AP的聚集對CTPB推進劑端燃藥柱邊界效應的影響①

杜 芳，喬應克，肖金武，李 冰，張運剛，羅 薇

(中國航天科技集團公司四院四十二所，襄陽 441003)

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AP的聚集對CTPB推進劑端燃藥柱邊界效應的影響①

杜 芳，喬應克，肖金武，李 冰，張運剛，羅 薇

(中國航天科技集團公司四院四十二所，襄陽 441003)

為考察AP的聚集對端燃藥柱燃燒邊界效應的影響，以CTPB推進劑端燃藥柱為研究對象，從藥柱剖切面的中心到邊界進行等距取樣，分別采用GJB 770B—2005和SEM-EDS測試了不同部位試樣的燃速和Cl元素含量(代表AP含量)。結果表明，在藥柱剖切面上，燃速由中心向邊界逐漸增加，呈現出典型的燃速邊界效應；同樣，AP含量也由中心向邊界逐漸增加，表明燃速邊界效應是由AP含量分布不均造成的。澆注方式對端燃藥柱燃速邊界效應具有明顯影響，采用全燃面澆注方式可以消除藥漿澆注過程中側向流動導致的AP含量分布不均的現象，從而弱化燃速邊界效應，有助于提高端燃藥柱的燃燒穩定性。

端面燃燒；AP；聚集；澆注方式；邊界效應

0 引言

在端面燃燒的固體火箭發動機中，由于推進劑/絕熱層界面處的推進劑燃速高于藥柱中心區推進劑燃速[1]，存在藥柱燃面出現錐面的現象，即所謂燃速的邊界效應。此時，由于藥柱呈錐面燃燒，發動機的工作壓強和推力將增大，其有效工作時間縮短[2]，同時也會使燃燒殘藥量增大，壓強下降段的拖尾時間延長，導致發動機工作參數偏離設計值，給發動機性能預估帶來困難，最終影響導彈的射程和命中精度。

引起燃速邊界效應的原因一般有界面應力、界面傳熱、液體組分遷移和固體組分聚集等[3-6]。本文針對端燃藥柱出現錐面燃燒現象，以CTPB推進劑端燃藥柱為研究對象，采用測燃速、SEM-EDS測Cl元素，證實澆注過程藥漿流動引起出現錐面燃燒現象，提出了可行的全燃面澆注方法。

1 試驗

1.1 試樣制備

推進劑配方的基本組成：CTPB粘合劑體系，18.3%；氧化劑AP，42.5%；降溫劑JW1，37.5%；功能助劑1.7%。推進劑藥柱制備工藝采用VKM-5立式混合機混合、真空澆注、60 ℃固化成型。

采用圖1所示的2種澆注方式制備以NBR為包覆層的藥柱試樣，尺寸為φ156 mm×200 mm。

剝下包覆藥柱上的包覆層，從藥柱中間部位取出一塊推進劑試樣(如圖2所示的陰影部分)，以所取的推進劑試樣的中部(對應包覆藥柱的中心點)為基準，向兩邊均勻切片(如圖3所示)，記錄各切片到藥柱中心點的距離，隨后按GJB 770B—2005標準制樣，測試每一片試樣的燃速。

圖3 藥塊切片制樣示意圖Fig.3 Sketch of propellant sample slice

1.2 測試表征

靜態燃速采用WAE2000固體推進劑燃速測試儀測試，測試方法參照GJB 770B—2005執行。

2 實驗結果及討論

2.1 端燃藥柱燃面的燃速分布規律

采用前述1.1節的方法，分別對2種澆注方式制備的藥柱試樣進行取樣和制樣，測試7 MPa下燃速r7MPa，將切片到藥柱中心點的距離記為L，并做出r7MP-L關系圖，結果見圖4。

圖4 不同澆注方式制備的藥柱燃速分布Fig.4 Burning rate distribution under different casting methods

由圖4可見，2種澆注方式制得藥柱的燃面燃速分布明顯不同，對于全燃面澆注方式，僅在近界面層約10 mm范圍存在燃速升高現象，界面區域與中心區域燃速之比約為1.03∶1，其余燃面范圍的燃速變化較小，在2.45 mm/s左右正常波動。而對于中心澆注方式(見圖1)，僅在澆注花板覆蓋的燃面區域，即距藥柱燃面中心約30 mm以內區域的燃速變化較小，在2.33 mm/s左右正常波動，其余區域由近藥柱中心向推進劑/絕熱層界面，明顯存在燃速逐漸升高的趨勢，且在近界面層約10 mm范圍燃速升高幅度更大，其界面區域與中心區域燃速之比約為1.14∶1，明顯高于前述的全燃面澆注方式。

以上試驗結果表明，CTPB推進劑端燃藥柱的燃面存在燃速的邊界效應，澆注方式不同，邊界效應大小有別。結合相關文獻[6-8]，初步分析認為，上述現象可能與AP在燃面不同部位含量不同有關，而澆注方式會影響氧化劑AP在藥柱燃面范圍內的分布。

2.2 AP引起邊界效應的機理分析

為證實在所研究的CTPB推進劑端燃藥柱燃面是否存在AP含量分布問題，以中心澆注藥柱為研究對象，采用SEM-EDS連用儀器觀察了其燃面不同區域取樣的表面形貌，并測試了Cl元素的含量。試樣取自圖4中的區域1、4、7、10，試驗結果見圖5和圖6。

由圖5可見，綠色團塊代表Cl元素，由于推進劑中Cl元素來自氧化劑AP，通過綠色團塊多少可定性判斷出AP含量的高低；不同部位推進劑試樣中AP的分布是不均勻的，由燃面中心點向界面區，灰色團塊明顯增多，表明AP含量越高。在掃描電鏡下可觀察到有白色的固體小顆粒在不斷的“跳動”，并在不同的試樣中“跳動”的小顆粒的多少為：10>7>4>1，分析認為不斷“跳動”的小顆粒為細粒度的AP。

由圖6可見，峰的高低代表氯元素相對含量的高低，通過Cl元素含量可推算出AP的大致含量。對EDS面總譜圖進行分析計算，可得4個取樣區域的Cl元素的含量分別為8.52%、9.16%、9.49%、10.77%，據此計算可知，AP的含量分別為37.7%、40.5%、42.0%、47.7%。

(a)區域1 (b)區域4

(c)區域7 (d)區域10

圖6 不同部位試樣中Cl元素的EDS面總譜圖Fig.6 EDS photos of Cl in propellant samples at different parts

以上儀器分析結果表明，在CTPB推進劑端燃藥柱的燃面中，由燃面的中心點向界面區存在AP含量逐漸增加的明顯趨勢，推進劑/絕熱層界面區AP的濃度明顯高于燃面中心點。表明AP在燃面的含量分布，是導致端燃藥柱界面區燃速高于中心點(即燃速的邊界效應)的主要原因。

分析認為，對于全燃面澆注方式，只有接近界面區的燃速稍高，其余燃面區燃速在正常范圍內波動，這歸因于：推進劑中氧化劑AP為兩級配，氧化劑在絕熱層附近不能均勻排列(見圖7[5])，存在許多空隙，藥柱澆注解除真空藥漿下沉，細粒度氧化劑AP會填充到這些空隙中，絕熱層附近的AP粒徑會比其他部位相對較小，從而導致燃速也相對較高。對于中心澆注方式，除了上述AP在界面區排列問題外，還存在藥漿的側向流動引起的固體組分濃度的分布。由于固體組分顆粒粒度、粒形和密度的差異，流動速度大小會不同，造成側向流動藥漿內部的固體組分的均勻程度發生了變化,導致AP濃度沿藥柱燃面中心向界面層逐漸增加，因而推進劑燃速也隨之增加，結果導致對中澆注方式制備的端燃藥柱的界面層燃速增高幅度明顯高于全藥面澆注方式。

圖7 推進劑/絕熱層界面處固體顆粒尺寸分布Fig.7 Particle size distribution at side walls of the propellant grain

3 結論

(1)CTPB推進劑端燃藥柱燃面存在燃速由燃面中心點向推進劑/絕熱層界面逐漸增加的現象，其原因主要歸因于細粒度AP在界面層附近的聚集及藥漿澆注過程中側向流動導致的AP濃度的不均勻分布。

(2)澆注方式對端燃藥柱燃速邊界效應具有明顯影響，采用全燃面澆注方式可消除藥漿澆注過程中側向流動導致的AP濃度的分布現象，弱化邊界效應。

[1] Davenas A.固體火箭推進劑技術[M].北京:宇航出版社,1997.

[2] 夏志全.端面燃燒發動機研制中應注意的幾個問題[J].固體火箭技術,2000,23(2):12-15.

[3] Gonthier B,Tauzia J M.Burning rate enhancement phenomena in end-burning solid propellant grains[C] // AIAA/SEA/ASME/ASEE,21st Joint Propulsion Conference,1985.

[4] Jolley W H,Hooper J F,Hilton PR,et al.Studies on coning in end-burning rocket motors[C] // AIAA/SEA/ASME/ASEE,21st Joint Propulsion Conference,1985.

[5] Probster M,Schmucker R H.Ballistic anomalies in solid rocker motors[C] // 36th Congress of the International Astronautical Federation Stockholm,Sweden,October 7-12,1985.

[6] Messner A M.Transient coning in end-burning solid propellant grains[R].AIAA 80-1138.

[7] Say les D C.U ltra-ultrahigh burning rate composite modified double-base propellan ts containing porous ammonium perchlorate [ P] .US 4944816,1990.

[8] 王伯羲,馮增國,楊榮杰.火炸藥燃燒理論[M].北京:北京理工大學出版社,1997.

(編輯：呂耀輝)

Influence of AP concentration on boundary effect of CTPB propellant end-burning grain

DU Fang，QIAO Ying-ke，XIAO Jin-wu，LI Bing，ZHANG Yun-gang，LUO Wei

(42nd Institute of the Fourth Academy of CASC，Xiangyang 441003，China)

Based on CTPB propellant end-burning grain and equidistant interval sampling from the center of grain section to boundary,the burning rates and Cl contents(representing AP contents)of different parts of grain section were determined to disclose the influence of AP concentration on boundary effect by using GJB770B—2005 Standard and SEM-EDS respectively.The experimental results show that the burning rates of different parts of grain section increase gradually from center to boundary,which takes on a typical boundary effect. Similarly,the AP contents of different parts of grain section also increase gradually from center to boundary,which indicates that the boundary effect results from the uneven distribution of AP content in different parts of grain.Furthermore,the casting style can affect the boundary effect significantly.When uniform casting style is adopted,the uneven distribution of AP caused by the lateral flow in the process of propellant slurry-casting can be eliminated and the boundary effect can be weakened as well.As a result,the combustion stability of end-burning grain will be increased evidently.

end-burning；AP；concentration；casting style；coning effect

2014-01-22；

：2014-02-24。

杜芳(1987—)，女，碩士，研究方向為固體火箭發動機基礎理論研究。E-mail：dufang0123@163.com

V512

A

1006-2793(2015)01-0083-03

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.015