改性雙基推進劑輻射點火及燃燒性能研究

劉高亮，吳浩然，王月麗，王 斌，許進升

(1.山西北方興安化學工業有限公司， 太原 030008； 2.中國航發沈陽發動機研究所， 沈陽 110074; 3.南京理工大學 機械與工程學院， 南京 210094)

1 引言

隨著武器裝備系統不斷發展，武器裝備需要在環境更加復雜、多變、惡劣的條件下執行任務，從而對推進系統的可靠性與適用性的要求不斷提高。高空環境下的固體姿軌控發動機以及多脈沖固體火箭發動機的二次點火，會遇到發動機低壓點火問題，氧含量和低氣壓等因素均會對固體推進劑的點火過程與燃燒特性產生影響，甚至造成如點火失效、點火時間長、燃燒火焰不穩定、熄火和燃燒不充分影響射程等問題[1]。目前改性雙基推進劑廣泛應用于戰術武器中，為滿足該推進劑在極端環境下執行任務的需求，對低溫低壓下改性雙基推進劑點火燃燒過程的研究顯得十分重要和迫切。

國外Ohlemiller T J等[2-3]研究了含能材料在不同環境壓強、氧氣濃度和激光熱流密度下的點火性能與燃燒過程。Kim等[4]研究了在不同激光熱流密度下硝銨推進劑的點火與燃燒特性。實驗結果表明推進劑點火存在能量閾值，即必須達到某個最低點火閾值才能使推進劑完成點火過程。張小兵等[5]通過激光點火的方式點燃炸藥、煙火劑、火藥等敏感含能材料，對激光點火在大口徑火炮中的應用提出了方案。Dulcie等[6]為了研制更可靠、更環保的直接起爆推進劑激光點火器，對使用二極管激光器進行了彈性體改性鑄造雙基推進劑的激光點火實驗研究。南京理工大學的朱國強[7]，相恒升[8]，賴華錦[9]等通過研究了鋁鎂貧氧推進劑在不同環境氧含量、環境壓強、不同激光熱流密度等試驗條件下的激光點火與燃燒過程，分析得到了點火延遲時間與燃速隨不同環境變量變化的關系曲線，為鋁鎂貧氧推進劑在固體燃料沖壓發動機中的應用提供了理論基礎。與此同時，王鴻美[10]，相恒升[11]等采用相似的方法對NEPE推進劑的點火性能與燃燒性能進行了實驗測試及理論分析得到了不同因素對NEPE燃燒溫度、燃燒速度、火焰結構、點火延遲時間的影響。

近年來，關于激光點火的研究從對推進劑本身的點火特性逐漸轉移到對作為推進劑添加劑的金屬顆粒的點火研究中。楊建剛[12]采用激光點火器和光纖光譜儀結合的實驗方法，研究了不同環境氣體組分條件下鋁粉的點火及燃燒特性。實驗結果表明：鋁粉的點火特性受氣體組分和鋁顆粒粒徑影響很大，受初溫影響較小。張帆[13]通過測量單顆氫化鋁燃燒過程、點火溫度變化和火焰結構變化得到單顆氫化鋁存在多個燃燒階段。Weiqiang Pang等[14]研究氫硼酸鐵化合物在AP/HTPB/Al復合固體推進劑中的反應機理以及對推進劑燃燒性能的影響。實驗結果表明：含氫硼酸鐵化合物的HTPB固體推進劑在不同壓力下的火焰呈現多火焰結構，并且火焰溫度、鋒面隨壓力的變化和變化并且含氫硼酸鐵化合物有修正推進劑燃燒行為的作用。

綜上所述，國內外研究人員通過大量的實驗驗證，得到了各種環境因素和推進劑光學敏感度等方面對推進劑點火和燃燒方面的影響，得到了不同條件下推進劑的燃燒參數，為優化推進劑結構設計，優化火箭發動機裝藥設計問題奠定了基礎[15]。但是大多數都是通過更改熱通量和推進劑本身參數來進行研究，沒有模擬低溫低壓下推進劑的燃燒環境，通過本文對低溫低壓下改性雙基推進劑的激光試驗來預測火箭發動機在復雜多變的天氣中的燃燒情況有著重要意義。

2 試驗方法

2.1 式樣制備

本文試驗所使用的改性雙基推進劑主要配方包括NC 20%、NG 20%、HMX 50%、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)6%、N-甲基-4-硝基苯胺(MNA)1%、彈穩定劑1.5%和催化劑1.5%，如表1所示。樣品尺寸為φ4 mm×5 mm，為了方便觀測火焰形狀，樣品側面涂有耐高溫的硅橡膠，以防止推進劑燃燒時試件側向燃燒，影響觀測。

表1 改性雙基推進劑質量分數

1.2 試驗系統及方法

本文利用了一種環境壓強、環境氣體組分、激光熱流密度可以調節的小尺度激光點火燃燒實驗系統，用于研究固體推進劑在不同條件下的點火燃燒特性。該系統主要由激光控制系統、CO2激光器、光學系統、燃燒室和數據采集系統等組成，其示意圖如圖1。

圖1 激光點火試驗系統結構示意圖

點火前，首先通過控制系統調節激光功率和加載時間，接著使用激光功率計對激光功率進行標定。在常溫常壓，燃燒室內為空氣的條件下，對2種固體推進劑試件進行點火實驗，激光加載時間為1 270 ms，小于推進劑試件的燃燒時間。當激光開始加載時，光電二極管將采集到的光信號轉化為電信號，并經過放大電路輸出給發光二極管，發光二極管發光并被高速攝像機捕捉到后，此時刻記為實驗開始時刻t=0 ms。另一個光電二極管對推進劑的初始火焰信號進行采集，并轉化為電壓信號顯示在計算機上。在推進劑的點火過程中電信號的變化過程如圖2所示，因此，由于本文試驗測試不同環境條件下推進劑的點火與燃燒過程，采用氣相點火模型，點火的判定標準是當氣相區火焰的發光強度大于某一臨界值時，確認點火。

圖2 點火過程中電信號變化曲線

實驗在相同壓力及溫度條件下進行，每組實驗重復5次保證數據準確性。為模擬火箭發動機在高空低溫低壓的環境，對推進劑的點火延遲時間tig以及燃速r進行測量。推進劑點火延遲時間tig定義為激光產生到推進劑點燃產生火焰的時間間隔，推進劑燃速r定義為推進劑長度除以高速相機拍攝到第一張火焰圖像到火焰熄滅圖像的間隔時間。激光熱流密度q范圍為0.159～1.131 W/mm2，環境壓強P范圍為0.01～0.1 MPa，環境溫度范圍-40～25 ℃。每次試驗激光加載時間為1.83 s，詳細的試驗參數見表2。

表2 試驗參數設置

3 結果與討論

3.1 改性雙基推進劑火焰傳播過程

固體火箭推進劑的燃燒過程表現為燃燒表面的回歸，一般認為改性雙基推進劑的燃燒波由5個區域組成，基于固體推進劑的穩態燃燒模型，建立了改性雙基推進劑激光點火燃燒模型，如圖3所示。

圖3 改性雙基推進劑點火、燃燒物理模型示意圖

初始瞬態過程從推進劑表面施加激光開始，首先進行激光加載，當冷凝相的溫度足夠高時，固相開始融化和冷凝相開始分解，接著開始蒸發并進入氣相區與空氣混合。當冷凝相持續吸收能量、分解和蒸發時，氣相區積累了大量活性物質，時間足夠長，溫度足夠高時，氣相中的物質發生反應，形成著火現象。這通常發生在遠離凝結相表面的地方，一經點燃推進劑迅速靠近凝結相表面，這種現象稱為“吹離效應”，如圖3(b)所示，隨著質量對流通量和熱反饋逐漸達到平衡，燃燒趨于穩定。

不同壓強下，相同溫度和氧氣濃度下的一些典型的拍攝圖像如圖4所示。圖像表明，當環境壓強不同時，火焰的初始位置有顯著差異。這是由于隨著壓強降低，熱解氣體向環境四周擴散，氣相反應區位置上移，初始火焰的位置隨之改變。從圖3可以看出：在點火過程形成前期，推進劑不斷吸收激光能量，并受熱分解產生熱解氣體，熱解氣體逐漸擴散至推進劑表面上方及四周，如圖3(b)所示。

圖4 不同壓強下改性雙基推進劑的火焰結構圖像

推進劑表面顆粒吸收激光能量產生火星，火星達到足夠溫度并接觸表面熱解氣體形成初始火焰。在不同壓強下，火焰形狀大小以及亮度都不同。常溫常壓下火焰明亮呈圓柱狀初始火焰，火焰飽滿充實，點火瞬時沒有明顯“吹離效應”現象，負壓條件下該現象很明顯。在壓強為0.08 MPa時，初始火焰為圓柱狀，火焰中存在未充分燃燒的火星，火焰亮度較常壓下有明顯下降；在壓強為0.06 MPa時，形成火焰前期有較長時間推進劑產生火星，燃燒過程較短，火焰較不明亮，火焰形狀不穩定；在壓強為0.04 MPa時,初始火焰較難形成，火焰亮度較暗；在壓強為0.02 MPa時，初始火焰及后續火焰均不穩定，推進劑能夠自持燃燒但是火焰反復跳躍容易熄滅，初始火焰很小不夠明亮。

3.2 低壓對改性雙基推進劑點火延遲時間的影響

實驗在激光熱流密度分別為0.283 W/mm2和1.132 W/mm2條件下，在不同環境壓強下對改性雙基推進劑式樣的點火延遲時間進行測量。在0.01 MPa、0.02 MPa、0.04 MPa、0.06 MPa、0.08 MPa和0.1 MPa環境壓強下，點火延遲時間的試驗數據如圖5所示。

圖5 點火延遲時間隨環境壓強變化曲線

由圖可以看出，點火延遲時間隨著壓強的增加而減小。在激光熱流密度為0.283 W/mm2時，當壓強變化范圍從0.02 MPa升高到0.04 MPa時，點火延遲時間大約從160 ms減少到10 ms。隨著熱通量增加到2 W/mm2，壓強對點火延遲的影響越來越小，當壓強從0.04 MPa升高到0.1 MPa時，點火延遲時間大約從100 ms減少到60 ms。眾所周知，壓強的降低會增加熱解產物向周圍環境中擴散的速度，并降低分子間的碰撞頻率以及化學反應速率，從而使化學反應區域遠離推進劑表面。同時當放熱反應區向遠離推進劑表面移動時，推進劑表面所能得到的熱反饋會減少，從而導致較長的點火延遲時間。

2.3 低溫對改性雙基推進劑點火延遲時間的影響

試驗在激光熱流密度分別為0.283 W/mm2和1.132 W/mm2時，就推進劑初始溫度對點火延遲時間的影響進行了實驗研究。在推進劑初始溫度分別為-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、25 ℃時，測得的點火延遲時間實驗數據如圖6所示。

圖6 點火延遲時間隨環境溫度變化曲線

由圖6可以看出：在激光熱流密度為0.283 W/mm2時，推進劑初始溫度從-40 ℃升高至25 ℃，點火延遲時間大約從180 ms減少到80 ms。但隨著激光熱流密度的增加，初始溫度對點火延遲的影響越來越小。在激光熱流密度升高至1.132 W/mm2時，推進劑初始溫度從-40 ℃升高到25 ℃，點火延遲時間大約從150 ms減少到60 ms。結果表明，初始溫度對點火延遲時間的影響受激光熱流密度的影響較大。激光熱流密度越大，初始溫度對點火延遲時間的影響越小。

4 結論

1) 改性雙基推進劑在低壓環境下點火時，壓強影響了推進劑熱解氣體的擴散，造成了初始火焰形狀和明亮度的差異。壓強越低，火焰高度越小，亮度越差；當壓強降低至0.06 MPa時這種現象更加明顯。

2) 隨著壓強的降低，推進劑點火延遲時間增加，當降低到0.02 MPa時，推進劑很難點火。當激光熱流密度增加后，壓強對點火延遲時間的影響減弱。由于外界熱通量增加，推進劑熱解速率加快，能更快的補充氣相區域擴散掉的熱解產物，達到點火所需氣體濃度。通過實驗數據的擬合和理論分析得到點火時間與壓強的平方成反比，并且隨著熱流密度的升高，壓強對點火延遲時間的影響越來越大。

3) 隨著推進劑初溫的降低，點火延遲時間略有增加，初溫對推進劑點火延遲時間的影響遠小于壓強對推進劑的影響。通過實驗數據的擬合分析得到高熱流密度下，點火延遲時間與初始溫度為線性關系。