復合推進劑裝藥混合中的扭矩安全值 ①

敖維堅，張立新，蘇昌銀，李錫文，張愛科，司馬凱

(1.江西航天經緯化工有限公司，吉安 330004； 2.西安航天化學動力有限公司，西安 710025；3.華中科技大學，武漢 430074)

0 引言

復合固體推進劑的主要組分是高聚物粘合劑和無機氧化劑與燃燒劑，另外還有高能添加劑、增塑劑、固化劑、固化催化劑、防老劑、燃燒催化劑以及工藝附加物等。它是以高聚物之類型的粘合劑為彈性基體，摻加大量氧化劑和金屬燃料粉末[1]，經機械混合將粘流體擠壓在多相混合物表面[2-3]。混合過程是易燃易爆粉末受機械力涂膠鈍化降感過程；火爆藥生產中不可缺少的非常危險工序。

混合工藝主要為分批間斷混合和連續混合兩種工藝?；旌蠙C捏合復合推進劑安全性研究報道不多[4]，但近幾年國內混合機爆炸事件屢次不解，給推進劑制造方帶來極大損失，值得深入探究。本文結合實際爆炸事件，尋找易燃易爆物的混合預示方法，控制推進劑藥漿的扭矩安全值，防治爆炸事件發生。

1 混合安全性數值分析

1.1 混合程序

將預混好的料漿加入固體粉料在設定的溫度、轉速、真空、扭矩條件下進行混合，使各組分均勻混合在一起。不同的推進劑配方，工藝參數的選擇也不一樣。典型的混合程序見表1。

表1 混合程序

注：1)第9步開啟混合機按5 r/min→8 r/min→12 r/min逐漸提速。

表1表明各固體、粘流體物料被捏合成非牛頓假塑性粘流體藥漿的過程。混合程序前期為易燃易爆粉末加料，存在著最大扭矩產生的不安全因素。

隨著固體推進劑不斷向高能、高燃速方向發展，以增大配方中固體含量來提高密度比沖，或使用大量細AP來提高燃速[5-6]；為此與它相對應的推進劑藥漿感度也不斷增大。而藥漿混合過程中通常以扭矩值作為控制安全性的表征。

1.2 混合機扭矩

混合是物料受力過程，受力大小以混合機允許扭矩為判決點。

通常國內外都制定了混合機允許混合量為有效容積的45%～50%，最小混合量為容積10%的準則。

而使用混合扭矩按經驗控制。如用企業標準Q/Gz.G297—2015立式混合機安全管理制度執行，即“對混合機使用扭矩按小于設計最大扭矩的85%，應設有功率或扭矩過載自動保護聯鎖裝置，過載時自動停車”。現實中某型混合機設計最大扭矩為20 kN·m，某型混合機使用扭矩設值為12 kN·m，混合某推進劑時扭矩5960 N·m就爆炸了，推進劑混合受力扭矩與混合機使用扭矩不是一個概念，裝藥中容易被人混淆。

1.3 混合數值分析

混合扭矩表征藥漿受到外力作用大小，藥漿爆炸與推進劑的敏感性、混合藥漿量、固體含量、藥漿狀態、混合轉速、藥漿粘度等因素相關。預示推進劑藥漿的扭矩安全值，就是要對上述因素進行數值量化，表征其特征。但是沒查到國內外對混合推進劑藥漿爆炸的數值量化計算方法的報道[7]。

經試驗認識到，不同的推進劑爆炸敏感性不同，高燃速、含硝酸酯高能、高固體含量(高細AP量)藥漿敏感，需要數據量化表示，但難以用理論計算方法得到，最佳方法是儀器實測?；旌铣绦虻乃帩{處于最大加料狀態存在不安全，用模擬試驗儀器實測量化表示。本項目采用測試藥漿的摩擦感度或沖擊感度，獲得藥漿量化數值轉換為動能矩?；旌纤帩{量按國內外都制定了混合機允許混合量為有效容積的45%～50%，最小混合量為容積10%的準則，獲取實際投料量轉換成槳葉受力尺寸數據。藥漿粘度為作用力(扭力或摩擦力)，儀器實測和混合機給力均按動能矩表征數值。混合數值分析需求解推進劑混合轉速與物料受作用力大小的扭矩值函數。

2 推進劑混合扭矩值

2.1 混合過程物料受力分析

AP、HMX(RDX)含能組分加入含鋁的粘合劑漿料進入混合過程，混合機施加的外力使物料運動。根據混合機啟動逐漸提速，假設物料在混合機內運動通常受沖擊力和摩擦力作用產生靜電，因混合過程所用設備接地消除靜電?；旌蠙C槳葉直接推動連續相漿料，混合過程物料受力分析不考慮能量轉換為靜電，不考慮受沖擊力影響為前提；混合過程物料主要受摩擦力作用，混合機施壓的外力作用在藥漿摩擦E摩上。動能矩表示為

(1)

式中f為受力，N；Δv為速度增量，m/s。

2.2 混合過程爆炸藥漿受力

以某型混合機混合燃速為34 mm/s推進劑爆炸事件為依據，爆炸過程混合機扭矩記錄曲線見圖1。

圖1 扭矩-時間示意圖

從圖1可見，前面加AP峰扭矩小于2470 N·m(圖1第1峰)，峰形為連續加AP混合時間增長，扭矩趨勢下降，停車備料后，啟動混合機進行連續加AP(圖1第二峰)，峰形從開始加料開始到混合2 min時間爆炸，扭矩趨于指數函數上升狀態，扭矩函數拐點為3480 N·m，2 min爆炸峰值5960 N·m。爆炸熱點大致位于實心槳和空心槳之間。

3 某型混合機動能矩計算

混合過程易爆物料以摩擦動能矩E摩(MPa·(m/s)2)表征，計算該推進劑在某型混合機中混合、混合多少物料量、及設定的轉速下動能矩E摩值。

依據式(1)，E摩為受力f和Δv為速度增量雙變量乘積。由電機或液壓電機將功能以扭矩形式，驅動槳葉自轉和回轉體公轉。從物料在混合機運動模式和爆炸熱點，主要作用力大致位于實心槳和空心槳之間。將混合機扭矩設定為連續運動的空心槳和實心槳對物料施力，計算如下：

已知條件：混合機轉速(mm/s)，如某型混合機使用的15 r/min。公轉和自轉合成線速度v合(m/s)；如某型混合機槳葉直徑φ=670 mm，則實例v合=0.79 m/s；混合藥漿物料量(kg)；如某大型混合機本次投料600 kg，爆炸時為藥漿+3/4AP狀態，料量為498 kg。

計算：

(1) 作用在實心槳的力F實

設：空心槳自轉相對運動將力作用在實心槳上，那么實心漿的力F實：

F實=(f扭矩×2)/(φ×2)

(2)

式中f扭矩為混合機扭矩，N·m 。

實例的爆炸F實=5960/0.67=8895.52(N)。

(2)作用在實心槳的壓強p槳

實心槳葉示意圖見圖2。

(3)

(3)物料高度函數H

H=[(W/ρ+T)/2πR]-h

(4)

式中W為裝藥量，kg；T為空心槳、實心槳體積之和，cm3；2πR為鍋內圓面積，cm2；h為鍋底與槳葉間隙，cm；ρ為物料密度，g/cm3。

實例H=0.272 m。

(4)推進劑密度ρ

ρ=100/∑(mi/di)

(5)

式中mi為配方組分質量百分數，%；di為配方中組分密度值，g/cm3。

實例槳葉曲面面積S曲面=0.185 m2；實例的爆炸p槳=8895.52/0.185=48083.89=4808.39(Pa)。

(5)混合機摩擦感度動能矩E摩

(6)

式中 ΔP槳為受力增量， Pa； Δv合為速度增量，m/s。

式(6)算出實例的爆炸動能矩E摩=4808.39×0.792/2=1.500[MPa·(m/s)2]。

圖2 槳葉示意圖

4 模擬藥漿爆炸的摩擦感度試驗

按動能矩守恒原理，對混合程序(表1)前期捏合物料受力各工步的物性狀態進行模擬,按配方配比稱量，混均成樣品；測試某推進劑物料不同狀態的摩擦感度見表2。從表2可看出，推進劑配方的物性狀態、受作用力和速度增量、摩擦感度爆炸概率(%)的復雜因果關系。得到了炸與不炸的作用力和速度，計算出最小動能矩。

5 混合機動能矩控制分析

5.1 設計思想

以一個標準樣品用于兩種設備上的相對差法，找出它們的修正值進行混合中藥漿的安全“門檻值”評估。

取實際某型混合機裝藥498 kg含質量分數3.5%卡特辛GFP的高燃速推進劑藥漿爆炸事件為依據。將易燃易爆混合過程受力爆炸事件模擬發生在儀器測試上，來預估混合機不爆時動能矩。

混合機施加的扭矩力作用在藥漿摩擦上，以動能大小衡量；動能大于推進劑配方的物性狀態允許值(安全值)就會爆炸，反之則安全。儀器測試按模擬推進劑混合過程，以易爆物料所處各工步物性狀態的受力爆炸概率最小動能矩為依據，與圖1混合爆炸峰動能矩比,所得差倍值作為儀器測試與混合受力校正系數。以圖1混合第2峰拐點為控制推進劑藥漿在混合機運轉動能預(報)警值。

表2 某推進劑不同狀態物料的摩擦感度

例如表2某推進劑藥漿物性狀態為：藥漿+3/4AP+3.5%GFP。測它的動能量與爆炸概率見圖3。

5.2 安全“門檻值”

測出某推進劑藥漿物性狀態為：藥漿+3/4AP+3.5%GFP時它的動能矩6.57 MPa·(m/s)2爆炸概率為17 %，實例混合機的爆炸動能矩E摩為1.5 MPa·(m/s)2，它們相差4.38倍，為校正系數；從概率評估會有爆炸事件的可能性。

圖3 爆炸概率與動能矩

將實例混合機的爆炸峰值5960 N·m與扭矩函數拐點為3480 N·m之比相差1.71倍，為控制預(報)警值即1.50/1.71=0.88[MPa·(m/s)2]。

將實例混合機的爆炸峰值5960 N·m與圖1第一峰2470 N·m之比為2.41，取倍數值2.41為安全“門檻值”則1.50/2.41=0.62[MPa·(m/s)2]。

5.3 25 L混合工藝的動能矩E摩

用“門檻值” 0.62 MPa·(m/s)2評價25 L裝藥量8 kg,推進劑密度1.76 g/cm3；實心槳葉直徑0.17 m，加固體料轉速15 r/min；藥漿在混合機內深度5 cm。25 L混合機扭矩記錄曲線見圖4。

圖4 扭矩-時間圖

計算如下：

25 L混合機v合=0.200 m/s；

查圖4最大扭矩145 N·m，F實=853 N。

p槳=853/0.0935=91 230(N)；

25 L動能矩E摩=9123×(0.2)2=365[Pa·(m/s)2]；

0.62/0.365=1.7(倍)；

用“門檻值” 0.62 MPa·(m/s)2評價25 L混合動能矩E摩是安全的。

6 混合工藝扭矩的安全值設定

依據圖1某型混合機的扭矩-時間關系，所用藥漿是GFP燃速催化劑和大量超細AP增速的高燃速(34 mm/s)HTPB推進劑，摩擦感度較高，見表2；數據具有較廣泛代表性。

6.1 600 L混合工藝的扭矩安全值

在某型混合機爆炸后，用600 L混合機來完成裝藥任務，推進劑混合扭矩應設多少為安全值。采用“門檻值”0.62 MPa·(m/s)2評價裝藥量400 kg，推進劑密度1.76(g/cm3)；實心槳葉直徑0.47 m，加固體料轉速設為15 r/min。

計算如下：

600L混合機v合=0.553 m/s，槳葉曲面面積S曲面=0.1884 m2：

F實=2×E摩×S曲面/v合2

(7)

F實=2×0.62×0.1884/(0.553)2=0.764 (MPa·m2)

f扭矩=F實×φ

(8)

f扭矩=0.764×0.47 =359 (Pa·m)=3590 N·m

實際生產(見圖5)最大扭矩為1053 N·m，小于f扭矩是安全的。經某高燃速HTPB推進劑25 L、600 L多次裝藥驗證，混合安全。

圖5 扭矩-時間圖

6.2 討論

對新研制的推進劑可以按文中設計思想，用儀器測出新推進劑藥漿物性狀態，爆炸概率(炸與不炸間)最小動能矩為依據，其值大于圖2動能矩6.57 MPa·(m/s)2可按：

6.57/0.88=7.47≈7.5

6.57/0.62=10.60≈10.6

設定該值的7.5倍差為控制預(報)警值。取10.6倍數差值為安全“門檻值”。用式(1)～式(6)設計裝藥多少量在混合中的扭矩、轉速控制值。若低于圖2中動能矩6.57 MPa·(m/s)2，說明比GFP燃速催化劑和大量超細AP增速的34 mm/s的HTPB推進劑更危險。可用儀器測量爆炸概率(炸與不炸間)最小動能矩值的低于程度，加大安全系數“門檻值”取倍數差(>11)。

若低于下限值0.302 MPa·(m/s)2，該推進劑不適應機械混合，建議用氣動或柔性混合。

7 結論

(1)混合過程扭矩主要影響因素為作用在槳葉上的摩擦動能矩，采用動能矩模型公式，計算出某高燃速(34 mm/s)HTPB推進劑在某型混合機混合爆炸扭矩曲線的動能矩值。

(2)質疑了推進劑混合扭矩設值按“混合機使用扭矩按小于設計最大扭矩的85%”的不合理性。建立了藥漿敏感度、混合機大小、裝藥量、混合機扭矩與轉速的因果關系，用反函數計算出混合機扭矩與轉速的混合工藝控制參數。

(3)以相同推進劑物料狀態下，用兩種試驗方法的動能矩守恒表征，得出了儀器動能矩與混合機動能矩兩者的校正倍差值4.38。建立了復合推進劑混合扭矩的安全值預定方法，經用25 L、600 L混合工藝裝藥驗證,混合扭矩是安全性的。

(4)探索出測試推進劑藥漿物態摩擦動能矩，預試爆炸危險點動能(或扭矩)，確定混合中藥漿的安全“門檻值”，為避免裝藥混合受力爆炸事件提出了一種理論指導依據。