添加劑種類及添加比例對KNDX推進劑燃燒性能的影響

摘要：研究了常壓下9種添加劑對KNDX推進劑燃燒性能的影響，并從中挑選出3種效果較好的添加劑。模擬固體火箭發動機工作時推進劑的燃燒情況，研究了選出的3種添加劑的添加比例對KNDX推進劑燃燒性能的影響。結果表明，不同添加劑和添加比例對KNDX推進劑燃燒性能都有明顯影響，添加5%鎂粉或1%草酸亞鐵的KNDX推進劑燃速、溫度和比沖等性能最佳。

關鍵詞：改性KNDX推進劑 添加劑 燃燒性能

引言

硝酸鉀-葡萄糖復合推進劑（KNDX）是由硝酸鉀（KN）和葡萄糖（DX）為主要原料制成的推進劑。因為其原料價廉易得、制作簡單方便、貯存安全穩定，并且有較完備的推進劑性能參數可用于內彈道模擬和火箭設計，所以被廣泛應用。然而KNDX推進劑比沖不高，可以通過添加少量添加劑來有效調節該推進劑的燃燒性能。針對這種情況，本文通過實驗測試并分析了各種添加劑和添加比例對KNDX推進劑燃燒性能的影響。

1.實驗

KNDX推進劑樣品的制備：將硝酸鉀和葡萄糖固體分別粉碎并過篩，按質量比65：35稱取硝酸鉀和葡萄糖，并混合均勻，再次過篩，用變色硅膠干燥推進劑，并密封保存。

常壓下推進劑燃燒實驗：將碳酸鈣和9種添加劑分別添加3%和5%在KNDX推進劑中制成20種改性KNDX推進劑（其中添加碳酸鈣的2種為對照組）。將20種改性KNDX推進劑和未改性的KNDX推進劑分別燃燒，測試其燃速、溫度、燃面和殘渣量等數據。

一定壓強下推進劑燃燒實驗：將草酸亞鐵、二茂鐵和鎂粉3種添加劑分別添加1%、2%、3%、4%和5%在KNDX推進劑中制成15種改性KNDX推進劑。將15種改性KNDX推進劑和未改性KNDX推進劑裝入自行設計的燃燒裝置中，模擬發動機工作時推進劑的燃燒情況，測試其燃速、溫度和比沖等性能數據。

2.結果與討論

（1）添加劑種類對KNDX推進劑燃燒性能的影響。結果表明，添加二茂鐵、鎂粉、草酸亞鐵、乙酸鉛、升華硫、氧化鐵和氧化銅可以有效地改善推進劑燃燒性能，使推進劑在燃燒時溫度更高、燃速更快、殘渣更少；添加鋁粉和碳粉對KNDX推進劑的燃燒無明顯改變；添加碳酸鈣會降低推進劑的燃燒性能。添加不同種類的添加劑，性能改善的情況也不同，燃速調節劑（例如草酸鹽、二茂鐵和鉛、銅的氧化物及其鹽）主要提高推進劑的燃速，金屬可燃劑（例如鎂粉、鋁粉等）主要提高推進劑的燃溫和比沖。

（2）添加比例對KNDX推進劑燃燒性能的影響。本文測試了不同添加比例的草酸亞鐵、二茂鐵和鎂粉的改性KNDX推進劑的燃燒性能。實驗結果表明，同一種添加劑的添加比例對KNDX推進劑燃燒性能影響較大。

（3）草酸亞鐵對KNDX推進劑燃燒性能的影響。KNDX推進劑的性能隨草酸亞鐵添加比例的不同而有不同程度的改變，實驗數據見表1。結果表明，添加1%時，發動機模擬裝置性能取得最大改善，隨著草酸亞鐵添加比例的增加，發動機平均推力、最大推力和推進劑比沖都有下降的趨勢。添加1%草酸亞鐵的推進劑線性燃速增加了70%以上，在燃燒時質量流量更加穩定，但后期仍有輕微喘燃現象。添加1%草酸亞鐵的KNDX推進劑燃燒溫度明顯升高，噴管出口處的氣體溫度從未改性的420℃上升到了620℃。

（4）二茂鐵對KNDX推進劑燃燒性能的影響。實驗數據見表2。結果表明：在常壓下添加二茂鐵對KNDX推進劑產生了良好的燃速調節效果，但在模擬發動機工作的較高壓強下，添加二茂鐵的效果并不理想，有明顯的喘燃現象。發動機模擬裝置的各項性能隨二茂鐵添加比例的增加而有所改善，在所測的5種添加比例中，添加5%的KNDX推進劑取得了最好的效果，但相對于其他添加劑仍不理想。添加5%二茂鐵后，推進劑線性燃速增加了60%以上，發動機推力和推進劑比沖都隨著二茂鐵添加比例的增加有相對較大的改善。

（5）鎂粉對KNDX推進劑燃燒性能的影響。實驗數據見表3。結果表明：改性KNDX推進劑各方面的性能都隨著鎂粉添加比例的增加而穩步提高。在1%-5%的添加比例范圍內，鎂粉的添加比例越大，對KNDX推進劑的改善效果就越明顯。當添加5%鎂粉后，發動機質量流量和推力明顯穩定，幾乎沒有喘燃現象，線性燃速增加了一倍多。因為鎂粉燃燒放熱量大，能量輸出高[1]，推進劑燃燒溫度和亮度有了大幅度的提高，所以添加鎂粉可以為火箭發動機提供閃亮的尾焰。但隨著燃氣溫度的增高，所需防熱層也越厚[2]，在本文實驗中，發動機模擬裝置的燃燒室會因高溫而受損。

3.結論

（1）不同的添加劑和不同的添加比例對KNDX推進劑燃燒性能有較大影響，并與燃燒環境壓強的大小有關。

（2）在常壓開放環境下，添加比例為3%或5%的添加劑對KNDX推進劑的改善效果為：二茂鐵>鎂粉>草酸亞鐵>乙酸鉛>升華硫>氧化鐵>氧化銅>鋁粉>碳粉>不添加>碳酸鈣。二茂鐵、鎂粉和草酸亞鐵對KNDX推進劑燃速、溫度、燃面和殘渣量有較大改善。

（3）在發動機模擬裝置工作的一定壓強下，添加劑對KNDX推進劑的改善效果為：5%鎂粉>1%草酸亞鐵>5%二茂鐵>不添加。

參考文獻：

[1] 潘功配.高等煙火學[M].哈爾濱工程大學出版社，2007.63-64

[2] 方蘭，馮祖鉞，付全如，等.探空火箭設計[M].宇航出版社，1993.298-299

[3] 陸殿林，樊學忠，孫玉坤，等.XXLDB推進劑燃燒性能研究[J].火炸藥學報，2001，（4）：50-51

（本文作者為江蘇省南菁高級中學在讀學生，業余火箭愛好者）endprint