變推力發動機用高壓強指數GAP推進劑的燃燒性能研究①

王 惠，張惠坤，池 鐵，翟 峰，鮑海明

(上海航天化工應用研究所，湖州 313000)

0 引言

為應對現代空襲兵器的威脅，適應未來復雜的戰場環境，防空導彈技術在向遠程、高機動性和多用途的方向發展，進而對固體火箭發動機提出了更高的性能要求[1-2]。變推力固體發動機在實現推力隨機調節的同時，可更加合理分配和充分利用固體推進劑的能量，實現了導彈的多任務，提高系統的環境適應、應變及生存能力[3-5]。變推力固體發動機的實現途徑很多，其中，喉栓式變推力固體發動機通過調節噴管喉部面積可以實現推力大小的無級調節，對于發動機中推進劑而言，在保證燃燒穩定的情況下，壓強指數的值愈高，推力對喉部面積的變化越敏感，這就可通過調節較小喉部面積來達到較大的推力比[4-5]，推力調節比可達10甚至100。一般固體發動機要求推進劑的壓強指數在0.2～0.5之間，而喉栓式變推力固體發動機要求推進劑的壓強指數在0.5～1之間[4-6]。

目前關于降低推進劑壓強指數方面的研究很多，但關于提高推進劑壓強指數方面的研究卻很少，現有的含高硝胺、高硝酸酯增塑的高能固體推進劑具有較高壓強指數[7-10]，但危險等級高，不適用于變推力發動機。疊氮粘合劑具有生成熱高、密度大、熱穩定性好，制得的推進劑能量高、感度低等優點，因而在復合固體推進劑中廣泛應用[11-13]。

本文以GAP為粘合劑，研究GAP推進劑的燃燒性能，特別是壓強指數，以期獲得提高推進劑壓強指數的途徑，滿足變推力發動機對推進劑壓強指數的需求。

1 實驗

1.1 原材料

高氯酸銨(AP)，工業級，大連高佳化工有限公司；奧克托金(HMX)，5類，江蘇紅光化工有限公司；高氯酸鉀(KP)，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；GAP膠(聚疊氮縮水甘油醚)，黎明化工研究院；增塑劑A3，雙(2，2-二硝基丙醇)縮甲醛/雙(2，2-二硝基丙醇)縮乙醛，黎明化工研究院；球形鋁粉(Al)，鞍鋼實業微細鋁粉有限公司；甲苯二異氰酸酯，甘肅銀達化工有限公司；燃速催化劑RC-1，RC-2，RC-3，RC-4，自制。

1.2 GAP推進劑樣品的制備

按照表1的配方組成，將各組分(除固化劑外)稱量在一起、放入(70±5) ℃水浴烘箱中預烘15～20 min、預混后，將藥漿倒入立式混合機中混合50～60 min，加入固化劑再混合50～60 min，真空澆注后放在(60±5) ℃水浴烘箱中固化7 d，制備得到GAP推進劑樣品。

表1 GAP推進劑的配方組成

1.3 性能測試

靜態燃速和壓強指數測試：采用靶線法燃速儀(國產BXF-2000)，參照GJB 770B—2005方法706.1進行靜態燃速和壓強指數測試。將樣品切成5 mm×5 mm×150 mm的藥條，記錄的有效長度為100 mm，藥條側面用標準液包覆，采用靶線法測試推進劑的燃燒性能。

動態燃速和壓強指數測試：參照GJB 96A—2001進行φ118 標準試驗發動機的制備，參照GJB 2365A—2004和GJB 97A—2001進行發動機的動態燃燒性能的測試和數據處理。

2 結果與討論

2.1 氧化劑的影響

氧化劑是復合固體推進劑的主要組分，提供推進劑燃燒所需的氧，占比例也最大，對推進劑的燃速和壓強指數必有一定的影響。固定氧化劑含量54%，研究不同種類氧化劑配比對GAP推進劑燃燒性能的影響，如表2所示。可以看出，當5%HMX、KP分別取代AP后，GAP推進劑在1～15 MPa下的燃速和壓強指數差異較小，壓強指數僅從0.47變化到0.46，對GAP推進劑的燃速和壓強指數的提高效果不明顯。

表2 氧化劑種類對GAP推進劑燃燒性能的影響

在氧化劑總含量為54%的條件下，改變氧化劑粒徑及配比，研究細氧化劑粒徑及配比對GAP推進劑燃燒性能的影響，結果如表3所示。可以看出，隨著細AP粒徑和含量的變化，GAP推進劑在1～15 MPa的燃速和壓強指數均有顯著的變化，圖1和圖2分別為細AP粒徑和含量對GAP推進劑燃速的影響趨勢圖。

圖1 細AP粒徑對推進劑燃速的影響趨勢圖

圖2 UFAP含量對推進劑燃速的影響趨勢圖

表3 細氧化劑粒徑及配比對GAP推進劑燃燒性能的影響

結合表3和圖1、圖2可以看出，細AP的粒徑越小，UFAP(dAP<2 μm)含量越高，推進劑的燃速和壓強指數均逐漸增加，在1～15 MPa壓強下，推進劑靜態壓強指數最高可達0.74。分析認為，細AP粒徑越小，UFAP含量提高，均使得AP的比表面積增大，從而提高凝聚相中AP的分解反應速率和推進劑的產氣量，進而提高氣相中氧化性氣體反應物濃度，最終提高推進劑的燃速。同時，隨著壓強的升高，AP的分解速率加快，氣相反應物濃度更高，從而提高了燃速的增長幅度，進而提高推進劑的壓強指數[14]。

2.2 增塑比的影響

在推進劑體系中，除了氧化劑體系，粘合劑體系的差異對推進劑的燃燒性能也有一定的影響。GAP粘合劑為含能粘合劑，是推進劑的彈性基體，增塑劑A3，為含能增塑劑，兩者均提供可燃元素，又提供了氧，所以增塑比(增塑劑/粘合劑比值，PL/PO)的大小對推進劑的燃燒性能也有一定影響。

根據獲得的氧化劑對GAP推進劑壓強指數影響規律，結合考慮實際生產過程中藥漿的工藝性能，選定細氧化劑UFAP含量20%，研究了不同增塑比對GAP推進劑的燃燒性能的影響，結果如表4所示，增塑比對推進劑燃速的影響趨勢圖如圖3所示。

圖3 不同增塑比對推進劑燃速的影響趨勢圖

由表4和圖3可見，隨著增塑比從1.0增加到1.4，GAP推進劑的燃速和壓強指數均是逐漸增加的，壓強指數從0.49增加到0.57，分析認為，增塑比增加，即小分子A3的硝基含量增加，對GAP粘合劑的分解具有一定促進作用，體系的放熱量增加，反饋至燃燒表面的熱量增加，從而燃速提高，同時隨著壓強的升高，燃速的增幅加大，因而推進劑的壓強指數升高。其中，增塑比從1.2增加到1.4時，推進劑的壓強指數增加幅度減小，說明增塑比的適量增加，有助于推進劑壓強指數的提高。

表4 增塑比對GAP推進劑燃燒性能的影響

2.3 燃速催化劑的影響

調節推進劑燃速和壓強指數的方法很多，最常用且對推進劑其他性能影響最小的方法是加入燃速催化劑。按照表1和以上研究結果，選擇推進劑的固含量72%，氧化劑UFAP含量20%，增塑比1.2，研究一系列燃速催化劑對GAP推進劑燃燒性能的影響，結果見表5，推進劑燃燒性能變化規律見圖4。

表5 燃速催化劑對GAP推進劑燃燒性能的影響

圖4 不同燃速催化劑對推進劑燃速的影響趨勢圖

從表5和圖4可見，不同種類燃速催化劑對GAP推進劑燃燒性能的影響差異較大，燃速催化劑RC-1、RC-2、RC-3及RC-4均能顯著提高GAP推進劑1～15 MPa的燃速和壓強指數，其中燃速催化劑RC-4制備的GAP推進劑的壓強指數最高，為0.78，7 MPa下燃速為37.16 mm/s。進而研究RC-4含量對推進劑燃燒性能的影響，隨著RC-4含量從1%增加到2%時，GAP推進劑的壓強指數沒有再升高，壓強指數從0.78降到0.75，說明與加入2%燃速催化劑RC-4配方相比，加入1%燃速催化劑RC-4的GAP推進劑能得到更高的壓強指數。

從圖4還可以看出，燃速催化劑的種類不同，推進劑高壓區間(9～15 MPa)的燃速有不同的變化規律，計算獲得高壓區間(9～15 MPa)的壓強指數，數據如表5中所示。不同燃速催化劑對高壓段的壓強指數影響差異性較大，其中1%含量RC-4的推進劑高壓區間壓強指數最低，為0.37，且低于1～15 MPa的壓強指數0.78，說明高壓段燃速對壓強的敏感程度降低，高壓燃速出現平緩的趨勢，這有利于推進劑在高壓范圍燃燒的穩定性和變推力發動機在高壓范圍內的正常工作。

從以上實驗結果可見，不同燃速催化劑在不同的壓力區間，對GAP推進劑的壓強指數有不同的作用效果，本實驗中只研究了四種單一催化劑的作用效果，而復配催化劑的作用效果及在不同壓力區間對GAP推進劑的燃燒機理還有待進一步研究。

2.4 動態燃燒性能測試

基于氧化劑、增塑比、燃速催化劑對GAP推進劑燃燒性能的影響規律，確定高壓強指數GAP推進劑的基本配方組成：固含量72%，UFAP含量20%，增塑比1.2，RC-4燃速催化劑含量1%。對此高壓強指數GAP推進劑進行φ118標準發動機動態燃燒性能表征，動、靜態燃燒性能對比見表6。通過對表6各壓強點的動態燃速進行計算，得出推進劑在1～15 MPa的動態壓強指數為0.66，滿足變推力發動機對高壓強指數(0.5～1.0)的要求，同時高壓范圍(9～15 MPa)的動態壓強指數為0.51，低于1～15 MPa壓強范圍的壓強指數，說明高壓范圍燃速對壓強的敏感程度較低，這有利于高壓區間燃燒的穩定性，保障變推力發動機在寬壓力范圍內的正常工作。采用φ118發動機對推進劑進行能量測試，發動機推力、壓強-時間曲線如圖5所示。

圖5 φ118標準試驗發動機推力、壓強-時間曲線

表6 高壓強指數GAP推進劑的動靜態燃燒性能對比

φ118標準試驗發動機試驗結果：在平均壓強8.134 MPa條件下，推進劑動態燃速為41.81 mm/s，實測比沖為2402 N·s/kg，換算至7 MPa下標準實測比沖為2407 N·s/kg(245.6 s)。

3 結論

(1)設計得出一種高壓強指數GAP推進劑的基本配方組成：氧化劑UFAP含量20%，增塑比1.2，燃速催化劑RC-4含量1%。推進劑的靜態燃速為37.16 mm/s(7 MPa)，壓強指數達到0.78(1～15 MPa)，可滿足喉栓式變推力發動機的使用要求。

(2)燃速催化劑的種類不同，推進劑高壓范圍(9～15 MPa)的燃速有不同程度的變化趨勢，含燃速催化劑RC-4的推進劑高壓范圍內壓強指數最低，更有利于推進劑在高壓范圍內燃燒的穩定性和變推力發動機在高壓范圍內正常工作。

(3)高壓強指數GAP推進劑φ118標準發動機試車燃速為41.81 mm/s (8.134 MPa)，壓強指數分別為0.66(1～15 MPa)和0.51(9～15 MPa)，7 MPa下標準實測比沖為2407 N·s/kg(245.6 s)。