降速劑對(duì)低燃速NEPE推進(jìn)劑高壓燃燒性能的影響

唐 泉，魯銳華，王小英，楊品高，曹滿山，尹欣梅

(1.航天化學(xué)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，襄陽(yáng) 441003；2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽(yáng) 441003)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為導(dǎo)彈、火箭等飛行器的推力裝置，提高推力一直是技術(shù)發(fā)展的主線。當(dāng)前，NEPE推進(jìn)劑作為已工程化應(yīng)用的比沖最高的固體推進(jìn)劑，其比沖無(wú)法滿足先進(jìn)戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器和大型運(yùn)載火箭等對(duì)大推力、大總沖的動(dòng)力需求，必須采取其他途徑提高固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。由固體推進(jìn)劑性能計(jì)算原理可知，提高壓強(qiáng)是大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力的重要途徑之一，當(dāng)燃燒室壓強(qiáng)由6.86 MPa提高至12 MPa時(shí)，NEPE推進(jìn)劑比沖將增大10 s以上[1]。

由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間、性能偏差量等條件限制，高壓強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要固體推進(jìn)劑具有高能量、低燃速和低壓強(qiáng)指數(shù)等特點(diǎn)，其目的是通過(guò)提高壓強(qiáng)大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)推力，采用低燃速推進(jìn)劑延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間和提高內(nèi)彈道性能精度，最終大幅提升導(dǎo)彈武器綜合性能[2]。初步研究結(jié)果表明，NEPE推進(jìn)劑在適應(yīng)高壓強(qiáng)方面存在一定難度，主要包括兩方面原因：一是NEPE推進(jìn)劑的基礎(chǔ)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)較高，降低基礎(chǔ)燃速會(huì)造成推進(jìn)劑能量損失加劇和壓強(qiáng)指數(shù)升高；二是降低燃速導(dǎo)致推進(jìn)劑金屬鋁粉燃燒效率下降，發(fā)動(dòng)機(jī)殘?jiān)练e和燒蝕現(xiàn)象加劇，為高壓強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量釋放和可靠性帶來(lái)巨大隱患[3-7]。這些對(duì)高壓強(qiáng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能發(fā)揮產(chǎn)生重要影響的問(wèn)題亟待解決。

NEPE推進(jìn)劑中含有大量硝胺和硝酸酯增塑劑，使得推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)偏高，而且難以調(diào)節(jié)。推進(jìn)劑燃面熱平衡理論指出，固體推進(jìn)劑的燃速受氣相溫度梯度、凝聚相溫度梯度等多因素影響，加入燃燒性能調(diào)節(jié)劑是調(diào)節(jié)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)的有效方法[8]。因此，本文以NEPE推進(jìn)劑為研究對(duì)象，通過(guò)在NEPE推進(jìn)劑中添加降速劑和降低氧系數(shù)來(lái)降低推進(jìn)劑燃速，研究了低燃速NEPE推進(jìn)劑高壓燃燒性能及發(fā)動(dòng)機(jī)高壓燃燒穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 推進(jìn)劑樣品及制備方法

采用的NEPE推進(jìn)劑配方為聚醚/硝酸酯/RDX/AP/Al，固體含量為78%，外加1%～2.5%降速劑。各原材料按比例經(jīng)過(guò)混合、澆注成型和固化等工序，制備成均勻致密的推進(jìn)劑樣品。

1.2 燃燒性能測(cè)試方法

本文采用了靜態(tài)藥條燃速、密閉燃燒器法、標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)三種燃燒性能測(cè)試方法。

(1)靜態(tài)藥條燃速

采用WAE-2000C型固體推進(jìn)劑高壓燃速儀測(cè)試推進(jìn)劑的燃速。利用聲發(fā)射探頭接收試樣燃燒時(shí)的聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大送至聲發(fā)射儀進(jìn)行計(jì)時(shí)，推進(jìn)劑試樣燃燒結(jié)束計(jì)時(shí)停止，試樣的有效長(zhǎng)度除以燃燒時(shí)間，即為推進(jìn)劑試樣的燃速。試樣規(guī)格為4.5 mm×4.5 mm×80 mm的藥條，測(cè)試溫度為25 ℃。在6～25 MPa壓強(qiáng)區(qū)間內(nèi)選取壓強(qiáng)點(diǎn)，每個(gè)壓強(qiáng)下測(cè)試不少于4根藥條，通過(guò)統(tǒng)計(jì)處理求出平均燃速；根據(jù)維耶里燃速方程r=apn，通過(guò)線性回歸法求出燃速壓強(qiáng)指數(shù)。

(2)密閉燃燒器法測(cè)試燃速

密閉燃燒器法是一種間接測(cè)燃速的方法，它是在一定的容積中點(diǎn)燃幾何形狀確定的推進(jìn)劑，隨著燃燒過(guò)程進(jìn)行，燃燒器中燃?xì)鈮簭?qiáng)不斷增加。密閉燃燒器法一次測(cè)試可測(cè)出全部壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速，可真實(shí)反映推進(jìn)劑在整個(gè)壓強(qiáng)范圍內(nèi)的燃燒情況，適用于研究推進(jìn)劑高壓燃燒性能。

試驗(yàn)條件：初溫25 ℃；試樣為圓柱體，φ20.0 mm×12.0 mm；點(diǎn)火藥采用推進(jìn)劑同組分的藥末。

(3)小型BSFφ75 mm試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

具有內(nèi)孔結(jié)構(gòu)的BSFφ75 mm發(fā)動(dòng)機(jī)具有裝藥量少、結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)試推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃燒性能的主要裝置。其試驗(yàn)方式是將BSFφ75 mm發(fā)動(dòng)機(jī)固定在試車臺(tái)上進(jìn)行點(diǎn)火，測(cè)量并記錄壓強(qiáng)、時(shí)間等參數(shù)，利用所得到的p-t曲線求出燃燒時(shí)間和平均壓強(qiáng)，再由藥柱肉厚除以燃燒時(shí)間求出此平均壓強(qiáng)下的燃速。通過(guò)改變噴管喉徑，測(cè)出不同平均壓強(qiáng)下的推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃速，進(jìn)而可計(jì)算出推進(jìn)劑的動(dòng)態(tài)燃速壓強(qiáng)指數(shù)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 低燃速NEPE推進(jìn)劑配方組成

調(diào)節(jié)氧化劑含量和添加降速劑是固體推進(jìn)劑調(diào)節(jié)燃速的兩個(gè)主要途徑，本文設(shè)計(jì)了5個(gè)配方，用于研究添加降速劑和調(diào)節(jié)氧化劑含量?jī)煞N燃速調(diào)節(jié)方法對(duì)低燃速推進(jìn)劑高壓燃燒性能的影響，推進(jìn)劑配方主要組成見表1，其中C0為基礎(chǔ)配方。

表1 推進(jìn)劑的組成

2.2 低燃速NEPE推進(jìn)劑靜態(tài)高壓燃燒性能

采用水下聲發(fā)射燃速測(cè)試方法，測(cè)試了推進(jìn)劑在6～25 MPa的靜態(tài)藥條燃速，根據(jù)結(jié)果擬合了不同壓強(qiáng)區(qū)間的壓強(qiáng)指數(shù)，結(jié)果見表2。

根據(jù)表2中燃速結(jié)果可見，基礎(chǔ)配方C0的6 MPa靜態(tài)藥條燃速為6.40 mm/s，6～15 MPa壓強(qiáng)指數(shù)為0.59，推進(jìn)劑的燃速-壓強(qiáng)曲線無(wú)拐點(diǎn)。C0、C1、C2燃速結(jié)果表明，推進(jìn)劑燃速隨著降速劑含量增大而降低，降速劑含量為2%時(shí)，6～15 MPa壓強(qiáng)指數(shù)由0.59降低至0.28，15～25 MPa壓強(qiáng)指數(shù)由0.54增大至1.10，說(shuō)明降速劑在高壓下的降速作用效果減弱。從C2、C3可見，增大降速劑含量并相應(yīng)降低RDX含量時(shí)，6～15 MPa燃速和壓強(qiáng)指數(shù)不變，15～25 MPa壓強(qiáng)指數(shù)略微降低，說(shuō)明進(jìn)一步增大降速劑含量對(duì)低壓壓強(qiáng)指數(shù)影響較小。從C1、C4可見，配方RDX含量由22%增大為32%時(shí)，6 MPa推進(jìn)劑燃速由6.25 mm/s降低為5.66 mm/s，12 MPa及以上壓強(qiáng)點(diǎn)燃速增大。同時(shí)，推進(jìn)劑在6～15 MPa范圍的壓強(qiáng)指數(shù)由0.37增大為0.60，與15～25 MPa壓強(qiáng)指數(shù)接近，燃速-壓強(qiáng)曲線拐點(diǎn)現(xiàn)象基本消失。

表2 推進(jìn)劑組成對(duì)靜態(tài)燃燒性能的影響

從上述靜態(tài)燃速結(jié)果可看出：

(1)降速劑對(duì)高壓強(qiáng)區(qū)降速作用較弱，使得推進(jìn)劑燃速-壓強(qiáng)曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn)。由于添加降速劑在中低壓區(qū)間降速作用強(qiáng)，而對(duì)高壓強(qiáng)區(qū)燃速降速作用弱，6～15 MPa壓強(qiáng)指數(shù)降低，15～25 MPa壓強(qiáng)指數(shù)升高，使得燃速-壓強(qiáng)曲線在15 MPa附近出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。降速劑含量為2%時(shí)，15～25 MPa壓強(qiáng)指數(shù)大于1，將會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)劑難以形成穩(wěn)態(tài)燃燒。

(2)高RDX含量配方壓強(qiáng)指數(shù)偏高，燃速-壓強(qiáng)曲線無(wú)明顯拐點(diǎn)。增大配方RDX含量使推進(jìn)劑9 MPa下燃速降低，12 MPa及以上高壓強(qiáng)區(qū)的燃速增大，使得推進(jìn)劑燃速壓強(qiáng)指數(shù)明顯增大，但該類型配方無(wú)燃速-壓強(qiáng)曲線拐點(diǎn)，見圖1。

圖1 推進(jìn)劑靜態(tài)燃速-壓強(qiáng)曲線

為進(jìn)一步研究降速劑對(duì)低燃速推進(jìn)劑高壓燃燒性能的影響，采用密閉燃燒器測(cè)試了C1和C2配方在12～60 MPa的燃速，驗(yàn)證二者的燃速-壓強(qiáng)曲線在更寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)是否相交。推進(jìn)劑燃速-壓強(qiáng)曲線見圖2，分別擬合得到了三個(gè)壓強(qiáng)區(qū)間的壓強(qiáng)指數(shù)，結(jié)果見表3。

圖2 C1和C2推進(jìn)劑的燃速-壓強(qiáng)曲線

表3 C1和C2推進(jìn)劑的高壓壓強(qiáng)指數(shù)

從圖2可見，兩條燃速-壓強(qiáng)曲線在38 MPa附近相交，此后C2配方燃速高于C1配方，而且兩條曲線均在45 MPa附近繼續(xù)向上出現(xiàn)拐點(diǎn)。從表3看出，三個(gè)壓強(qiáng)指數(shù)隨著壓強(qiáng)升高而增大，說(shuō)明含降速劑的低燃速推進(jìn)劑存在燃速-壓強(qiáng)曲線拐點(diǎn)現(xiàn)象。對(duì)比配方組成可知，C2配方降速劑含量高于C1配方，低壓區(qū)燃速降低幅度大，降速劑作用效果隨著壓強(qiáng)升高減弱，燃速拐點(diǎn)現(xiàn)象更為明顯。

2.3 低燃速NEPE推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)高壓燃燒性能

采用C1和C4兩個(gè)推進(jìn)劑配方進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，通過(guò)逐漸減小發(fā)動(dòng)機(jī)喉徑，得到了一系列壓強(qiáng)條件下的推進(jìn)劑燃燒性能結(jié)果，對(duì)比研究?jī)蓚€(gè)低燃速推進(jìn)劑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓燃燒穩(wěn)定性的影響。推進(jìn)劑燃速-壓強(qiáng)關(guān)系曲線見圖3，擬合了不同壓強(qiáng)區(qū)間的壓強(qiáng)指數(shù)，見表4。

圖3 C1和C4推進(jìn)劑的動(dòng)態(tài)燃速-壓強(qiáng)曲線

表4 C1和C4推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)

從圖3可見，兩條曲線相交于15 MPa附近，在6～15 MPa內(nèi)C1配方的燃速較高，使得C1配方的壓強(qiáng)指數(shù)遠(yuǎn)低于C4配方。C4配方由于AP含量較低，在6～15 MPa內(nèi)燃速較低，但燃速-壓強(qiáng)曲線在6～25 MPa內(nèi)無(wú)明顯拐點(diǎn)。從表4可見，C1配方在6～15 MPa內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.330，C4配方在6～15 MPa內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.629，15～25 MPa內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.706。

對(duì)比C1和C4兩個(gè)配方的組成差異，可見配方僅AP和RDX相對(duì)含量存在不同，高RDX含量配方的低壓區(qū)燃速較低，高壓區(qū)燃速較高，整體壓強(qiáng)指數(shù)較大而無(wú)明顯燃速-壓強(qiáng)曲線拐點(diǎn)，低RDX含量配方雖然低壓區(qū)燃速較高，但整體壓強(qiáng)指數(shù)較小，在寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)具有低壓強(qiáng)指數(shù)和高壓燃速較低的優(yōu)點(diǎn)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓燃燒穩(wěn)定性的影響因素分析

C1和C4配方BSFφ75 mm發(fā)動(dòng)機(jī)試車曲線分別如圖4、圖5所示。從發(fā)動(dòng)機(jī)p-t曲線可見，當(dāng)壓強(qiáng)大于20 MPa時(shí)，采用C1配方裝藥的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓強(qiáng)難以保持平穩(wěn)，壓強(qiáng)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而持續(xù)升高，此時(shí)還會(huì)伴隨出現(xiàn)噴管喉襯飛出的現(xiàn)象。C4配方在最大壓強(qiáng)接近30 MPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍能夠穩(wěn)定燃燒，說(shuō)明C4配方高壓燃燒穩(wěn)定性較好。

圖4 C1推進(jìn)劑的BSF φ75 mm發(fā)動(dòng)機(jī)p-t曲線

圖5 C4推進(jìn)劑的BSF φ75 mm發(fā)動(dòng)機(jī)p-t曲線

針對(duì)BSFφ75 mm發(fā)動(dòng)機(jī)高壓燃燒不穩(wěn)定問(wèn)題，分析認(rèn)為有兩種可能原因：一是高壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速壓強(qiáng)指數(shù)大于1，推進(jìn)劑無(wú)法形成穩(wěn)定燃燒狀態(tài)；二是推進(jìn)劑燃燒殘?jiān)氯麌姽堋谋?密閉燃燒器試驗(yàn)結(jié)果可見，C1配方在25～45 MPa的壓強(qiáng)指數(shù)為0.835(n<1)，而BSFφ75 mm發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓強(qiáng)小于40 MPa。因此，壓強(qiáng)指數(shù)偏高不是發(fā)動(dòng)機(jī)高壓燃燒不穩(wěn)定的主要原因。

采用小型端面燃燒φ75 mm發(fā)動(dòng)機(jī)試車分析了C1和C4推進(jìn)劑配方在20 MPa條件下凝聚相燃燒產(chǎn)物生成率(簡(jiǎn)稱殘?jiān)?，殘?jiān)适侵竼挝毁|(zhì)量推進(jìn)劑燃燒生成燃燒殘?jiān)馁|(zhì)量。將燃燒產(chǎn)物顆粒按粒徑D≤2 μm、D=2～100 μm和D≥100 μm三種粒度規(guī)格進(jìn)行分類，計(jì)算得到了各自的百分含量，結(jié)果見表5。 從結(jié)果可見，C1推進(jìn)劑殘?jiān)蕿?.3%，C4推進(jìn)劑殘?jiān)蕿?.8%。C1推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物中的粗顆粒含量較大，顆粒粒徑大于100 μm的含量為55.9%，而C4推進(jìn)劑僅為37.6%，C4推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物中2～100 μm顆粒數(shù)量最多。推進(jìn)劑燃燒殘?jiān)治鼋Y(jié)果表明，高壓條件下C1推進(jìn)劑的燃燒效率較低。由此可見，由于C1推進(jìn)劑在15 MPa以上高壓下的燃速較低，C1推進(jìn)劑的鋁粉團(tuán)聚較高，凝聚相燃燒產(chǎn)物的粒徑和含量增大，而此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉徑較小，出現(xiàn)了凝聚相燃燒產(chǎn)物堵塞噴管的現(xiàn)象。因此，鋁粉燃燒殘?jiān)龆嗍荂1推進(jìn)劑配方BSFφ75 mm發(fā)動(dòng)機(jī)高壓燃燒不穩(wěn)定的主要原因。推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物的粒度分布曲線見圖6。

表5 推進(jìn)劑凝聚相燃燒產(chǎn)物特性

圖6 推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物的粒度分布曲線

4 結(jié)論

(1)添加1%～2%的降速劑時(shí)，6～15 MPa低壓段的推進(jìn)劑靜態(tài)藥條燃速和壓強(qiáng)指數(shù)顯著降低，15～25 MPa高壓段燃速降低幅度較小，高壓段壓強(qiáng)指數(shù)隨之增大，且燃速-壓強(qiáng)曲線在15 MPa和45 MPa存在兩處拐點(diǎn)。

(2)采用BSFφ75 mm發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證了低燃速推進(jìn)劑裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓燃燒穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在平均工作壓強(qiáng)大于20 MPa以后，低燃速推進(jìn)劑裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)存在難以穩(wěn)定燃燒的問(wèn)題。

(3)為適應(yīng)高壓強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用需求，低燃速NEPE推進(jìn)劑還需進(jìn)一步協(xié)調(diào)低燃速低壓強(qiáng)指數(shù)和高燃燒效率的矛盾，通過(guò)采取燃燒效率優(yōu)化措施，滿足低燃速和高壓強(qiáng)的需求。