含CL-20的BAMO/THF固體推進劑能量特性及低特征信號

謝五喜，蔚紅建，張 偉，張亞俊，劉 春

(西安近代化學研究所，西安 710065)

戰術武器隱身技術是衡量其現代化水平的重要因素，對于戰略導彈或火箭彈來講，發射場地和平臺的隱蔽性及機動性提高后，推進劑的隱身對于整個導彈系統將顯得異常重要。一般講，戰術導彈在發射及飛行時，噴焰中的煙霧不僅有可見煙，而且還有紅外和紫外輻射，容易暴露導彈方位，也易被敵方攔截［1］;另一方面，在制導信號(微波、電磁波和激光)穿越噴焰和煙霧區時還會衰減和被干擾，從而嚴重地影響制導的精確性［2-3］。因此，研制具有低特征信號(既無煙又無焰)的新型推進劑是當代固體推進劑發展的一個重要方向。

含硝酸酯增塑的疊氮聚醚型粘合劑(如GAP、BAMO、BAMO/THF 等)的復合固體推進劑是近年發展起來的新型固體推進劑，是未來導彈使用的能量高、低溫力學性能好的一種推進劑［4］。一般地講，疊氮推進劑在保證其優良的力學性能前提下，進一步提高體系能量的途徑是改變配方中其他含能材料的種類和比例。已有的研究表明［5-14］，CL-20 作為一種新型高能氧化劑，由于其物理化學性能及結構上的穩定性，及其結構中不含鹵素，在高能低特征信號固體推進劑研制方面具有很重要的應用價值。本文以含奧克托今(HMX)的BAMO/THF 推進劑為基礎配方，用部分CL-20 替代原配方中的HMX、AP、Al 粉，通過計算研究了CL-20 代替推進劑配方中HMX、AP、Al 時推進劑配方的能量特性和特征信號，以期改進和優化配方。

1 實驗方法及說明

采用White 的最小自由能法計算和評定系統的化學平衡成分組成及相應的能量特性。文中主要以理論比沖(ISP)、燃燒溫度(TC)、特征速度(C*)及體系氧燃比等參數來表征和評價推進劑的能量特性。ISP值為膨脹壓力比PC/P為100/1 時的理論比沖;在設計的配方中若未特別注明組成時，均為采用下述配方組成:①增塑劑為TEGDN ，粘合劑為BAMO/THF(50/50);②配方中增塑劑用量(PL)與聚合物用量(PO)之比PL/PO為1.0;③全配方中固含量為72%，功能助劑為1.9%，其余為粘合劑體系。

2 數據分析與討論

2.1 Al 粉含量對BAMO/THF 基固體推進劑能量特性的影響

首先計算了含與不含AP 時Al 粉含量對BAMO/THF 基固體推進劑能量特性的影響。表1 中計算結果為Al 粉和HMX 含量互相變化，固定AP 含量為10%，其他組分含量不變。表2 中計算結果為Al 粉和HMX 含量互相變化，AP 含量為0%，其他組分含量不變。

由表2 中數據可以看出隨配方中鋁粉含量增加，推進劑比沖增加明顯。作為能量特征參數的特征速度和燃燒溫度也都有明顯增加。由表1 中數據可以看出，當固定AP 含量為10%不變時，隨鋁粉含量從10%降到0，HMX 含量從52%增加到62%時，推進劑的比沖從2 641.9 N·s·kg-1降到2 445.60 N·s·kg-1，降幅達7.4%，特征速度和燃燒溫度也有大幅下降。當配方中不含AP 時，表2 中數據同表1 中數據比較可以看出，相同含量Al 粉時，添加AP 對推進劑比沖有正的影響作用，即為了得到高能量，必然會犧牲推進劑的特征信號性能。為了近一步比較CL-20 對推進劑能量性能的影響，計算了不含AP 時含CL-20 推進劑體系的能量性能，計算結果見表3。

表1 Al 粉含量對HMX/BAMO/THF 推進劑體系能量的影響( AP=10%)

表2 HMX 推進劑體系能量水平受鋁含量的影響( AP=0%)

表3 CL-20 推進劑體系能量水平受鋁含量的影響( AP=0%)

比較表3 和表2 中數據可以看出，含CL-20 的推進劑體系同含HMX 的推進劑體系相比，含CL-20 的推進劑體系有更高的比沖。Al 粉含量10%時，含Cl-20 的推進劑體系的比沖比含HMX 的推進劑體系的比沖高27.71 N·s·kg-1，不含Al 粉時，比沖則高110.34 N·s·kg-1;比較表3 和表1 中數據可以看出，含AP 的HMX 推進劑體系的比沖與不含AP的CL-20 推進劑體系的比沖值相比，在相同Al 粉含量時，含CL-20 的推進劑的比沖仍然高出含AP 的HMX 推進劑體系的比沖許多，計算結果說明了在BAMO/THF 基推進劑中添加CL-20 是實現高能低特征信號推進劑的一條可行的技術途徑。

以上數據也表明，CL-20 比HMX 對配方體系的能量有較大貢獻，而且在配方凋整過程中在能量上顯示出較強的緩沖能力，即對CL-20 體系而言，配方中其他小組分含能材料含量的變化，對體系能量水平的影響較HMX 體系來得要小。這就意昧著該體系具有較大的配方調整空間。

2.2 燃速催化劑對含CL-20 低特征信號推進劑能量水平的影響

燃速催化劑在固體推進劑配方中含量通常在2%左右，其含量雖然很少，但其對推進劑的燃燒性能調節過程 中卻起著非常重要的作用，因此本文也計算了不同燃速催化劑對CL-20/BAMO/THF 基能量特性的影響，計算結果列于表4。其中A 為碳酸鉛，B 為氧化銅，C 為五氧化二釩，D 為氧化鉛，E 為C.C，F 為硬脂酸鉛，G 為卡托辛，H 為雙金屬鹽，I 為NTO-Pb，括號中數字為其百分含量，均為外加。

由表4 中數據可看出，不同的燃速催化劑對推進劑能量性能影響不同。相同含量催化劑含量時，以NTO 鉛鹽催化劑對推進劑能量性能影響最小，這主要是因為NTO 鉛鹽為含能催化劑的緣故，其次是氧化鉛。根據以往的研究，在一定的配方范圍內，催化劑種類對少鋁體系的能量水平的影響比多鋁體系還要大，而且鋁含量越低，對CL-20/PbO 這種組合變化對體系能量特性的影響越明顯。因此計算了不同氧化鉛含量時推進劑能量水平，見表5 中數據。由表中數據可看出，當鋁含量為8%時，氧化鉛含量從2%降到1%再降到0.5%至0.1%，其理論比沖依次為2 653.10 N·s·kg-1到2 660.14 N·s·kg-1再到2 668.72 N·s·kg-1和2 672.37 N·s·kg-1，同空白推進劑配方相比，比沖分別降低了21.35 N·s·kg-1、14.24 N·s·kg-1、6.06 N·s·kg-1和2.01 N·s·kg-1，燃燒室溫度變化不明顯，特征速度降低約11.93 m/s;由于鋁又是調節推進劑燃燒性能的有效成分，因此在配方中還不能太少。一般說來，對于其他黏合劑體系和NEPE類的推進劑，由于含有大量硝胺組分，使其壓力指數偏高，限制了其應用范圍，但BAMO/THF 體系推進劑不僅具有能量高、寬溫帶力學性能好的特點，還能降低含硝胺組分的壓力指數(含45%的硝胺其沒有催化劑時，n3-11為0.53)，但它降低推進劑的燃速，因此積極尋求提高推進劑燃速的途徑，已成為BAMO/THF 推進劑研究中的一個重要任務。

2.3 AP 對能量特性和特征信號性能的影響

AP 通常是造成推進劑特征信號的主要原因，因此為研制高能低特征信號的推進劑，在推進劑配方設計時考慮應當少用AP 或不用AP，由前所述，CL-20 為新的高能氧化劑，因此用CL-20 部分或全部取代原配方中AP 時，固定Al 粉含量不變，通過計算考察了CL-20 對推進劑體系能量性能燃燒產物的影響，結果見表5。

表4 燃速催化劑對含CL-20 推進劑能量特性的影響

表5 AP 含量對CL-20 低特征信號體系綜合性能的影響

從表5 可以看出，當Al 含量為8%時，配方L-3 至L-8，對應著AP 含量從10% 逐漸減少至0%，CL-20 含量從54%提高至64%，ISP降低了近15 N·s/Kg;C*降低了22 m/s(比基礎配方降了10 m/s)，但更為重要的是燃氣產物中HC1 含量則大大降低，從0.852 kg/mol 降至0.170 kg/mol(2%的AP)而后為0，這大大降低了白色煙霧產生的可能性;三原子產物H2O、CO2的總含量比HMX 少鋁體系相應減少，并且總含量大大減少，這使燃氣對紅外輻射的衰減大大減弱;燃燒室燃氣平均分子量有所減少，相應的N2量增大，而CO 和H2量是先增后減，但總的成氣能力還是增加的，這些都有利于提高推進的能量;雖然CO、H2還原性氣體量稍有增大，且表中氧燃比從0.433 減至0.397，但還不致于使推進劑不完全的燃燒現象加劇，從而導致黑煙產生。由于推進劑氣相放熱的本質是氧化劑的富氧熱分解產物與燃料間的氧化還原反應，因此在推進劑固體含量不變的情況下，提高高能氧化劑CL-20 含量以部分取代HMX、AP 及Al，可顯著提高推進劑的能量水平，而且在一定程度上還可緩解降低特征信號與提高能量及其他綜合性能之問的矛盾。通過綜合比較，為研制高能低特征信號地固體推進劑，認為用CL-20取代基礎配方中大部分AP 是一條可行技術途徑。

3 結論

1)在BAMO/THF 推進劑原基礎配方中用CL-20 取代HMX，同時降低鋁和高氯酸銨含量，在大幅度提高推進劑的能量特性的同時，降低特征信號的綜合方案是可行的。

2)計算結果表明，在低鋁含量配方中:①對于基礎配方(低鋁水平6% ～10%)中，CL-20 替代HMX，理論比沖提高41.45 N·s/kg 左右，漲幅為1.57%;這對提高戰略導彈的射程和速度非常有利;②當Al 粉含量在8%水平時，CL-20 進一步替代配方中AP，C*有所提高;而且燃氣產物中HCI 含量大大降低，因而在某種程度上可以緩解降低特征信號與提高能量及其他綜合性能之間的矛盾;③在調整配方過程中CL-20 體系在能量上顯示出較強的緩沖能力，表明該配方體系較HMX 體系具有較大的配方調整空間。

3)在一定的配方范圍內，鉛鹽含量對少鋁體系的能量水平的影響比多鋁體系要大，而且鋁含量越低，CL-20/PbO這種組合的變化對體系能量特性的影響越明顯。

［1］張海燕. 新型高能氧化劑CL-20［J］. 飛航導彈，1999(7):44-47.

［2］張瑞慶.固體火箭推進劑技術［M］.北京:兵器工業出版社，1986.

［3］侯林法.復合固體推進劑［M］.北京:宇航出版社，1994.

［4］譚惠民.高能推進劑的發展方向——NEPE 推進劑［J］.北京理工大學學報，1995，15(6):1-7.

［5］鄭劍.新型含能材料——CL-20［J］.推進技術，1994(1):65-69.

［6］馮增國.候竹林，譚惠民.新一代高能固體推進劑的能量分析［J］.推進技術，1992(6):66-74.

［7］鄭劍.美國高能量密度材料研究進展［J］.固體火箭技術，1991(4):21-25.

［8］Fred Volk，Hdmm Batheh. Influence of energetic materials on energy output of propellants［J］. Propellants Explosives Pyrotechnics，1997(22):120-128.

［9］Doriath C. Energetic insensitive propellants for solid and ducted rockets［J］. Energetic Journal of Propulsion and Power，1995，11(4):870-882.

［10］Mueller D.New gun propellant with CL-20［J］.Propellants，Explosives，pyrotechnics，1999(24):176.

［11］田德余，劉劍洪.化學推進劑計算能量學［M］.長沙:湖南科技出版社，1999.

［12］劉劍洪，田德余，趙彥暉.二硝酰胺鍍推進劑的能量特性［J］.火炸藥學報，2000，23(2):1-5.

［13］田楠，譚惠民.NEPE 固體推進劑能量水平的分析［J］.北京理工大學學報，1992，15(6):81-88.

［14］張煒，朱慧.固體推進劑性能計算原理［M］.長沙:國防科技大學出版社，1996.