調壓閥門，充入氮氣，分別保持壓強為4 MPa，6 MPa，8 MPa，10 MPa，12 MPa，14 MPa，16 MPa。待保溫至一定時間后，進行點火，記錄燃燒時間，從而計算不同壓強下樣品藥條的燃速。

2 結果與分析

2.1 彈道穩(wěn)定劑對推進劑燃燒性能影響

選定2 種彈道穩(wěn)定劑Al2O3和SiC，分別研究2 種彈道穩(wěn)定劑對配方燃速的影響。從測試結果看，加入Al2O3和SiC 作為彈道穩(wěn)定劑后，配方測試藥條的燃燒性能發(fā)生了明顯變化，結果如表1、圖1 和圖2 所示。

表 1 彈道穩(wěn)定劑對推進劑燃燒性能的影響Tab. 1 Effect of ballistic stabilizers on propellant combustion performance

圖 1 Al2O3 含量對雙基推進劑燃燒性能的影響Fig. 1 Effect of Al2O3 content on combustion performance of double-base propellant

圖 2 SiC 含量對雙基推進劑燃燒性能的影響Fig. 2 Effect of SiC content on combustion performance of double-base propellant

在配方中分別加入1%的Al2O3后，在4 MPa時，燃速下降了1.86 mm/s，壓力指數從0.22 升高到0.37（4～8 MPa）；隨著壓力增大，與不加Al2O3配方的藥條燃速接近。壓力在10～16 MPa 時，含量為1%的Al2O3對配方的燃燒性能影響不明顯，壓力指數也較接近。加入1.5% Al2O3后，裝藥的燃速降至20.29 mm/s（10 MPa），降低了10%，而壓力指數升高到0.47。隨著Al2O3含量的增加，Al2O3對燃燒性能的影響從低壓區(qū)逐漸向高壓區(qū)轉移，變化幅度也增加。根據對雙基推進劑的燃燒過程分析認為，裝藥燃燒產生的熔融Al2O3在燃燒表面團聚后，微粒粒徑增大，使推進劑燃燒表面處的鉛銅鹽燃燒催化劑濃度降低，繼而影響推進劑燃速[2]。Al2O3含量越高，對燃燒催化劑在燃燒表面處的濃度影響越明顯，因此對燃燒性能的影響越大。

加入SiC 后，配方藥條的燃速均有所下降。在4～8 MPa 時，與不加SiC 的配方燃速差異波動較大，最低相差4.5%。隨著SiC 含量的增加，配方的燃速下降，壓力指數（4～8 MPa）從0.22 分別升高到0.33 和0.34，增幅達55%。在10～16 MPa 時，加入SiC 的配方燃速隨著壓強的增高，燃速越來越接近，壓力指數變化幅度較小，SiC 含量對燃速的影響變小。因此，SiC 在推進劑中主要在低壓區(qū)對其燃燒性能的產生影響，使推進劑燃速降低，壓力指數提高。由于SiC 自身性質，其具有較高的化學穩(wěn)定性，在推進劑的燃燒過程中，會吸附一定含量的燃速催化劑和燃燒反應中間產物，并隨燃氣流將之帶出燃燒表面，使配方的燃速降低。隨著壓力升高，火焰區(qū)對燃燒表面的熱反饋增加，不同彈道穩(wěn)定劑含量的配方燃速變化幅度減小[5]。

圖 3 內彈道穩(wěn)定劑對雙基推進劑燃燒性能的影響Fig. 3 Effect of internal ballistic stabilizer on combustion performance of double-base propellant

同時，從圖3 可以看出，在配方中加入相同比例的彈道穩(wěn)定劑Al2O3和SiC 后，其對配方的燃速影響不同。加入1.5% Al2O3的配方燃速比1.5% SiC 的配方燃速低，但壓力指數較接近。在低壓時，兩者的燃速差異最大達1.38 mm/s（4 MPa），隨著壓力的增加，兩者的燃速差異逐漸減小，火焰區(qū)對燃燒表面的熱反饋作用加強，相對偏差從17.7%降低到0.5%。

2.2 鋁粉粒度對推進劑燃燒性能影響

為了研究原配方中不同鋁粉粒徑及2 種彈道穩(wěn)定劑粒度對燃燒性能的影響，分別在不同彈道穩(wěn)定劑的推進劑配方中加入粒徑為20 μm，80 μm，140 μm 的鋁粉，對比分析2 種彈道穩(wěn)定劑的性能，其結果如表2及圖4～圖6 所示。

表 2 不同配方的燃燒性能參數Tab. 2 Combustion performance parameters of different formulations

鋁粉粒徑為20 μm 時，分別加入粒度為W1.5，W2.5，W3.5 的Al2O3和SiC，其燃速如圖4 所示。在以Al2O3為穩(wěn)定劑的配方中，加入1%不同粒度的Al2O3，配方之間的差異不大，10 MPa 燃速在22.00～22.67 mm/s 之間，最大偏差為2.5%。在壓強為10 MPa 時，W2.5 的配方燃速最低；在低壓強區(qū)域，W2.5 的Al2O3配方燃速壓力指數為0.23，而在高壓強區(qū)域，其燃速壓力指數最高為0.41。對比3 種不同粒度的Al2O3對20 μm 鋁粉推進劑配方的影響，W2.5 的Al2O3對推進劑燃燒性能影響最大，使低壓區(qū)燃速壓力指數降低而高壓區(qū)燃燒壓力指數升高。用SiC 代替Al2O3后，隨著SiC 粒度的增加，配方的10 MPa 燃速有先降低后上升的趨勢，W3.5 的SiC 比W2.5 的SiC 配方燃速高1.18 mm/s，在低壓強區(qū)域，其燃速壓力指數受SiC 粒度影響較大，變化幅度達44%，而在高壓強區(qū)域粒度對燃速壓力指數影響變小。

圖 4 鋁粉粒徑為20 μm 時，2 種穩(wěn)定劑粒度對推進劑燃燒性能的影響Fig. 4 Effect of particle size on the combustion performance of propellant (dAl=20 μm)

圖 5 鋁粉粒徑為80 μm 時，2 種穩(wěn)定劑粒度對推進劑燃燒性能的影響Fig. 5 Effect of particle size on the combustion performance of propellant (dAl=80 μm)

圖 6 鋁粉粒徑為140 μm 時，2 種穩(wěn)定劑粒度對推進劑燃燒性能的影響Fig. 6 Effect of particle size on the combustion performance of propellant (dAl=140 μm)

鋁粉粒徑為80 μm 時，穩(wěn)定劑對燃燒性能的影響如圖5 所示。在10 MPa 條件下，其配方燃速與低壓強區(qū)燃速壓力指數均隨著Al2O3和SiC 粒度的增加而提高；在高壓強區(qū)域，含Al2O3配方壓力指數隨粒度增加而下降，而SiC 粒度對高壓強區(qū)域的燃速基本無影響。當鋁粉粒徑為140 μm 時，Al2O3和SiC 粒度的變化而引起的燃速波動主要體現在低壓強范圍內（4～8 MPa），而在高壓強區(qū)間對燃速影響較小。在低壓強區(qū)域，加入Al2O3的配方燃速壓力指數從0.21 分別增加到0.35 和0.30，而加入SiC 的配方燃速壓力指數從0.33 分別增加到0.27 和0.22，最高變化幅度分別達67%和50%。在高壓強區(qū)域，加入Al2O3，SiC 配方的壓力指數變化幅度分別為2.9%和11.4%，壓力指數波動明顯低于低壓強區(qū)域。

當彈道穩(wěn)定劑的粒度一定時，推進劑的燃速壓力指數隨著Al 粉粒徑的變化趨勢不同。在穩(wěn)定劑粒度較小（W1.5）時，Al2O3和SiC 配方的壓力指數隨Al 粉粒徑的影響很小。穩(wěn)定劑粒度為W2.5 時，Al2O3配方的低壓強區(qū)域壓力指數從0.23（20 μmAl 粉）增加到0.35（140 μmAl 粉），而對SiC 配方的壓力指數影響不大。穩(wěn)定劑粒度增加到W3.5，Al 粉粒徑對SiC 配方的壓力指數影響較大。隨著Al 粉粒徑的增大，其壓力指數均先增加后降低，低壓強區(qū)域和高壓強區(qū)域的壓力指數變化幅度最高分別為49%和24%。同時，推進劑的燃速隨著Al 粉粒徑的增大而降低。在W3.5 的Al2O3配方中，粒徑為20 μm 的Al 粉時配方燃速比加入140 μm 的Al 粉配方燃速高1.56 mm/s，降低了5.8%；而在W1.5 的SiC 配方中，20 μm 的Al 粉時配方燃速比140 μm 的Al 粉配方燃速高1.26 mm/s，Al 粉粒徑增大使燃速降幅達4.9%。經分析認為，雙基推進劑中的Al 粉粒徑越大，其比表面積越小，與燃燒反應物的接觸面積相對較小，影響Al 參與燃燒反應程度，使推進劑爆熱降低，進而影響推進劑燃速。

3 結 語

通過研究彈道穩(wěn)定劑及金屬Al 粉對改性雙基推進劑燃燒性能的影響，得到如下結論：

1）隨著Al2O3含量的增加，燃速降低，壓力指數增加，Al2O3對推進劑燃燒性能的影響從低壓區(qū)向高壓區(qū)轉移，變化幅度也增加。加入SiC 后，隨著SiC 含量的增加，配方的燃速下降，對低壓強區(qū)域壓力指數影響較大，增幅達55%，對高壓區(qū)壓力指數變化幅度較小。

2）增加Al 粉粒徑，推進劑燃速降低，并在不同的彈道穩(wěn)定劑作用下，其壓力指數規(guī)律表現差異較大。因此，在推進劑配方設計中需綜合考慮各組分粒度的相互影響，以此設計出滿足要求的推進劑配方。