燃燒穩定劑對RDX-CMDB推進劑不穩定燃燒的抑制規律

陳雪莉，王　瑛，張　佩

(西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西西安710065)

?

燃燒穩定劑對RDX-CMDB推進劑不穩定燃燒的抑制規律

陳雪莉，王瑛，張佩

(西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西西安710065)

摘要：用壓力可控T形燃燒器研究了6種燃燒穩定劑ZrO2、WC、Al2O3、ZrB2、SiC和BN對RDX-CMDB推進劑不穩定燃燒的抑制規律,獲得了壓力耦合響應函數；討論了不同壓力及不同固有頻率時燃燒穩定劑對推進劑燃燒穩定性的影響。結果表明，固有頻率1700Hz和800Hz下，6種燃燒穩定劑對RDX-CMDB推進劑不穩定燃燒的抑制作用具有顯著差異。固有頻率800Hz時，ZrO2能夠完全消除RDX-CMDB推進劑的不穩定燃燒；Al2O3僅在1.3MPa左右出現壓力振蕩；WC、SiC對RDX-CMDB推進劑的不穩定燃燒抑制作用隨含量不同抑振區間不同；ZrB2對RDX-CMDB推進劑的不穩定燃燒抑制效果不明顯；而BN則在1.5MPa有高的燃燒響應。固有頻率1700Hz時，6種燃燒穩定劑均降低了RDX-CMDB推進劑的壓力耦合響應函數，但降幅不同，其中SiC的降幅最大， ZrB2降幅最小。

關鍵詞：物理化學；燃燒穩定劑；RDX-CMDB推進劑；不穩定燃燒；壓力耦合響應函數

引言

固體推進劑不穩定燃燒的抑制研究一直是國內外固體推進劑領域研究的重點。研究表明[1]，使用少量的燃燒穩定劑能夠有效減少或消除固體推進劑的不穩定燃燒。燃燒穩定劑大多由高熔點的氧化物、碳化物或復合金屬氧化物粒子作為主要組分，對固體推進劑燃燒過程中出現的不穩定燃燒現象進行抑制，保持壓力振幅的穩定衰減。目前，RDX-CMDB推進劑常用的燃燒穩定劑為Al2O3，由于其熔點較低，燃燒過程中易熔融從而改變Al2O3的初始粒徑，使Al2O3的抑振效率降低。而其他燃燒穩定劑，如TiO2、CaCO3等對推進劑不穩定燃燒雖有抑制作用，但對推進劑的燃燒性能影響較大，甚至使推進劑的燃燒平臺消失[2-7]。少煙HTPB/AP推進劑中添加穩定劑ZrC和ZrSiO4可使推進劑燃燒過程中壓力振幅衰減常數減小，從而降低壓力耦合響應函數[8-10]。趙鳳起等[11-12]合成了既能有效抑制不穩定燃燒，又能提高燃速、降低燃速壓力指數的雙功能彈道改良劑——雙金屬鉍鋯有機鹽，并用于雙基推進劑中。但由于各類燃燒穩定劑的組分及固體推進劑組分構成的復雜性，關于燃燒穩定劑對固體推進劑的不穩定燃燒抑制效果缺乏系統的規律性研究。

本研究選擇6種燃燒穩定劑，研究了其對典型RDX-CMDB推進劑不穩定燃燒的抑制效果，分析了典型RDX-CMDB推進劑不穩定燃燒的抑制機理，以期為其不穩定燃燒抑制技術的研究提供理論基礎和方法依據。

1實驗

1.1樣品及儀器

氧化鋯(ZrO2，熔點2988K，d50=3.5μm)，杭州萬景新材料有限公司；碳化鎢(WC，熔點3143K，d50=6.0μm)，贛州特精鎢鉬業有限公司；三氧化二鋁(Al2O3，熔點2323K，d50=3.5μm)，豫南微粉廠；硼化鋯(ZrB2，熔點3273K，d50=8.0μm)；碳化硅(SiC，熔點2973K，d50=3.1μm)，北京陶美新材料科技有限公司；氮化硼(BN，熔點3273K，d50=8.0μm)；硝化棉(NC，氮質量分數12%)，四川川安化工廠；黑索今(RDX，E級)，甘肅銀光化學工業集團有限公司。

JSM-5800掃描電鏡，日本電子株式會社；2L行星式捏合機，西安拓普電氣有限公司；壓力可控T形燃燒器，西安近代化學研究所。

1.2RDX-CMDB推進劑的制備

RDX-CMDB推進劑基礎配方(質量分數)為：(NC+NG)47.0%～57.0%，RDX 25.0%～35.0%，燃燒催化劑及其他助劑9.0%，燃燒穩定劑1.0%～1.5%。

采用淤漿澆鑄工藝，將經過預處理的NC、NG、RDX、燃燒穩定劑及其他添加劑在2L行星式捏合機中捏合40min，出料抽真空后于70℃下固化72h，退模，制備成Φ50mm×6mm和Φ50mm×9mm的片狀推進劑。

1.3固體推進劑燃燒過程實驗原理及方法

根據Culick線性理論[13]，不穩定燃燒模型可以簡化為封閉聲腔內壓力小擾動的發展，其聲能損失和聲能增益可以線性疊加。因此，利用質量守恒、動量守恒、能量守恒和氣體的物態方程可以導出燃燒室內的壓力耦合響應函數，見式(1)[14]

本研究采用壓力可控T形燃燒器實驗裝置獲得固體推進劑的壓力耦合響應函數。根據所測聲振固有頻率大小選用不同長度的T形燃燒室，分別將裝有6mm與9mm推進劑樣品的藥杯置于T形燃燒室的兩端，充氮氣至設定壓力并保持動態平衡，然后用點火藥包點火，數采系統記錄推進劑燃燒過程中壓力隨時間的變化曲線，采用倍燃面二次衰減法處理實驗數據。

2結果與討論

2.1空白配方的燃燒穩定性

不含燃燒穩定劑的RDX-CMDB推進劑的壓力耦合響應函數(Rp)與壓力、固有頻率的關系曲線如圖1所示。

圖1　基礎配方RDX-CMDB推進劑在不同壓力、不同固有頻率下的Rp-p曲線Fig.1　The Rp-p curves of RDX-CMDB propellantsunder different pressures and frequencies

由圖1可見，壓力和固有頻率對RDX-CMDB推進劑的燃燒穩定性影響很大。3個固有頻率下，燃燒壓力耦合響應函數Rp均是先隨壓力的升高而增大，達到最大值后，再隨壓力增大而減小；固有頻率不同，空白配方推進劑的壓力振蕩區間不同，800Hz時壓力振蕩區間為1.47～4.15MPa，1200Hz時壓力振蕩區間為1.90～2.24MPa，1700Hz時壓力振蕩區間為1.84～2.68MPa。另外，固有頻率為800Hz時，伴隨有2500～3000Hz的高頻振蕩，在其他兩個固有頻率段卻未曾出現這一高頻振蕩過程，初步判斷為800Hz的四階高頻振蕩。由圖1綜合來看，空白配方推進劑在固有頻率為1200Hz的壓力振蕩區間較窄，而在800Hz和1700Hz的振蕩范圍較寬，因此本實驗重點研究800Hz和1700Hz兩個固有頻率下燃燒穩定劑對澆鑄RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響規律。

2.2Al2O3對RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響

Al2O3質量分數為1.5%的RDX-CMDB推進劑在固有頻率為1700Hz和800Hz時壓力耦合響應函數與壓力的關系曲線如圖2所示。

圖2　不同固有頻率下含Al2O3的RDX-CMDB推進劑的Rp-p曲線Fig.2　The Rp-p curves of RDX-CMDB propellantscontaining Al2O3 under different frequencies

由圖2可見，加入Al2O3后，RDX-CMDB推進劑在兩個固有頻率的壓力振蕩區間明顯減小，1700Hz時為1.55～2.29MPa，壓力耦合響應函數Rp明顯下降，且Rp-p曲線為反拋物線，與空白配方曲線完全不同。800Hz時僅在1.30MPa左右出現了振蕩，其他壓力均未出現，而且也未發現四階高頻振蕩。因此可以判斷，粒徑為3.5μm的Al2O3能有效抑制RDX-CMDB推進劑800Hz下的不穩定燃燒；對1700Hz的不穩定燃燒也有一定的效果，降低了推進劑的壓力耦合響應。

含Al2O3的RDX-CMDB推進劑燃燒后殘渣的掃描電鏡圖如圖3所示。由圖3可知，熔融的金屬氧化物團聚后在包覆層的邊緣冷凝，形成體積較大的球形顆粒。這可能是由于壓力升高后，推進劑的燃溫升高，Al2O3顆粒的熔融比例增大，熔融顆粒的團聚使微粒粒徑增大，從而降低了微粒的阻尼效果，這與文獻[3]和[10]中提到的結果一致。

圖3　含Al2O3的RDX-CMDB推進劑燃燒后的微觀形貌Fig.3　SEM images of RDX-CMDB propellant containingAl2O3 after burning

2.3ZrO2對RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響

兩種含量的ZrO2對RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響如圖4所示。

圖4　1700Hz下不同 ZrO2含量的RDX-CMDB推進劑的Rp-p曲線Fig.4　The Rp-p curves of RDX-CMDB propellantswith different contents of ZrO2 under 1700Hz

由圖4可以看出，固有頻率為1700Hz時，壓力耦合響應函數明顯降低且振蕩壓力向低壓移動，隨ZrO2含量的增加壓力耦合響應函數減小，振蕩壓力區域更窄；800Hz時， ZrO2質量分數為1.0%和1.5%的RDX-CMDB推進劑在5MPa以下未出現不穩定燃燒，表明ZrO2燃燒穩定劑可以抑制RDX-CMDB推進劑在800Hz的振蕩燃燒。

2.4ZrB2對RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響

不同含量ZrB2對RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響見圖5。

由圖5可以看出，加入ZrB2后在1700Hz時壓力耦合響應函數有所降低，壓力振蕩范圍較基礎配方略有增加；800Hz時，ZrB2質量分數分別為1.0%和1.5%的RDX-CMDB推進劑的壓力振蕩均出現在1.3～1.5MPa與3.0～3.5MPa之間，而1.5～3.0MPa出現了四階高頻振蕩，與基礎配方相比振蕩程度降低。出現這種結果有兩種可能：一是ZrB2對澆鑄RDX-CMDB推進劑的不穩定燃燒無抑制作用；另一個可能是ZrB2顆粒粒徑(8.0μm)與最佳阻尼粒徑(2.02μm)相差太大，導致ZrB2對這兩個固有頻率下的不穩定燃燒抑制作用不明顯。從實驗結果來看，粒徑8.0μm的ZrB2對澆鑄RDX-CMDB推進劑在1700Hz和800Hz的振蕩燃燒抑制作用效果不顯著，但更小粒徑的ZrB2對澆鑄RDX-CMDB推進劑振蕩燃燒的抑制作用需進一步驗證。

圖5　不同ZrB2含量的RDX-CMDB推進劑在不同固有頻率下的Rp-p曲線Fig.5　The Rp-p curves of RDX-CMDB propellants withdifferent contents of ZrB2 under different frequencies

2.5WC對RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響

兩種不同含量的WC對RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響如圖6所示。

圖6(a)表明，1700Hz下WC的加入降低了RDX-CMDB推進劑的壓力耦合響應函數，使振蕩壓力向低壓移動，穩定劑含量增加，壓力耦合響應函數升高；圖6(b)表明，WC質量分數為1.0%的RDX-CMDB推進劑僅在1.15MPa左右產生壓力振蕩，而WC質量分數為1.5%的RDX-CMDB推進劑除1.15MPa左右的壓力振蕩外，在2.6MPa出現固有頻率2500～3000Hz的高頻壓力振蕩，與基礎配方類似。

圖6　不同WC含量的RDX-CMDB推進劑在不同固有頻率下的Rp-p曲線Fig.6　The Rp-p curves of RDX-CMDB propellants withdifferent contents of WC under different frequencies

2.6BN對RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響

BN質量分數為1.5%的RDX-CMDB推進劑在1700Hz和800Hz的壓力耦合響應函數與平均壓力的關系曲線如圖7所示。

圖7　BN質量分數為1.5%的RDX-CMDB推進劑在不同固有頻率下的Rp-p曲線Fig.7　The Rp-p curves of RDX-CMDB propellants with1.5% BN under different frequencies

由圖7(a)可見，1700Hz時含BN的RDX-CMDB推進劑壓力振蕩程度有所減小，激振區間向高壓移動；由圖7(b)可見，800Hz時在1.5MPa左右有高的燃燒響應，Rp高達3.78，而在3.3MPa以上則出現了四階高頻壓力振蕩，振蕩固有頻率為2500～3000Hz。因此BN對1700Hz和800Hz時RDX-CMDB推進劑不穩定燃燒抑制效果甚微。

2.7SiC對RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響

SiC對澆鑄RDX-CMDB推進劑燃燒穩定性的影響如圖8所示。

圖8　不同SiC含量的RDX-CMDB推進劑在不同固有頻率下的Rp-p曲線Fig.8　The Rp-p curves of RDX-CMDB propellants withdifferent contents of SiC under different frequencies

圖8(a)顯示，加入質量分數1.0%和1.5%的SiC后RDX-CMDB推進劑的壓力耦合響應函數降低，Rp值均在2.0以下，且隨壓力的增加Rp變化不大，振蕩區間向低壓移動。固有頻率為800Hz時，含SiC的RDX-CMDB推進劑僅在1.5MPa以下有壓力振蕩，且壓力振蕩程度較小。SiC質量分數為1.0%的推進劑在2.65MPa左右出現了四階高頻振蕩 ，而SiC質量分數為1.5%的推進劑卻未出現，說明增加SiC含量能夠消除該振蕩。因此，SiC對澆鑄RDX-CMDB推進劑的不穩定燃燒有一定的抑制作用，尤其是質量分數為1.5%的SiC能有效抑制RDX-CMDB推進劑800Hz的振蕩燃燒。

3結論

(1)在固有頻率800Hz時，燃燒穩定劑Al2O3、WC、ZrO2、SiC對RDX-CMDB推進劑的不穩定燃燒均有抑制作用，ZrO2能夠完全抑制，Al2O3僅在1.3MPa下有振蕩，WC和SiC的抑制作用則隨其含量不同而不同，低含量WC對推進劑的不穩定燃燒抑制更有利，而SiC則隨含量增加而抑制作用增強。ZrB2與空白配方的激振區間相當，振蕩程度略有降低，BN則在1.5MPa有高的燃燒響應。

(2)在固有頻率1700Hz時，6種燃燒穩定劑均降低了RDX-CMDB推進劑的壓力耦合響應函數，但降幅不同。其中以SiC穩定劑的降幅最大， ZrB2降幅最小。ZrO2、SiC、WC、ZrB2使推進劑的振蕩區間向低壓移動，BN使推進劑的振蕩區間向高壓移動。ZrO2的壓力振蕩區間最窄。

參考文獻：

[1]孫維申.固體火箭發動機不穩定燃燒[M].北京:北京工業學院出版社,1986.

[2]單文剛，覃光明，雷良芳，等.不穩定燃燒抑制劑對RDX-CMDB澆注推進劑的影響[J].固體火箭技術，1997,20(2):53-56.

SHAN Wen-gang, QIN Guang-ming, LEI Liang-fang, et al. Effects of resonance burning inhibitors on combustion characteristics of cast RDX-CMDB propellant[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 1997,20(2)：53-56.

[3]程麗萍,王寧飛,馮偉.Al2O3在發動機燃燒室中尺寸分布的實驗研究[J].火炸藥學報, 2000,23(4): 21-23.

CHENG Li-ping, WANG Ning-fei, FENG Wei. Sizes distribution study of Al2O3in motor chamber[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2000,23(4): 21-23.

[4]張曉宏,張蕊娥,王百成,等.利用燃燒穩定劑調節燃速的研究[J].火炸藥學報, 2000，23(3):28 -29.

ZHANG Xiao-hong, ZHANG Rui-e, WANG Bai-cheng, et al. Study on burning rate regulating by combustion stabilizer[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2000，23(3):28-29.

[5]張曉宏, 張佩, 劉小剛, 等.新型燃燒穩定劑對澆鑄RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響[J]. 火炸藥學報, 2010，33(6)：87-90.

ZHANG Xiao-hong, ZHANG Pei, LIU Xiao-gang, et al. Effect of new combustion stabilizers on the combustion performance of RDX-CMDB propellant[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2010，33(6)：87-90.

[6]陳雪莉，王瑛，張佩，等.燃燒穩定劑對RDX-CMDB推進劑熱特性的影響[J].火炸藥學報，2012,35(5):70-73.

CHEN Xue-li, WANG Ying, ZHANG Pei, et al. Influence of combustion stabilizers on the thermal characteristics of RDX-CMDB propellant[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2012,35(5):70-73.

[7]Greatrix D R. Inert particulates for axial combustion instability suppression in a solid rocket motor[J]. Journal of Propulsion and Power, 2008, 24(6)：1347-1354.

[8]Beckstead M W. Investigations of novel energetic materials to stabilizing rocket mtors[R]. California: California Institute of Technology Jet Propulsion Center, 2002.

[9]Culick F E C. Combustion instability and oscillations in solid propellant rocket[R]. California: California Institute of Technology, 2006.

[10] Blomshield F S. Historical perspective of combustion instability in motors,AIAA 2001-3875[R]. New York:AIAA,2001.

[11] 趙鳳起，張衡，安亭，等.沒食子酸鉍鋯的制備、表征及其燃燒催化作用[J]. 物理化學學報，2013,29(4),777-784.

ZHAO Feng-qi, ZHANG Heng, AN Ting,et al. Preparation, characterization and combustion catalytic action of bismuth/zirconium gallate[J].Acta Physico-Chimica Sinica ,2013,29(4),777-784.

[12] 張衡.雙功能彈道改良劑的制備及其在微煙推進劑中的應用研究[D].西安:西安近代化學研究所,2009.

ZHANG Heng.Preparation of double functional ballistic modifier and its application research in minimum smoke propellants[D]. Xi′an:Xi′an Modern Chemisty Research Institute, 2009.

[13]Culick F E C. T-burner testing of metalized solid propellants, AFRPL-TR-74-28[R].[s.l.]: Air Force RocketPropulsion Laboratory, 1974.

[14]王寧飛,趙崇信.固體推進劑壓力耦合響應函數手冊[M].北京:兵器工業出版社,1994.

Inhibiting Rule of Combustion Stabilizers on the Unstable Combustion of RDX-CMDB Propellant

CHEN Xue-li, WANG Ying, ZHANG Pei

(Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory, Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065,China)

Abstract:The inhibiting rules of six kinds of combustion stabilizers ZrO2,WC、Al2O3,ZrB2,SiC,BN on the unstable combustion of RDX-CMDB propellant were researched by a pressure controlled T-shaped burner, and the pressure coupling response functions were obtained. The effects of combustion stablizers on the combustion stabilization of propellants under different pressures and frequencies were discussed. The results show that the inhibiting effects of six kinds of combustion stabilizers on the unstable combustion of RDX-CMDB propellant under the frequencies of 1700Hz and 800Hz are significantly different. Under the frequency of 800Hz, ZrO2 can completely eliminate the unstable combustion of RDX-CMDB propellant, Al2O3 appears pressure oscillation only at about 1.3MPa, the anti oscillation interval of inhibiting effects of WC and SiC on the unstable combustion phenomenon of RDX-CMDB propellant with different contents are different. ZrB2 has no obvious inhabiting effect for the unstable combustion of RDX-CMDB propellant, whereas BN has high combustion response under 1.5MPa. Under the frequency of 1700Hz, six kinds of combustion stabilizers decrease the pressure coupling response function of RDX-CMDB propellant, but the decrease is different. Among them, SiC has the largest decrease and ZrB2 has the smallest decrease.

Keywords:physical chemistry; combustion stabilizer; RDX-CMDB propellant; unstable combustion; pressure coupling response function

中圖分類號：TJ55; X93

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)02-0092-06

作者簡介:陳雪莉(1971-)，女，高級工程師，從事固體推進劑燃燒研究。E-mail: 980669587@qq.com

基金項目:火炸藥燃燒國防科技重點實驗室基金項目資助(9140C35030706)

收稿日期:2015-09-23；修回日期:2015-11-18

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.02.019