低鋁含量HTPB固體推進(jìn)劑的燃燒特性

徐紀(jì)琳,李兆娜,陳建發(fā),盧國(guó)強(qiáng),吳佳佳,錢建國(guó),張惠坤

(上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所,浙江 湖州 313000)

引 言

在復(fù)合固體推進(jìn)劑中,為了提高比沖和抑制不穩(wěn)定燃燒,常加入一定量的金屬添加劑,而鋁粉由于密度高、耗氧量低及燃燒焓高,可有效提高固體推進(jìn)劑的能量,因此被廣泛應(yīng)用[1]。

通常固體推進(jìn)劑體系中加有質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～18% 的鋁粉,而當(dāng)其超過(guò)8%時(shí),在推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中會(huì)在燃燒表面上凝結(jié)成大的液滴,從而影響鋁粉的燃燒效率和速率,若燃燒不完全則會(huì)造成噴管的兩相流損失[2]、紅外信號(hào)增加、形成羽煙狀的氣體排出等缺陷;另外,鋁粉燃燒會(huì)產(chǎn)生三氧化二鋁殘?jiān)?如果殘?jiān)练e過(guò)多,一方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)防護(hù)絕熱層沖刷大,另一方面容易在噴管喉部產(chǎn)生沉積,影響內(nèi)彈道性能,這些都會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)劑實(shí)際比沖明顯低于理論計(jì)算值,嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率[3]。而低鋁含量推進(jìn)劑特征信號(hào)低,燃燒時(shí)少煙,兩相流損失小,對(duì)戰(zhàn)術(shù)武器隱蔽發(fā)射基地、改善射擊工作條件以及提高武器戰(zhàn)斗能力都是十分有利的,是推進(jìn)劑發(fā)展的新趨勢(shì)。因此,研究低鋁含量固體推進(jìn)劑,改善推進(jìn)劑燃燒狀態(tài),從而提高推進(jìn)劑固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率十分重要[4-6]。

本研究主要以鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HTPB推進(jìn)劑為對(duì)象探究其燃燒性能,研究了鋁粉含量及粒度、氧化劑級(jí)配對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響;對(duì)比了高、低鋁含量條件下推進(jìn)劑的能量水平,從配方組成角度分析了鋁粉含量對(duì)推進(jìn)劑燃燒效率的影響,以期為進(jìn)一步優(yōu)化推進(jìn)劑配方、調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃燒狀態(tài)來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原材料

高氯酸銨(AP,40～60目、6 ～8μm等),大連高佳化工有限公司;球形鋁粉(Al,29±3μm),鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司;端羥基聚丁二烯(HTPB),黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司;癸二酸二異辛酯(DOS酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.91%),天元航材(營(yíng)口)科技股份有限公司。

1.2 推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)

為追求綜合性能優(yōu)越的HTPB推進(jìn)劑,配方以減少鋁含量、調(diào)節(jié)固化網(wǎng)絡(luò)體系為主,優(yōu)化配方設(shè)計(jì),基礎(chǔ)配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:黏結(jié)體系8.9%～9.4%,氧化劑79%～82%,鋁粉5%,增塑劑DOS 3.0%,其他組分1.1%～3.6%。

為制備不同燃速的推進(jìn)劑,基于基礎(chǔ)配方,作出相應(yīng)調(diào)整:對(duì)于高燃速低鋁推進(jìn)劑,配方選擇卡托辛作為正燃速催化劑以提高燃速;對(duì)于低燃速低鋁含量推進(jìn)劑,配方調(diào)整選擇碳酸鈣作為負(fù)燃速催化劑以降低燃速,針對(duì)不同燃速要求,氧化劑級(jí)配也有所優(yōu)化。

1.3 制備方法

按比例稱取推進(jìn)劑組分,經(jīng)預(yù)混后加入立式混合機(jī)中,混合108min,真空澆注于方坯模具,50℃固化(144±2)h。

1.4 性能測(cè)試

按GJB770B-2005方法進(jìn)行水下聲發(fā)射法測(cè)試;按GJB97A-2020方法進(jìn)行BSFΦ75發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試;按GJB97A-2020方法進(jìn)行BSFΦ165發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 低鋁含量推進(jìn)劑工藝性能研究

對(duì)于低鋁含量推進(jìn)劑,在固含量一定的條件下,由于配方中能起到潤(rùn)滑作用的球形鋁粉含量少,固體填料大部分為細(xì)粒徑的氧化劑填料,可能會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)劑藥漿流動(dòng)性變差、黏度過(guò)高,從而導(dǎo)致裝藥過(guò)程中產(chǎn)生空洞、裂紋等缺陷[7],因此良好的工藝性能對(duì)推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥十分重要。為考察低鋁含量推進(jìn)劑的工藝性能,分別對(duì)高、低燃速推進(jìn)劑進(jìn)行工藝性能測(cè)試,并與鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%的常規(guī)推進(jìn)劑進(jìn)行對(duì)比,相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 不同鋁粉含量推進(jìn)劑工藝性能參數(shù)Table 1 Process performance parameters of propellants with different aluminum powder contents

由表1可知,對(duì)于低燃速推進(jìn)劑,低鋁含量推進(jìn)劑初始黏度為391Pa·s,3h內(nèi)增幅為148.08%;對(duì)于高燃速推進(jìn)劑,低鋁含量推進(jìn)劑初始黏度為519Pa·s,3h內(nèi)增幅為142.58%,與質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%鋁的推進(jìn)劑相比,低鋁含量推進(jìn)劑初始黏度較小,3h內(nèi)黏度增長(zhǎng)較快,流動(dòng)性較好,總體工藝性能較好。

結(jié)合工藝性能數(shù)據(jù)和實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的澆注情況,低鋁含量推進(jìn)劑初始黏度小,3h內(nèi)工藝性能良好,能滿足一般發(fā)動(dòng)機(jī)的澆注需求。

2.2 鋁粉含量對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響

為探究鋁粉含量對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響,以低燃速推進(jìn)劑為研究對(duì)象,分別采用BSFΦ75和水下聲發(fā)射法測(cè)試了相同固含量條件下,5%、12%、15%、18%鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的推進(jìn)劑在7MPa下的動(dòng)態(tài)燃速(r)和動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)(n,壓強(qiáng)范圍4～8MPa)。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 鋁粉含量對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 2 Effect of aluminum powder content on the combustion performance of the propellants

由表2可知,鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%升至18%,推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃速由5.82mm/s降為5.18mm/s,動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)沒(méi)有明顯變化。分析認(rèn)為,鋁粉含量增高,燃燒時(shí)釋放的熱量對(duì)推進(jìn)劑燃燒表面的熱反饋增加,燃速有增加的趨勢(shì);然而,一方面鋁粉的凝聚現(xiàn)象加劇,自身燃燒效率降低;另一方面,推進(jìn)劑中氧化劑的含量相應(yīng)減少,導(dǎo)致推進(jìn)劑中提供自持燃燒所需的氧含量降低,進(jìn)而影響推進(jìn)劑燃燒速率。綜合分析,兩種因素作用下,該配方的推進(jìn)劑燃速隨鋁粉含量的增加會(huì)有所降低,但降幅變小。

為驗(yàn)證鋁粉含量對(duì)推進(jìn)劑燃燒情況的影響,對(duì)不同鋁粉含量推進(jìn)劑進(jìn)行BSFΦ75標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燃燒過(guò)程如圖1所示,燃燒曲線如圖2所示。

圖1 BSFΦ75發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)Fig.1 Ignition and combustion test of BSF Φ 75 engine

圖2 BSFΦ75發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)p—t曲線Fig.2 p—t curves of BSF Φ 75 engine test

由圖1和圖2可知,鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、12%、15%、18%時(shí),0～0.1s內(nèi)均出現(xiàn)壓強(qiáng)急劇上升又下降形成的高峰,這是點(diǎn)火藥包燃燒產(chǎn)生的點(diǎn)火峰,為正常現(xiàn)象。其中,鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%、15%和18%的試驗(yàn)曲線在0.1～0.2s內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng),這是由于點(diǎn)火藥組分間配比不恰當(dāng)導(dǎo)致初始燃燒不穩(wěn)定,壓強(qiáng)產(chǎn)生波動(dòng),調(diào)整點(diǎn)火藥組分配比后,鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)曲線正常。發(fā)動(dòng)機(jī)在0.2s后均進(jìn)入燃燒平穩(wěn)段,該階段壓力升到最大,燃燒結(jié)束后壓強(qiáng)逐漸下降。總體來(lái)說(shuō),在8～10MPa下,5%鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)p—t曲線平穩(wěn),與鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～18%的推進(jìn)劑燃燒曲線有相同的變化趨勢(shì),說(shuō)明低鋁含量條件下推進(jìn)劑能穩(wěn)定燃燒,在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒情況無(wú)明顯變化[8]。

2.3 鋁粉粒度對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響

鋁粉粒度影響推進(jìn)劑燃燒性能[6,9]。分別以高、低燃速推進(jìn)劑為研究對(duì)象,固含量(S)一致,對(duì)不同粒度鋁粉的推進(jìn)劑采用水下聲發(fā)射法進(jìn)行燃速測(cè)試,其中低燃速推進(jìn)劑測(cè)壓范圍為1.0～6.0MPa,高燃速推進(jìn)劑測(cè)壓范圍為5.0～18.0MPa,結(jié)果見表3和表4。

表3 鋁粉粒度對(duì)低燃速推進(jìn)劑燃燒性能影響Table 3 Effect of aluminum powder particle size on the combustion performance of low burning rate propellants

表4 鋁粉粒度對(duì)高燃速推進(jìn)劑燃燒性能影響Table 4 Effect of aluminum powder particle size on the combustion performance of high burning rate propellants

對(duì)于低燃速推進(jìn)劑,隨著鋁粉粒徑減小,同一壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速有所升高,且壓強(qiáng)越高,燃速增幅越大。以D-1、D-2為例,在1、2、3、4、6MPa下,鋁粉粒徑由29μm降為13μm,推進(jìn)劑燃速分別增長(zhǎng)0.17、0.39、0.69、1.09、1.16mm/s,1～6MPa內(nèi)推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)也明顯增大。對(duì)于高燃速推進(jìn)劑,隨著鋁粉粒徑減小,同一壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速有所升高,燃速隨壓強(qiáng)增幅也增大:壓強(qiáng)由5.0MPa增大至18.0MPa,鋁粉粒徑為29、13、4、2μm的推進(jìn)劑燃速分別提高了5.19、5.22、5.70、5.97mm/s,5～18MPa內(nèi)推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)也有所增大。綜合分析,對(duì)于不同燃速、不同壓強(qiáng)下的推進(jìn)劑,鋁粉粒徑越小,推進(jìn)劑燃速越大,壓強(qiáng)指數(shù)越大。

分析認(rèn)為,推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中,鋁粉首先在推進(jìn)劑燃面熔化吸熱,同時(shí)發(fā)生燃燒氧化反應(yīng)進(jìn)一步放熱。由于鋁粉粒徑不同,在推進(jìn)劑燃面從凝聚至點(diǎn)火過(guò)程的燃燒行為不同,產(chǎn)生的熱效應(yīng)就會(huì)有所差別[10-11]。細(xì)鋁粉對(duì)推進(jìn)劑的燃燒性能影響較粗鋁粉大,這是由于細(xì)鋁粉有大的比表面,所以在凝聚過(guò)程中表面氧化放熱要大于粗鋁粉,增加了對(duì)燃面的熱反饋,加劇了氧化劑分解,因而使燃速增加,但同時(shí)細(xì)鋁粉燃燒表面形成的鋁液滴會(huì)增加,燃燒時(shí)在推進(jìn)劑燃面會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的凝聚行為[12],影響了推進(jìn)劑的燃燒行為,燃速受壓強(qiáng)變化的影響也會(huì)更加明顯。因此鋁粉粒徑減小,推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)都有所增大[1]。

2.4 推進(jìn)劑比沖效率研究

為探究低鋁含量推進(jìn)劑配方組成對(duì)能量釋放效率的影響,以鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的推進(jìn)劑為研究對(duì)象,對(duì)不同燃速的推進(jìn)劑進(jìn)行了BSFΦ165發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn),考察7MPa下推進(jìn)劑的實(shí)測(cè)比沖Isp1、理論比沖Isp2以及比沖效率η,并與常規(guī)鋁粉含量推進(jìn)劑能量進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同燃速推進(jìn)劑能量性能參數(shù)Table 5 Energetic performance parameters of propellants with different burning rates

由表5可知,對(duì)比試驗(yàn)1～6,推進(jìn)劑燃溫隨著鋁粉含量的降低而降低,氧系數(shù)隨著鋁粉含量的降低而升高;與鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和18%的推進(jìn)劑相比,鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的推進(jìn)劑密度明顯降低,7MPa下的理論比沖也較低。

對(duì)比試驗(yàn)1、試驗(yàn)4和試驗(yàn)5,對(duì)于低燃速推進(jìn)劑,低鋁含量推進(jìn)劑實(shí)測(cè)比沖為2387N·s/kg,比沖效率為97.3%;而15%和18%鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的推進(jìn)劑實(shí)測(cè)比沖分別為2422和2415N·s/kg,比沖效率比分別為95.1%和94%。對(duì)比試驗(yàn)2、試驗(yàn)3和試驗(yàn)6,對(duì)于中高燃速推進(jìn)劑,低鋁含量推進(jìn)劑實(shí)測(cè)比沖分別為2432和2465N·s/kg,比沖效率分別為97.8%和98.6%,18%鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的推進(jìn)劑實(shí)測(cè)比沖為2471N·s/kg,比沖效率為95.4%。結(jié)果表明,對(duì)于燃速相近的推進(jìn)劑,低鋁含量推進(jìn)劑實(shí)測(cè)比沖與常規(guī)鋁含量推進(jìn)劑實(shí)測(cè)比沖相近,且比沖效率更高。

分析認(rèn)為,鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),由于鋁粉含量不高,對(duì)燃溫的貢獻(xiàn)減少,因此燃溫較低;然而鋁粉的減少伴隨著AP含量的增多,AP成為推進(jìn)劑能量的關(guān)鍵因素,AP含量越高,氧系數(shù)越大,組分燃燒效率越高,能量損失越少,表現(xiàn)出來(lái)的比沖效率就越高,能達(dá)到97.3%及以上。隨著鋁粉含量的升高,一方面,推進(jìn)劑的燃溫升高,燃燒產(chǎn)物離解強(qiáng)度增大,能量損失增大;另一方面,鋁含量的增加使得燃?xì)庠趪姽芰鲃?dòng)過(guò)程中的散熱損失和摩擦損失等都有不同程度的增加,不利于鋁粉能量的充分發(fā)揮[13-14],從而導(dǎo)致推進(jìn)劑比沖效率降低[3]。

綜合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際能量數(shù)據(jù)分析,鋁粉含量降低雖然會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒能量的降低,但AP含量隨之提高帶來(lái)的氧系數(shù)升高足以彌補(bǔ)鋁粉含量減少對(duì)燃溫以及能量產(chǎn)生的影響,同時(shí)鋁粉的燃燒效率大大增加,發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖效率也會(huì)明顯提高?？傮w而言,低鋁含量推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際能量與常規(guī)鋁含量的發(fā)動(dòng)機(jī)相比無(wú)明顯差距,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體設(shè)計(jì)是有利的[15]。

3 結(jié) 論

(1)低鋁含量推進(jìn)劑工藝性能良好,適應(yīng)期長(zhǎng),能滿足一般發(fā)動(dòng)機(jī)的澆注要求。

(2)對(duì)于低燃速推進(jìn)劑,同一固含量條件下,低鋁含量推進(jìn)劑燃速較高,壓強(qiáng)指數(shù)沒(méi)有明顯變化。

(3)鋁粉粒徑對(duì)低鋁含量推進(jìn)劑的燃燒性能有一定的影響,對(duì)于不同燃速的低鋁含量推進(jìn)劑,隨著鋁粉粒徑減小,推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)都有所增大。

(4)8～10MPa內(nèi)低鋁含量推進(jìn)劑能穩(wěn)定燃燒。鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),與鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于15%的推進(jìn)劑相比,燃溫和理論比沖降低,氧系數(shù)升高,但鋁粉的燃燒效率增加,推進(jìn)劑的比沖效率明顯提高。7MPa下,對(duì)5%鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低鋁含量推進(jìn)劑,低燃速推進(jìn)劑實(shí)際比沖達(dá)到2387N·s/kg,比沖效率97.3%,高燃速推進(jìn)劑實(shí)際比沖達(dá)到2465N·s/kg,比沖效率98.6%。低鋁含量推進(jìn)劑的實(shí)際能量水平不低于常規(guī)鋁粉含量推進(jìn)劑的能量水平。