AF－315液體單元推進劑高壓燃速的實驗研究

潘玉竹，余永剛，張 琦

（南京理工大學 能源與動力工程學院，南京210094）

液體單元推進劑在火箭發動機、戰略導彈姿態控制發動機、彈道導彈攔截系統、飛機輔助動力裝置以及火炮發射等領域都有廣泛的應用[1～5].考慮到環保、安全性和經濟性，人們致力于尋找廉價、無毒、無污染以及高比沖的液體推進劑.肼類燃料由于存在毒性大、比沖低等缺陷，逐漸被HAN基液體單元推進劑所代替.近年來，美國空軍在HAN基液體單元推進劑的研究基礎上，主導開發了AF－315系列液體單元推進劑[6].與普通的 HAN基液體單元推進劑相比，AF－315液體單元推進劑有著顯著的優勢：①穩定性比 HAN－硝酸酯－水系列單元推進劑好；②密度比HAN－醇－水系列單元推進劑大；③在比沖一定的情況下，比 HAN－醇－水、HAN－硝酸酯－水系列單元推進劑點火溫度低、絕熱燃燒溫度低.AF－315液體單元推進劑是由硝酸羥氨（HAN）、羥乙基肼硝酸鹽（HEHN）及水組成的混合物，通過改變各組分的質量分數可以得到不同型號的AF－315單元推進劑，其中最常用的一種主配方為44.5%的HAN、44.5%的HEHN及11%的水.

針對HAN基液體推進劑難以被點燃的特點，FOKEMA[7]采用六鋁酸鋇（BHA）載體制備出的SHELL－405催化劑，研究了AF－315的催化分解情況，測試出AF－315的點火溫度為123℃.FORTINI等人[8]在BHA載體基礎上開發了以稀土氧化物為主，且熱穩定更好、具有催化作用的載體，并將自制催化劑用于AF－315的點火實驗中，對點火溫度、點火速度和燃氣最高溫度進行了研究.HAWKINS等人[9]通過一系列的終極危險分類（FHC）實驗，考察了AF－315的安全性、穩定性和毒性.而針對 AF－315液體單元推進劑燃速研究的相關文獻，目前未見公開報道.

VOSEN[10]、MABRATNEY[11]及 CHANG[12]采用高速攝影方法，研究了凝膠狀HAN基液體推進劑LP1846在線狀燃燒器中的燃燒特性，高壓環境是通過逐級加壓氮氣來實現的.本文設計了一種測量AF－315液體推進劑高壓線燃速的實驗裝置，利用固體火藥燃燒產生高壓環境，并通過引入特種包覆火藥來維持一個近似的恒壓環境，以代替國外同類型實驗中的氮氣壓力源.利用此實驗裝置，測量了AF－315液體單元推進劑在29.4～55.0 MPa壓力范圍內的表觀線燃速.

1 測量裝置

1.1 裝置結構和工作原理

本實驗的測量裝置示意圖如圖1所示，它主要由上部的高壓環境產生室和下部的液體推進劑線狀燃燒器2部分組成.高壓產生室里面裝有點火藥、固體主燃火藥和特種包覆火藥，線狀燃燒器里面裝滿AF－315液體單元推進劑，其側壁上裝有4個離子探針傳感器.高壓產生室和線狀燃燒器的壓力分別由2個壓電傳感器實時測量.裝置的上、下2部分之間是一個壓力傳遞機構，它一方面可以把高壓產生室的壓力傳遞給線狀燃燒器中的液體推進劑，另一方面可以起到點火延遲的作用.

實驗時，先由脈沖放電器放電點燃點火藥，再引燃主燃火藥.當高壓產生室達到最大壓力后，特種包覆火藥開始燃燒，以維持近似恒壓環境.固體火藥燃燒產生的燃氣沿著壓力傳遞機構的內部孔道流動.內孔通道的迷宮設計使得燃氣在流動過程中改變了兩次方向，才最終流向可燃介質，而不是直接沖擊可燃介質.這樣做的目的是使氣流速度降低，減弱氣流對可燃介質的沖擊損傷，提高壓力傳遞和點火延遲的可靠性.可燃介質的側面經過鈍感阻燃處理，其燃燒只沿著軸向進行.另外，由于可燃介質中間圓柱段的端面與機構本體的圓柱臺階面之間留有間隙，所以在壓力作用下可燃介質會稍向下運動，與線狀燃燒器中的液面相接觸.當可燃介質的錐狀頭部燒完之后，剩余的可燃介質相當于一個浮動的活塞，使得高壓產生室和線狀燃燒器中的壓力基本相同.

圖1 測量裝置示意圖

當壓力傳遞機構中的可燃介質燒完后，燃氣從高壓產生室進入線狀燃燒器，點燃AF－315液體單元推進劑.由于可燃介質燒完之前，高壓產生室和線狀燃燒器中的壓力基本相同，所以液體推進劑在被點燃之后不會飛濺.這樣AF－315液體推進劑開始燃燒，火焰向前傳播.實驗時，4個離子探針傳感器都與測時儀連接起來.當火焰面傳播到圖1所示最上面的離子探針傳感器時，第一個導通信號產生，并且被傳送到測時儀.當火焰面到達第二個離子探針傳感器時，測時儀接收到第二個導通信號，并顯示出這2個導通信號的時間間隔.從安裝在線狀燃燒器上的壓電傳感器記錄的壓力曲線圖中，找出這段時間所對應的壓力區間，計算出平均壓力，再結合相鄰2個離子探針傳感器的間距和導通時間，即可算出AF－315液體推進劑在平均壓力下的表觀線燃速.

1.2 維持高壓環境的方法

測量裝置中，高壓產生室里的復合藥包中裝有3種火藥，即硝化棉點火藥、固體主燃火藥（5/7）和特種包覆火藥.實驗時，先由點火藥包點燃主燃火藥，高壓產生室內壓力迅速上升，并通過壓力傳遞機構傳遞給線狀燃燒器中的AF－315液體推進劑.

高壓產生室的最大壓力由主燃火藥的裝藥量決定.在定容燃燒的情況下，考慮到火藥燃氣溫度和壓力都很高[13]，可采用諾貝爾－阿貝爾氣體狀態方程，即

式中，p為壓力；T1為爆溫；α和v分別為火藥氣體的余容和比容，比容v可表示為

式中，ω、ωYR分別為主燃火藥的裝藥量和已燃質量；ρ0為主燃火藥的密度；V0為密閉容器的容積.

為了推導方便，在這里引入了3個參量，分別為火藥的已燃百分數ψ、裝填密度Δ和火藥力f，分別為ψ＝ωYR/ω，Δ＝ω/V0，f＝RT1.

結合上述參量和方程（1），則火藥氣體的狀態方程變為

當主燃火藥燃燒結束，即ψ＝1時，密閉容器內壓力達到最大值，即

由于密閉爆發器是用鋼制造而成的，在高溫、高壓的火藥氣體作用下，器壁必然從燃氣中吸收一部分熱量，同時還要發生彈性變形.因此，壓力損失主要來自于2個方面，即熱散失和彈性變形.在本文實驗壓力條件下，密閉爆發器容積的相對增加量很小，因此可以忽略彈性變形的影響.但是，由于熱散失所導致的壓力損失必須考慮.

一般情況下，熱散失導致的壓力損失可以表示為[14]

式中，S為密閉容積的內表面積；tk為火藥的燃燒結束時間；bn為多項式系數，由實驗數據擬合得到.

主燃火藥燃燒結束之后，密閉容器內壓力達到最大值pmax.此時由于熱散失的緣故，密閉容器內壓力會逐漸下降.為了維持容器內的近似恒壓環境，在高壓產生室中事先引入了特種包覆火藥，其側面經過包覆阻燃處理.當主燃火藥燃燒時，包覆火藥由于側面包覆層的覆蓋，燃燒掉的只是包覆層.當主燃火藥燒完之后，特種包覆火藥才開始燃燒.與方程（3）的推導過程類似，特種包覆火藥燃燒產生的壓力為

式中物理量的上標表示特種包覆火藥，且各物理量含義與方程（3）中各物理量相對應.

針對特種包覆火藥，選擇合適的藥形與弧厚，使其燃燒產生的壓力能夠補償熱散失造成的壓降，從而使密閉容器內壓力保持近似恒定，以維持液體推進劑在近似恒定高壓環境下燃燒.

1.3 實驗樣品

本實驗中所用的AF－315液體單元推進劑樣品由中科院上海有機所提供.

2 實驗結果與數據處理

2.1 實驗結果

在實驗中，由2個壓電傳感器實時測量得到的高壓產生室及線狀燃燒器內的典型壓力曲線如圖2所示.

圖2 典型p－t曲線圖

從圖2可以看出，硝化棉點火藥包被點燃之后，壓力迅速上升，且點火壓力約10 MPa.之后主燃火藥開始燃燒，壓力繼續上升.在壓力達到最大值之前，2條曲線基本重合，這表明壓力傳遞機構把高壓產生室內的壓力傳遞到線狀燃燒器內.當容器內壓力達到最大值之后，壓力傳遞與點火延遲機構中的活塞狀可燃介質燒完，火藥燃氣從高壓產生室進入線狀燃燒器，點燃AF－315液體單元推進劑.

因此，將壓力曲線達到最大值時刻作為測試AF－315液體推進劑線燃速的起點.由測時儀測出相鄰2個離子探針傳感器的導通時間，并在p－t圖中找出對應的壓力區間，計算出導通時間內的平均壓力.根據相鄰離子探針傳感器的間距和導通時間，即可算出液體推進劑在此平均壓力下的表觀線燃速.調整密閉容器內的壓力值，則可獲得AF－315液體推進劑在不同環境壓力下的表觀線燃速.實驗測量數據如表1所示，u為表觀線燃速.考慮到探針的距離偏差，測量誤差為5%.

表1 AF－315表觀線燃速測量數據

2.2 數據處理

考慮到液體推進劑燃速與壓力的關系表達式應用最廣泛的是指數形式，根據表1中的數據，以lnp為橫坐標，lnu為縱坐標作圖，如圖3所示.在所研究的壓力范圍內，從lnu－lnp圖中看出存在兩段不同斜率的直線，即低壓段（29.4～43.1MPa）直線和高壓段（43.1～55.0 MPa）直線.采用最小二乘法，即可分別擬合出AF－315液體推進劑在29.4～43.1MPa及43.1～55.0 MPa壓力范圍內表觀線燃速的經驗公式，即

圖3 lnu－lnp關系曲線

與典型的凝膠狀HAN基液體單元推進劑LP1846相比，在所研究的壓力范圍內，AF－315液體單元推進劑有著明顯不同的燃速特性.VOSEN[10]的實驗結果表明，在33.3～34.0 MPa范圍內，凝膠LP1846的表觀線燃速為（27.3±0.6）mm/s.而根據本文實驗數據擬合的經驗公式，AF－315液體推進劑在同樣區間的表觀線燃速為112.5～113.0mm/s，燃速約為凝膠LP1846的4.1倍.MCBRATNEY[11]針對含2%凝膠劑的LP1846在46～57 MPa內表觀線燃速的測量結果為25.0～28.4mm/s.而本文中AF－315液體推進劑在43.1～55.0 MPa內的線燃速范圍為118.39～218.70mm/s，約為凝膠LP1846燃速值的4.7～7.7倍.

3 結論

本文設計的AF－315液體單元推進劑高壓線燃速測量裝置的原理可行，可以進行AF－315等多種液體單元推進劑高壓表觀線燃速的測量.

AF－315液體單元推進劑在29.4～43.1 MPa范圍內，表觀線燃速與環境壓力的關系式為u＝53.946 9p0.2097；在43.1～55.0 MPa范圍內，其關系式為u＝7.710 5×10－3p2.5586.

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