GAP高能低特征信號推進劑的燃燒性能調節

宋 琴，代志高，尹必文，項 麗，吳京漢

(湖北航天化學技術研究所，湖北 襄陽441003)

GAP高能低特征信號推進劑的燃燒性能調節

宋 琴，代志高，尹必文，項 麗，吳京漢

(湖北航天化學技術研究所，湖北 襄陽441003)

研究了硝胺種類、固體組分含量和粒度、增塑劑與GAP的增塑比及燃速催化劑對GAP高能低特征信號推進劑在11～19MPa下燃燒性能的影響。結果表明，當HMX取代推進劑樣品中的RDX時，推進劑的燃速較高，壓強指數從0.72降至0.63；在AP和HMX總質量分數為67.5%的條件下，隨著AP質量分數由5%增至30%，推進劑燃速逐漸增大，壓強指數由0.82降至0.45；減小AP粒度以及在配方中添加燃速催化劑或調節過渡金屬化合物J1/J2的配比，可較大幅度地增加推進劑燃速和降低壓強指數，其中，J1與J2總質量分數為3%，二者質量比為2∶1和1∶1時，推進劑的壓強指數較小，分別為0.50和0.48；隨著HMX粒度減小及增塑劑與GAP黏合劑的增塑比的降低，推進劑的燃速和壓強指數降低。

聚疊氮縮水甘油醚；GAP；高能低特征信號推進劑；燃燒性能；壓強指數；黏合劑；增塑劑

引 言

推進劑燃燒時產生的特征信號使導彈武器的生存能力和突防能力受到嚴重威脅，因此推進劑的隱身對于整個導彈系統非常重要。通常，戰術導彈在發射及飛行時，噴焰中的煙霧不僅有可見煙，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，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，從而嚴重影響制導的精確性[2-3]。因此，研究具有低特征信號的新型推進劑是固體推進劑發展的一個重要方向。

聚疊氮縮水甘油醚(GAP)具有生成熱高、密度大、燃氣無腐蝕性、特征信號低、燃溫低、感度低等優點，被認為是研制高能、鈍感和低特征信號推進劑的關鍵材料之一，是固體推進劑的理想黏合劑[4]。將GAP作為高能低特征信號推進劑黏合劑時，可以彌補減少金屬粉以及AP含量帶來的能量損失，且其與常規氧化劑、增塑劑相容性好。在GAP高能低特征信號推進劑配方研制過程中，為了減少一次煙和二次煙的生成量，常采用降低燃燒劑金屬Al粉和氧化劑AP含量并相應提高HMX或RDX含量來降低推進劑的特征信號，因此無Al粉、少AP(質量分數不大于15%)、高硝胺含量成為高能低特征信號推進劑配方的一個重要研究趨勢。目前，某背景型號發動機要求采用此高能低特征信號推進劑配方，但由于該體系中多硝胺含量的特征，推進劑在11～19MPa內存在壓強指數偏高的問題，嚴重影響發動機正常工作的可靠性。推進劑燃燒性能的優劣，直接關系到火箭發動機內外彈道性能的穩定[5-6]。李偉等[7]研究認為，在GAP少煙推進劑中添加鉛鹽催化劑，可大幅提高高壓燃速和降低高壓段壓強指數；顧健等[8]研究了新型負載燃速催化劑對NEPE推進劑燃速的影響，認為新型負載型燃速催化劑可大幅提高推進劑的燃速并降低壓強指數。

本研究從高硝胺含量推進劑燃燒特性入手，研究了不同硝胺種類、固體組分含量、固體組分粒度、增塑劑與GAP黏合劑增塑比以及燃速催化劑對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響。

1 實 驗

1.1 樣 品

GAP黏合劑、硝酸酯、AP(IV類)、NG/TEGDN以及NG/BTTN共混，湖北航天化學技術研究所；HMX(β型一級品)、RDX，甘肅銀光化學工業集團有限公司；AP(Ⅲ類)，大連高佳化工有限公司；

1.2 推進劑制備

推進劑基礎配方(質量分數)為：AP≤15%，硝胺>50%，硝化甘油(NG)和三甘醇二硝酸酯(TEGDN)或1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)組合硝酸酯增塑劑/GAP黏合劑混膠15%～30%，燃速穩定劑0.5%～2%，其他功能助劑2%～4%。

推進劑采用藥漿澆注工藝，將推進劑組分預混后加入到VKM-5型立式捏合機中于50～60℃下捏合50～70min，出料并真空澆注，置于50℃油浴烘箱內固化7d得到推進劑方坯。

1.3 推進劑燃速測定

采用水下聲發射法測定推進劑燃速。首先將推進劑制成4mm×4mm×110mm的藥條，測試壓強分別為11、13、16和19MPa時藥條的燃燒時間，每個壓強下測定5根藥條。其他操作與數據處理均參照GJB770B-2005中的706.1方法。

2 結果與討論

2.1 硝胺種類對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響

在保持配方其他組分不變的情況下，考察了相同粒度和含量的RDX和HMX對推進劑燃燒性能的影響，結果見圖1。

從圖1中可以看出，配方體系中采用HMX后，推進劑在11～19MPa下燃速均高于含RDX的配方，但壓強指數較低。分析認為，HMX密度大于RDX，其在推進劑中的體積分數大，燃燒時，熱分解產生的熱量更高，因此燃速更高。

2.2 固體組分含量對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響

由于本研究中的GAP高能低特征信號推進劑配方中無Al粉，因此該推進劑中的主要有效固體組分為AP和HMX，重點考察了在AP和HMX總質量分數為67.5%的情況下，改變AP含量對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響，結果見圖2。

從圖2可以看出，在AP和HMX總含量不變的條件下，隨著AP質量分數由5%增至30%，推進劑在11～19MPa下的燃速呈增長趨勢，壓強指數逐漸降低。這是由于HMX的熔融溫度比分解溫度低，在分解前會先熔化吸熱，使推進劑燃燒表面溫度降低。一般認為，HMX在推進劑的燃燒表面起惰性添加劑的作用，且AP的反應活性高于HMX，AP分解產生大量的富氧化合物與GAP黏合劑、硝酸酯增塑劑等分解的富燃產物(CmHn、醛類等)反應產生大量的熱，從而使推進劑燃速增加。當AP含量增大后，低壓下推進劑燃速比高壓下的燃速提高更顯著，因此增加AP含量，同時降低HMX含量，推進劑燃速增大，壓強指數降低，但同時也會影響推進劑的羽煙信號特征。

2.3 固體組分粒度對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響

分別考察了HMX粒徑為95μm時，AP粒徑對推進劑燃燒性能的影響，以及AP粒度為7μm時，HMX粒度對推進劑燃燒性能的影響，結果見表1。

表1 AP及HMX粒度對推進劑燃燒性能的影響

從表1可以看出，隨著AP粒度的減小，推進劑在11～19MPa下燃速均逐漸增大，壓強指數逐漸降低。AP燃燒產生的氧化性氣體產物和黏合劑熱分解產生的可燃性氣體產物形成的擴散火焰控制GAP推進劑的燃燒過程；AP細粒度含量越多，其比表面積越大，有利于熱分解和凝聚相放熱反應，AP在推進劑燃燒表面附近放熱增加，傳給表面的熱量也增加，故推進劑的燃速提高。從表1也可看出，隨著HMX粒度的減小，推進劑在11～19MPa下燃速均降低，壓強指數也降低，這是由于在推進劑燃燒時，硝胺在燃燒表面吸熱熔化，當其粒度減小時，熔化吸熱增大，促進凝聚相吸熱反應進行，減少其放熱量，進而降低凝聚相的反應熱，降低了燃燒表面的氣體反應速度和擴散速度，從而降低了推進劑的燃速。同時也說明，在該配方體系中，調節AP和HMX的粒度，可一定程度降低推進劑的壓強指數。

2.4 增塑比對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響

在GAP高能低特征信號推進劑配方體系中，含能的硝酸酯增塑劑是推進劑的重要組成部分，且含能增塑劑對燃燒火焰結構會產生重要的影響，進而影響推進劑的燃燒行為，因此調節增塑比(即NG和TEGDN或BTTN組合硝酸酯增塑劑與GAP黏合劑質量比)，分析其對推進劑燃燒性能的影響，結果見圖3。

從圖3可以看出，隨著硝酸酯增塑劑與GAP黏合劑增塑比的降低，即推進劑在11～19MPa各個壓強點燃速和壓強指數均明顯降低。這是由于硝酸酯增塑劑對GAP黏合劑的熱分解有一定的促進作用，而且隨著硝酸酯增塑劑含量的降低，體系的放熱量減少，反饋至燃燒表面的熱量減少，從而燃速降低。

2.5 燃速催化劑對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響

研究了質量分數為3%的燃速催化劑(C粉、過渡金屬化合物J1、J2和J3)對推進劑燃燒性能的影響，并在此基礎上研究了J1和J2組合燃速催化劑不同配比(質量比)對推進劑燃燒性能的影響，結果見圖4和表2。

從圖4可以看出，在基礎配方中添加質量分數為3%的燃速催化劑后，推進劑在11～19MPa范圍內各個壓強點燃速均明顯增大，壓強指數降低，其中添加燃燒性能調節劑C粉，推進劑壓強指數降至0.58，而添加過渡金屬化合物J1或J2，推進劑壓強指數降至0.53，說明添加燃速催化劑是降低推進劑壓強指數的有效技術手段。分析認為，GAP黏合劑體系燃燒后產生的織態碳結構是C粉、過渡金屬化合物J1和J2催化劑發揮催化作用的載體，對推進劑的燃速和壓強指數有顯著影響。

表2 J1/J2配比對推進劑燃燒性能的影響

從表2中可以看出，J1/J2質量比對壓強指數有一定的影響，但規律性不強(隨J1含量增大，壓強指數變化趨勢為升高-降低-升高)，二者存在最佳配比，即J1/J2質量比為2∶1和1∶1時，推進劑的壓強指數較小，分別為0.50和0.48，說明調節組合燃速催化劑相對含量對降低壓強指數有一定的效果。

3 結 論

(1)推進劑配方中通過采用HMX、降低硝酸酯增塑劑和GAP黏合劑增塑比以及減小AP和HMX的粒度，可一定程度地降低推進劑在11～19MPa的壓強指數。

(2)在AP和HMX總含量不變的條件下，增大AP含量，可明顯增大推進劑的燃速和降低壓強指數。

(3)在配方體系中添加一定含量的燃速催化劑，可有效提高推進劑的燃速，并降低推進劑的壓強指數，其中，燃速催化劑總質量分數為3%，J1和J2質量比為1∶1時，推進劑壓強指數降幅最大，可降至0.48。

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RegulationoftheCombustionPropertiesforGAPPropellantwithHighEnergyandLowSignature

SONG Qin, DAI Zhi-gao, YIN Bi-wen, XIANG Li, WU Jing-han

(Hubei Institute of Aerospace Chemotechnology, Xiangyang Hubei 441003, China)

The effects of nitramine variety, content and granularity of solid component, plasticizing ratio of plasticizer and GAP binders, and burning-rate catalysts on the combustion properties of GAP propellant with high energy and low signature under 11-19MPa were studied. Results show that the burning rate of the propellant sample is higher and the pressure exponents decrease from 0.72 to 0.63 when HMX is substituted for RDX in the propellant samples. As the total mass fraction of AP and HMX is 67.5%, the burning rate increases gradually and the pressure exponent decreases from 0.82 to 0.45 with increasing the mass fraction of AP from 5% to 30%. Reducing the granularity of AP, adding the burning-rate catalysts and adjusting the ratios of transition metal compounds J1and J2,can greatly increase the burning rate of the propellant and reduce the pressure exponent. In which,when the total mass fraction of J1and J2is 3% and the ratios of J1and J2are 2∶1 and 1∶1, the pressure exponents of the propellant are smaller, which are 0.50 and 0.48 respectively. With reducing the granularity of HMX and decreasing the plasticizing ratios of plasticizers and GAP binders, the burning rates and pressure exponents of the propellants reduce.

glycidyl azide polymer; GAP ；propellant with high energy and low signature; combustion properties; pressure exponent; binder; plasticizer

TJ55;V512

A

1007-7812(2017)05-0060-04

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.011

2017-04-26；

2017-09-06

宋琴(1987-)，女，碩士，從事固體推進劑研究。E-mail:songqin1721@163.com