固體推進劑混合裝備研究現狀與發展 ①

陸志猛，曾慶林，鄭麗兵，夏 強

(1.湖北航天化學技術研究所，湖北航鵬化學動力科技有限責任公司，襄陽 441003;2.湖北航鵬化學動力科技有限責任公司，含能組件制造技術與裝備湖北省工程研究中心，襄陽 441003;3.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641)

0 引言

固體推進劑是由多種滿足不同特定功能要求的原材料如氧化劑、高活性金屬燃料、含能炸藥、增塑劑、高分子預聚物等，通過特定制造工藝、復雜的物理過程和化學反應形成的具有粘彈特性的含能材料[1-2]。固體推進劑制造過程中最危險的工藝是混合工藝，在固體推進劑混合過程中，高粘度的粘合劑、大量成團的固體顆粒與其他組分一起交互作用，在物料內部產生巨大粘阻力，增大了混合的難度[3-7]。另外，固體推進劑中的諸多組分都屬于易燃易爆的材料，對混合設備的安全性能要求高。因此，在生產中通常采用結構特殊的混合設備進行混合，或者多臺不同類型混合設備相結合來完成所需要的混合工藝。根據固體推進劑的混合工藝要求，目前用于固體推進劑混合的槳式混合設備一般需要滿足以下特性：較小的混合間隙、較大的功率體積比(W/m3)、便于卸空(出料)、安全、可靠。

自20世紀40年代，固體推進劑混合設備經歷了從臥式到立式、從批產到連續、從有槳到無槳的技術發展。目前，復合固體推進劑主要采用槳式混合裝備，經過幾十年的裝備技術發展，其生產安全性、產品質量、產品規模等性能指標不斷得到改進和提高。根據混合機的結構和功能的不同，用于固體推進劑混合的設備分為有槳批產式、有槳連續式和無槳式混合等三類，下面分別介紹它們的研究現狀及發展。

1 有槳批產式混合設備

固體推進劑有槳批產式混合設備經歷了由臥式混合機向立式混合機發展過程。

雙臂臥式混合機(圖1)有兩根水平安裝的攪拌槳葉，臥式混合機混合容量從1 L 到5 m3，根據混合對象不同，其輸入功率范圍0.02～0.5 kW/kg。雙臂臥式混合機缺陷：安全性差，由于攪拌槳葉水平放置，混合過程中物料的高度高于軸承位，在混合過程中物料可能滲入密封函和軸承內部，造成含能材料的過度摩擦，易產生安全事故；雙臂臥式混合機出料過程復雜。

圖1 雙臂臥式混合機示意圖

20世紀60年代開始雙槳葉立式混合機被逐步用于固體推進劑混合。立式混合機通常采用雙槳葉或者三槳葉裝配模式，槳葉由不銹鋼材料制作，表面進行高度拋光。與雙臂臥式混合機相比，立式混合機具有混合性能好、可靠性高的特點，獲得的推進劑具有較好的燃燒和力學性能[8-10]。法國圭亞娜航天中心的推進劑工廠裝有兩臺6814 L J.H.Dag三槳立式混合機(圖2)，1991年建成投產，用以生產阿里安5助推器等大型發動機裝藥，可同時混合約12 t復合固體推進劑[11]。

圖2 6814 L三槳立式混合機

自動化和高安全是未來批產式立式混合裝備發展方向。在自動化方面，主要集成機械手、自主導航技術、在線測試技術、物聯網數據分析系統及最新的控制技術，實現固料、液料的自動加料，熱水、真空等接口自動對接，混合鍋自動翻轉出料和自動清洗，混合工藝過程實現遠程控制，信息化管控，主要參數和數據實時監控、記錄和保存，混合前后工序自動銜接；在高安全方面，主要通過混合裝備自身關鍵零部件安全性能提升以及先進的控制、采集和分析系統，實現事故預示和綜合預警、還可通過配置快速泄爆裝置，讓立式混合機只燃燒不爆炸，綜合提升立式混合機的安全性和可靠性。

2 有槳連續式混合設備

2.1 雙螺桿混合機

20世紀60年代前后，在Polaris戰略導彈計劃的背景下，美國 Rocketdyne 公司和 Aerojet solid propulsion 公司嘗試固體推進劑快速混合連續加工工藝，并達到1815 kg/h的裝藥生產能力，累計生產了8500 t推進劑[12-13]。針對ASRM計劃，美國研發了兩臺UK-400連續設備，推進劑產能最高可達4.5 t/h，后來由于美國宇航局資金大幅減少，這些生產線于20世紀90年代后期關閉并拆除。

歐盟在雙螺桿連續化生產線研制上投入較大，Herakles公司2005年建成一個中試規模的連續混合試驗設備(圖3)，產能約200 kg/h；Herakles公司通過中試設備開展驗證試驗， 證明使用TSM雙螺桿技術進行SRM大批量生產的制造周期較短，且推進劑在混合工序的在置量減少。2016年至今，Herakles公司加快推進固體推進劑大批量連續混合裝備研發(圖4)，產能3～4.5 t/h，并計劃應用到新一代運載器Ariane 6[14]。

圖3 Herakles公司中試連續混合設備

圖4 Herakles公司大型連續混合設備

雙螺桿混合機有兩個協同轉動的螺旋結構的螺桿，根據固體推進劑混合工藝要求，每個螺桿上設置有輸送段、捏合段、擠壓段及除氣段等功能。改變螺旋結構配置可調節停留時間的分布，達到預定的剪切速率，實現物料連續混勻。雙螺桿混合機螺桿直徑規格為15～300 mm，最大長徑比L/D≤100，轉速可達500 r/min。

國內固體推進劑雙螺桿連續混合裝藥工藝設備方面研究較少，為滿足國內大型發動機裝藥量需求，近幾年，國內大力研發復合固體推進劑連續混合系統，主要解決螺桿混合過程在高剪切或擠壓力作用下的安全性問題，計劃在未來十年實現雙螺桿連續化裝藥技術工程化應用。

2.2 蠕動混合機

1978年， SPILLMAN開發出一種包含橡膠和滾筒的蠕動混合機，該裝置混合輸送流體能力較差。2010年，YOSHIHAMA開發了一種基于腸蠕動的蠕動混合機(圖5)，采用直纖型人工肌肉，并證明了其可用于高粘度和固、液兩相物料的輸送和混合機[15]。2018年，日本中央大學和日本宇宙航空研究開發機構開發一款能制造固體火箭燃料的蠕動混合機，模擬了包含高氯酸銨粉末、鋁粉和彈性體粘合劑在內的推進劑連續混合出料情況(圖6)。

圖5 蠕動運動原理及設備示意圖

圖6 蠕動輸送過程示意圖

蠕動混合機的捏合原理：待混合物料通過柱塞運動裝入蠕動膠管中，膠管兩側對稱、依次布局的擠壓板的轉動對膠管產生波浪式擠壓，物料在經歷多次擠壓后實現混勻。蠕動混合機物料捏合過程中，壓板隔著彈性的膠管對物料進行擠壓、捏合，安全性比槳葉式混合較好，但適應粘度范圍較窄。

2.3 多腔混合機

德國IKA公司研制一種在全球取得專利權的多腔式連續混合機CONTERNA(圖7)，其構造是一個模塊化系統，即捏合腔體的數量以及捏合工具和出料模塊的設計可以適應不同的客戶需求。CONTERNA的理念實現了一臺機器多個工藝步驟合成，如混合、捏合、滾軋和擠壓高粘度的介質。捏合腔體上蓋可拆卸，整個捏合腔體可液壓打開，便于清洗和維護。

圖7 IKA公司多腔式連續混合機

西安近代化學研究所近幾年在從事多腔式連續混合技術研究[16]，每個腔室呈豎“8”字形，包括進料腔室、捏合腔室、出料腔室。腔室個數可調、槳葉組合可調、每個腔室槳葉轉速可獨立控制、每個腔室溫度可獨立控制，能夠適用高固含量復合材料的混合，目前未見固體推進劑領域的應用報道。

3 無槳式混合設備

3.1 聲共振混合機

聲共振混合機作為一種全新的無槳混合技術，近幾年應用在推進劑、PBX炸藥、共晶炸藥及高品質炸藥的制備等軍用領域。

2010年，美國學者POURPOINT[17]采用聲共振混合機混合了鋁/冰推進劑，并在美國ALICE導彈上進行了試驗，如圖8所示。

圖8 ALICE導彈準備、點火及升空

2010年，美國學者SANTOS等研究了聲共振混合機混合凝膠推進劑，采用SiO2和JP-8質量分數為4%～7%，混合效果較好[18]。2012年，美國學者HEISTER等開展了高燃速復合固體推進劑的實驗研究，配方中固含量80%～84%，物料混合時間為5 min，后進行相關試驗研究，在6.9 MPa壓力下，燃燒速率為14～40 mm/s[19]。2013年，美國學者REESE等采用聲共振混合機混合一種新型硝酸酯復合推進劑，配方中各物料質量分數：SMX 83%，鋁粉2%，HTPB 11.15%，異葵壬酸酯2.23%，MDI 1.62%，混合時間為10 min。作者通過對其混合后性能進行研究，認為從推進劑性能、加工、安全性以及燃燒性能等方面綜合考慮，SMX-HTPB推進劑補充或取代AP成為下一代固體火箭推進劑[20]。

聲共振混合機通過振動傳導低頻、高強度聲波能量實現物料的混合，利用機械共振原理以最小的能量打破物料混合的邊界條件，激發物料進行自振動快速混合，是整場的無槳混合；不但能夠實現被混物料整場不留死角的均勻分散，而且能夠避免有槳混合過程中因槳葉的剪切或與壁面的摩擦碰撞對被混物料造成物理或化學破壞。

從聲共振混合原理(圖9)可知，如果混合容器直接采用單發或多發小型發動機殼體，可能會帶來固體推進劑制造工藝的顛覆性進步，使固體推進劑等危險材料的傳統混合工序、藥漿翻轉和澆注工序等多作業工藝過程革新為一體化原位混合裝藥(圖10)，大幅度提高生產過程的安全性和生產能力。

圖9 聲共振混合原理及產品示意圖

圖10 小型發動機一體化原位混合裝藥

3.2 離心混合機

離心混合機是在20世紀70年代出現的產品，由于需要高速旋轉，所以限制了它的容積大小，現在最大的規格是有效容積3 L，主要在歐美和日本等國家進行生產。離心混合機原理圖如圖11所示。

圖11 離心混合機原理圖

2013年，湖北航天化學技術研究所徐海元[21]等開展了固體推進劑離心混合工藝的研制，離心混合機在2000 r/min轉速下，在10 min內可實現物料的均勻混合。但高轉速要求，限制了離心混合機的生產能力，難以研制大型化產品，僅可用于配方研究或小型發動機裝藥，難以滿足大型發動機裝藥需求。

3.3 重力混合機

重力混合機又叫醉桶式混合機，是將待混物料通過物料桶的多維轉動在自身重力作用下翻滾以達到均勻混合的目的。重力混合示意圖如圖12所示。重力混合機具有結構簡單可靠、混合過程中物料承受的剪切壓強小、安全性高等優點。 但是，重力混合機主要依靠物料重力達到混合目的， 混合效率低， 而且只適合固體顆粒和低粘度物料的混合，對于固體推進劑等高粘度物料， 其混合效果不理想。

圖12 重力混合機示意圖

4 混合裝備技術發展

4.1 仿真技術

目前國內混合設備方案的確定和改進研究，長期以來主要依靠經驗和試驗，一直缺乏一套專業的、有效的方法和手段，仿真技術是推動混合裝備技術發展的最好解決方法。針對固體推進劑等危險物料的混合工藝仿真技術旨在將裝備研發、工藝仿真、生產過程等進行系統統籌，實現混合裝備的快速設計和配置，提升固體推進劑裝藥的效率。

隨著計算機對數值求解流體力學技術的進步，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)在化工領域攪拌釜的仿真模擬發展迅速[21-24]。CFD方法可以將用于描述流動和傳熱過程的質量守恒、動量守恒和能量守恒規律的復雜的偏微分形式的納維-斯托克斯方程轉化，分析混合釜內的速度、壓力和能量的分布情況[25-26]。

法國Herakles公司通過對大型立式混合機混合復合固體推進劑的混合過程進行了仿真分析(圖13)，能夠獲得藥漿在在混合腔體內三維空間內任意位置的速度、壓力、粘性、剪切率等參數，Herakles公司通過仿真分析，進一步優化了混合工藝參數，混合效率提升約30%；瑞士iTEC公司通過專用軟件開展仿真技術分析，簡要構建了物料特性參數、固體推進劑混合過程的物理化學反應過程和混合裝備攪拌、捏合之間的協同關系。

(a)Temperature (b)Pressure (c)Shear force

采用仿真計算，能夠避免推進劑藥漿等高風險材料的實際混合實驗所帶來的各種傷害，能夠有效預測危險發生的情形，從而在試驗、生產過程中提前采取降低風險的預防措施，避免產生安全事故。因此，混合裝備的發展離不開仿真技術的進步。仿真技術與工藝裝備有效結合，構建由工藝裝備、仿真軟件平臺、服務器、客戶端和數據庫等組成工藝仿真系統(圖14)，工藝仿真系統可以將仿真數據、現場采集數據和歷史數據等進行聯用分析，為用戶提供可視化的APP程序，為工藝裝備及工藝過程的優化提供數據支撐，實現工藝精確控制，提高工藝的可靠性，最終實現混合工藝過程的安全能力提升。

圖14 工藝仿真系統

4.2 混合裝備發展

近些年來，高能量、高燃速、低易損、低特征、寬適應、強實戰是固體推進劑技術的主要發展趨勢，世界發達國家以新型固體推進制研制為重點，非常重視將先進混合裝備技術用于固體推進劑的制備與生產領域，尤其是針對固體推進劑安全、高效自動化制造領域，研制出了以雙螺桿自動化混合和聲共振混合為核心的裝藥技術，可加工炸藥、發射藥、推進劑、煙火劑等多種含能材料產品。固體推進劑先進混合設備的發展路線如圖15所示。

圖15 先進混合裝備發展路線圖

目前，固體推進劑裝藥制造工藝仍以便于生產組織和柔性制造的立式混合機為主，大力發展可用于一體化混合裝藥的聲共振混合裝備技術。未來，新型固體推進劑的制造過程向高安全、高效率、無人化和智能化方向發展，自動化立式混合機、雙螺桿混合機及聲共振混合機等代表了固體推進劑制造業先進混合裝備的發展方向，是未來固體推進劑技術發展對高能量密度材料制造、柔性制造和安全高效制造的基礎。

5 結束語

本文介紹了有槳批產式、有槳連續式和無槳式混合裝備等三類固體推進劑混合裝備，簡要介紹了CFD在化工領域攪拌釜的仿真模擬技術和國外大型立式混合機混合復合固體推進劑的仿真技術，認為仿真技術是推動混合工藝裝備技術發展的動力。國內目前固體推進劑裝藥制造工藝仍以自動化程度較低的立式混合機為主，后續需大力發展可用于一體化裝藥的聲共振混合裝備技術、自動化立式混合機及雙螺桿混合機等為代表的先進混合裝備?；旌涎b備的快速發展是實現固體推進劑智能制造的基礎，是未來高能量、高燃速、低易損、低特征、寬適應等新型固體推進劑安全高效制造的基礎。