GAP/CL-20推進劑在快速熱刺激下的自著火特性

余 濤,楊 猛,麥棹銘,孔祥東,湯成龍,武 毅

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院,陜西 西安 710065;2.北京理工大學 宇航學院,北京 100085)

引 言

固體推進劑的綜合性能制約著裝備和空天動力系統的發展,對提高裝備、空間動力系統的綜合效能等具有重大影響,直接推動著裝備及動力系統的更新換代[1]。

固體推進劑先后從交聯改性雙基推進劑(XLDB)、端羧基聚丁二烯推進劑(CTPB)到端羥基聚丁二烯推進劑(HTPB)再逐步發展到硝酸酯增塑聚醚推進劑(NEPE),發展趨勢則是其不斷增加的能量密度[2]。而隨著裝備與空天動力技術的進一步發展,NEPE推進劑已無法滿足其日益增長的能量需求,各國開始在NEPE推進劑基礎上探究進一步提高推進劑能量的方案。1987年美國首次合成出六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20),使用疊氮類含能黏合劑GAP取代惰性聚醚黏合劑PEG等,并用更高能量的CL-20取代傳統的硝銨炸藥環三亞甲基三硝胺(RDX)和環四亞甲基四硝胺(HMX)所制成的GAP/CL-20推進劑。相較于NEPE推進劑,GAP/CL-20推進劑的能量水平有著顯著提高。然而更高的材料能量密度也會給其貯存、運輸與使用帶來更大的安全風險。因此,研究人員針對GAP/CL-20推進劑做了許多性能上的測試與研究。

針對GAP/CL-20推進劑的燃燒性能,Wei等[3]設計并制備了GAP/CL-20基復合炸藥,并對該炸藥的爆轟可靠性、爆速、機械感度、沖擊感度和光亮度進行了測試和分析。周曉楊等[4]探究了GAP/CL-20高能固體推進劑燃燒性能的影響因素,采用水下聲發射法測試了推進劑的靜態燃速,并用線性回歸法計算了推進劑燃速壓強指數,研究結果表明,推進劑燃速壓強指數均隨CL-20、Al粉粒度減小和AP粒度增加而減小。后續還使用最小二乘法計算燃速壓強指數,開展了GAP/CL-20推進劑燃燒性能調節的探究,結果表明減小CL-20粒度、增大AP粒度、使用增塑劑Bu-NENA(丁基硝氧乙基硝胺)部分取代硝酸酯增塑劑等推進劑等途徑均可降低GAP/CL-20推進劑的燃速與燃速壓強指數[5]。張偉等[6]研究了CL-20的能量潛力,結合含能黏合劑GAP,計算出GAP、CL-20、氧化劑、可燃劑四元混合炸藥的爆炸能量。計算結果表明,使用高氯酸鋰作氧化劑可顯著提高體系的能量密度,但將其在澆注混合炸藥中應用需要進一步改性研究。王瑛等[7]探究了CL-20粒度對GAP/CL-20推進劑燃燒性能的影響,采用靶線法分別測定了14μm和115μm 的CL-20在不同壓強下的燃速,計算了其壓強指數,并利用微型高溫熱電偶測溫技術、燃燒火焰單幅照相技術研究了CL-20粒度對GAP/CL-20推進劑燃燒性能影響的機理。Wang等[8]通過差熱分析、熱重分析和掃描電鏡實驗研究了推進劑的形貌和熱分解性能,建立了GAP/CL-20推進劑固體火箭發動機烤燃數值模型。Li等[9]通過TG、DTA與SEM實驗研究了GAP/CL-20推進劑的形貌與熱解性能,還對三維固體火箭發動機在不同升溫速率下的烤燃過程進行了仿真驗證。

由此可見,當前針對GAP/CL-20推進劑燃燒性能的研究主要體現在材料燃速的測量及壓強指數的計算,對于GAP/CL-20推進劑的其他燃燒性能未見相關報道。而GAP/CL-20推進劑作為一種先進的高能推進劑,其在爆炸、沖擊等快速熱刺激場景下的著火特性當前并無探究,因此本研究針對GAP/CL-20推進劑開展基于快速壓縮機的試驗,探究不同溫度和壓強下快速熱刺激對GAP/CL-20推進劑自著火性能的影響規律,并得出其自著火邊界,可為系統分析GAP/CL-20推進劑在不同環境條件下的燃燒性能提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗樣品

試驗中所采用的GAP/CL-20推進劑配方(質量分數)為:GAP,15%;CL-20,35%;AP,10%;Al,18%;NC,10%;NG,10%;其他,2%。根據燃燒室視窗范圍,按照3mm×3mm×5mm的長方體對GAP/CL-20推進劑進行塑形。每次試驗用量為50mg的GAP/CL-20推進劑。

1.2 試驗裝置

快速壓縮機裝置主要由高壓氣罐、驅動段、液壓段、壓縮段、燃燒室、控制和數據采集系統、配氣系統、油壓系統以及光學系統等部分組成,圖1為快速壓縮機裝置示意圖。

圖1 快速壓縮機裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of the rapid compression device

其工作方式為氣體驅動,液壓制動[10-11],且光學系統采用陰影成像原理[12],視窗直徑為30mm。試驗過程中通過壓強傳感器(Kistler 6125C)和電荷放大器(Kistler 5018A)對燃燒室內的壓強變化進行記錄,燃燒過程中的高速圖像則通過可視化燃燒室及其對應的光學系統進行記錄。實驗選用的高速相機型號為Phantom V710,幀數為20000,像素分辨率為512×512。

1.3 試驗方法與條件

GAP/CL-20推進劑快速熱刺激試驗方法:參考文獻[11]對HMX/NC/NG在快速熱加載(約2×104K/s)條件下的自著火進行研究,壓縮開始前,首先將液壓段注滿液壓油,進而將系統中的各活塞鎖定在下止點位置(如圖1中活塞位置所示),將50mg的GAP/CL-20推進劑以鎢針穿刺的方式固定在燃燒室內,隨后往燃燒室內充入一定比例的混合氣;壓縮開始時,通過釋放液壓段內建立起的油壓,高壓氣罐中的壓縮空氣驅動活塞連桿機構迅速移動到各部分的上止點。在壓縮開始時,壓強采集系統觸發開始記錄燃燒室內的壓強變化,而當壓強采集系統中的電信號達到一定信號強度時,高速相機觸發開始記錄燃燒室內GAP/CL-20推進劑樣品的變化情況。當活塞機構到達各位置上止點,燃燒室達到預先設計好的環境條件后,GAP/CL-20推進劑樣品由于受到快速熱刺激的影響將會發生相應的反應。若樣品未發生著火或爆炸,燃燒室內壓強在壓縮上止點后將不會出現上升趨勢,且高速相機拍攝得到的高速圖像也不會出現著火圖片,反之亦然。本研究中的熱刺激指樣品在壓縮上止點時的溫度與壓強。燃燒室壓縮上止點的溫度(Tc)可以根據“絕熱核心假說”[13]和理想氣體狀態方程計算得到。之前所做的工作通過數值仿真[14]計算燃燒室內的溫度場,并以此對燃燒室活塞結構進行了改良(如圖1所示),保證了燃燒室內溫度在快速壓縮機工作過程中的均勻性。根據文獻可得壓縮過程中活塞的平均速度為11m/s,因此可以確定樣品的自著火不是由于激波加熱所引發的[11]。此外,為了研究GAP/CL-20推進劑在快速熱刺激下的自著火特性,得出其在不同溫度和壓強下的著火規律以及自著火邊界,需要在試驗中嚴格調控快速壓縮機燃燒室內的壓強與溫度。壓縮后燃燒室內的壓強和溫度與所充入混合氣體的體積與比熱緊密相關。充入的混合氣越多,則壓縮完成后燃燒室內壓強越高;充入的混合氣總比熱越大,則壓縮完成后燃燒室內溫度越低。故本次試驗將通過調整充入混合氣的量來調節壓縮后燃燒室內壓強,并通過調整混合氣的組分來控制壓縮后燃燒室內溫度。通過分析不同組分混合氣的測試結果,這里將采用純度99.99%的氬氣和純度99.99%的氮氣摻混的混合氣以達到試驗需求。

2 結果與討論

2.1 GAP/CL-20推進劑樣品典型的不著火和著火行為

在3.0MPa和677.29K下50mg GAP/CL-20推進劑樣品典型的不著火工況時的高速圖像與壓強曲線如圖2和圖3所示。定義活塞機構鎖止在壓縮上止點(End of Compression,EOC)的時刻為0時刻,記為0ms。樣品的初始狀態如圖2中No.1所示,圖2中No.2～No.4為活塞從開始運動到其鎖止在壓縮上止點,從高速圖像可以觀察到熱氣流的生成,從壓強曲線也可以看到壓強的快速上升。當活塞到達壓縮上止點時,燃燒室內溫度與壓強到達實驗設計值后會隨著燃燒室壁面的散熱而緩慢下降。因此,壓縮過程以及活塞達到壓縮上止點后,GAP/CL-20推進劑樣品會持續受到來自環境的熱刺激,然而其壓強曲線并未出現上升趨勢,高速圖像也沒有出現著火點,GAP/CL-20推進劑樣品沒有發生著火現象,表明此環境下的熱刺激不足以使GAP/CL-20推進劑樣品發生自著火。

圖2 在3.0MPa和677.29K下GAP/CL-20推進劑樣品的高速圖像Fig.2 The high-speed images of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and 677.29K

圖3 在3.0MPa和677.29K下GAP/CL-20推進劑樣品的壓強演化Fig.3 The pressure evolution of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and 677.29K

圖4和圖5分別為3.0MPa和789.2K下50mg GAP/CL-20推進劑樣品的壓強演化與高速圖像。由圖4和圖5可知,保持進氣總量不變的情況下,提高混合氣中氬氣的比例,使壓縮上止點在保持壓強仍為3.0MPa的同時將溫度提高到了782.9K,在該條件下樣品發生了自著火現象。

圖4 在3.0MPa和782.9K下GAP/CL-20推進劑樣品的高速圖像Fig.4 The high speed images of GAP/CL-20 samples at 3.0MPa and 782.9K

圖5 在3.0MPa和782.9K下GAP/CL-20推進劑樣品的壓強演化Fig.5 The pressure evolution of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and 789.2K

隨著壓縮過程的進行,樣品持續受到來自環境的高溫高壓刺激,使得樣品在活塞到達上止點后18.5ms產生著火點,如圖4中No.5所示,并將其定義為樣品開始著火的時刻。但是樣品自著火初期的熱量釋放小于燃燒室壁面的散熱量。隨著時間的繼續推移,樣品燃燒釋放的熱量將會大于系統的散熱量,即表現為燃燒室內的壓強開始上升,并在275ms(No.10)時達到燃燒室內壓強的最大值,但隨著剩余樣品的不斷減少,其釋放的熱量再度低于系統的散熱量,壓強開始下降,直到樣品在389.5ms(No.12)時燃燒完全。

通過對高速圖像進行分析,可以發現最早出現著火點的時刻為18.5ms,如圖4中No.5所示,因此可以定義從壓縮開始(外界能量輸入)到圖像上首次觀察到著火點出現時刻的間隔為著火延遲期(IDTI)。參考上述樣品試驗,由高速圖像分析可得其壓縮過程開始于-25ms,因此可以定義該樣品在上述條件下的著火延遲期為43.5ms。同樣也可以通過高速圖像對燃燒持續時間(Burning duration)進行定義,即從圖像中首次出現著火點的時刻到圖像中材料燃燒完全的時刻,此處試驗的燃燒持續期為371ms。

根據多次試驗結果,著火點主要出現在樣品的右側面與棱角部分。這是由于在實際壓縮過程中燃燒室內的氣流會產生輕微擾動,導致樣品的右側面與棱角部分接觸區域內氣流速度略高于其他接觸區域,有利于樣品與環境氣體進行換熱,進而導致該部分區域更早地產生著火現象。此外在整個壓縮過程中作為動邊界的活塞速度為11m/s,而氣流速度小于動邊界的移動速度,故不足以引起摩擦起燃。而且從長焦顯微鏡頭所拍攝的高速圖像(如圖6所示)可以看出,樣品整個著火過程分為熱解和著火兩個階段。第一階段,快速壓縮機開始工作,燃燒室環境溫度上升,樣品開始受熱發生熱解,但該階段并未出現著火現象;第二階段,隨著時間的累計,熱解產物將會進一步產生化學反應并伴隨著火現象,引燃樣品。此外,從圖6試驗高速圖像中可以觀察到,雖然樣品著火起始于上端面,但該面法方向上的燃面推移速度遠小于長端面,而長端面的燃燒則呈現出分層的特點,即燃燒逐層進行,當一層燃燒殆盡時,該層將會發生剝離并將引燃下一層,并逐層燃燒至完全。

圖6 GAP/CL-20推進劑樣品在3.0MPa和不同溫度下的自著火高速圖像Fig.6 The high-speed images of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and different temperatures

2.2 GAP/CL-20推進劑在不同溫度和壓強下的著火延遲期變化

圖7和圖8分別為控制壓縮上止點壓強(Pc)3.0MPa時所獲得的不同溫度下的高速圖像與壓強曲線。由圖3可知在3.0MPa、677.29K的工況下,通過高速圖像與壓強曲線分析可知樣品沒有發生著火現象。

圖7 在3.0MPa和不同EOC溫度下GAP/CL-20推進劑樣品的自著火高速圖像Fig.7 The high-speed images of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and different EOC temperatures

圖8 在3.0MPa和不同EOC溫度下GAP/CL-20推進劑樣品的壓強演變Fig.8 The pressure evolution of GAP/CL-20 propellant samples at 3.0MPa and different EOC temperatures

隨后在保持壓強不變的情況下,升高溫度。當溫度升高到716.59K時,GAP/CL-20推進劑樣品出現了著火現象,通過高速圖像分析可以發現其在52ms時首次出現了著火點,且其燃燒持續期為398ms。當溫度繼續升高至748.95K時,在29.5ms時出現了著火點,其燃燒持續期為382ms。溫度為782.03K時,著火點出現的時刻提前到了19.2ms,其燃燒持續期為371ms。所以從高速圖像可以發現,隨著壓縮上止點溫度的升高,樣品的自著火會逐漸提前,燃燒持續期縮短。而根據不同溫度下的燃燒室壓強曲線,也可以觀察到隨著EOC溫度的升高,會出現更快更早的壓強上升趨勢。

此外,還探究了在控制溫度為925K左右時,EOC壓強對GAP/CL-20推進劑樣品自著火行為的影響。試驗所得的高速圖像與壓強曲線如圖9和10所示。

從圖9可以看出,樣品在1.5MPa時沒有發生自著火現象。當壓強升高至2.0MPa時,樣品出現自著火現象,且在19.3ms時出現了著火點,隨后樣品開始緩慢燃燒至完全。在壓強達到2.5MPa時,著火點出現在11.3ms,比2.0MPa時提前。當壓強進一步升高至3.0MPa時,著火點出現的時間進一步提前。根據圖10的壓強曲線也可以發現,提高壓強顯著促進了樣品燃燒的進行,且當壓強較低(如1.5MPa)時,樣品不會出現自著火現象。

圖10 在不同溫度和壓強下GAP/CL-20推進劑樣品的壓強演變Fig.10 The pressure evolution of GAP/CL-20 propellant samples at different temperatures and pressures

2.3 GAP/CL-20推進劑樣品的自著火邊界

從2.1與2.2節可知,隨著溫度與壓強的改變,存在一個臨界條件將自著火與未著火情況區分開。因此,可以通過調節EOC溫度與壓強,得出著火臨界條件,進而得到樣品的自著火邊界。

圖11為樣品在不同溫度和壓強的著火與不著火情況。可以看出,在快速壓縮機中,GAP/CL-20推進劑樣品是否可以發生自著火現象取決于EOC的溫度與壓強。而由文獻[15]可知,氣體導熱系數隨著壓強增加而增加,因而隨著快壓機內的環境壓強提升后,相同高溫環境下氣體對于固體材料的加熱速率變快,從而導致固體推進劑本身升溫速度的加快,進而加速了后續熱分解和自著火過程。試驗所獲得樣品的自著火邊界將整個區域劃分為兩部分,當位于著火區域時,GAP/CL-20推進劑樣品將會發生自著火現象并會產生引發爆炸的風險。具體來說,隨著壓強從1.0MPa增加到3.0MPa,臨界著火溫度顯著降低。當壓強高于3.0MPa時,臨界著火溫度顯示出非常微弱的下降。此外,這些安全閾值可以為GAP/CL-20推進劑樣品的安全使用提供指導。

圖11 不同EOC溫度和壓強下的測試點及自著火區域Fig.11 The test points and auto-ignition regions at different temperatures and pressures (in EOC)

3 結 論

(1)從長焦顯微鏡頭所拍攝的高速圖像可以將樣品整個著火過程分為熱解和著火兩個階段。樣品的著火整體則呈現出逐層燃燒的特點。

(2)當控制壓強為3.0MPa時,隨著EOC溫度的增加,GAP/CL-20推進劑樣品的自著火及壓強上升趨勢提前,燃燒持續期縮短。當控制EOC溫度為925K時,隨著EOC壓強的上升,GAP/CL-20推進劑樣品的自著火也會表現出與變溫度系列試驗相似的特征,GAP/CL-20推進劑樣品的自著火及壓強上升趨勢提前,燃燒持續期縮短。

(3)根據試驗所獲得的自著火邊界可知,當壓強處于1.0～3.0MPa時,隨著壓強的升高,臨界著火溫度快速降低。而當壓強高于3.0MPa時,壓強的進一步提升則會導致臨界著火溫度下降變緩。