主控提前點火對復合推進劑慢速烤燃響應的影響*

張海軍，聶建新，王 領，王 棟，胡 峰，郭學永

（1. 北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；2. 西安長峰機電研究所，陜西 西安 710065）

烤燃實驗是分析和評估彈藥易損性的重要方法，考核彈藥在意外熱刺激下的響應劇烈程度，評估彈藥的不敏感性能[1-2]。復合推進劑是目前固體導彈或固體火箭的常用燃料，在遭受意外熱刺激時，可能會發生點火，進而導致燃燒，甚至爆炸或爆轟等嚴重的事故[3]。

慢速烤燃特性是復合推進劑和發動機熱安全性研究中的重點，也是目前研究的難點。針對含能材料在慢速烤燃條件下的安全性，國內外學者們開展了廣泛的研究，探討了升溫速率、約束條件、結構尺寸等對烤燃響應結果的影響，建立了慢速烤燃的實驗方法和理論模型，形成了考核標準[4-11]。陳朗等[12]、智小琦等[13]、周霖等[14]對DNAN 基炸藥在慢速烤燃條件下的安全性開展了研究，分析了炸藥相變及流變特性對烤燃響應結果的影響。Foureur 等[15]研究了高氯酸銨/端羥基聚丁二烯（AP/HTPB）推進劑受裝藥特性和升溫速率的影響，發現在快速升溫時反應劇烈程度低于慢速升溫時。李文鳳[16]研究了裝藥尺寸對AP/HTPB 底排藥烤燃特性的影響，發現內孔大小、裝藥長度對響應結果都有影響。宋柳芳等[17]通過研究不同結構端羥基聚醚（HTPE）推進劑裝藥的發動機慢速烤燃過程，發現結構和尺寸對發動機慢速烤燃結構影響很大。

在發動機的慢速烤燃低易損設計中，主控提前點火是一種工程上有效降低反應等級的途徑。在提前點火設計中，主控點火溫度的選擇是設計的關鍵，然而，針對主控點火溫度對復合推進劑慢速烤燃響應特性影響的研究較少。因此，研究主控點火溫度對推進劑慢速烤燃響應特性的影響規律，了解緩慢加熱條件下復合推進劑的熱反應過程，對發動機慢速烤燃主控提前點火技術設計中主控點火溫度的選擇具有重要意義。

本文中針對主控點火溫度對含AP 復合推進劑的慢速烤燃過程的影響，設計了在不同溫度下點火的慢速烤燃實驗，并研究緩慢加熱條件下推進劑熱的分解失重及細觀損傷，結合數值計算，探討點火前推進劑內的溫度分布及推進劑細觀結構熱損傷過程，并給出主控點火溫度選擇的建議，以期為發動機慢速烤燃主控點火溫度的設計提供指導。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

慢速烤燃實驗系統包括烤燃件、烤燃箱、熱電偶、壓力傳感器、溫控系統及數據采集系統，圖1～2 分別為實驗系統示意圖和現場布置圖。加熱系統由溫控系統、烤燃箱及熱電偶組成，溫控系統由控溫熱電偶和溫控箱組成。熱電偶測量加熱過程中推進劑裝藥所處的環境溫度，并將溫度數據實時反饋到溫控系統，溫控系統通過調整加熱功率實現對烤燃溫度的控制，按照既定的升溫程序對推進劑裝藥進行加熱。在推進劑裝藥中預置多個熱電偶監測烤燃過程中推進劑內部的溫度變化。在距離烤燃件中心3.0 和3.5 m 處分別布置10 個超壓傳感器，監測烤燃件發生響應時的沖擊波超壓。

烤燃件通過支架和固定工裝固定在烤燃箱內，保證烤燃件可靠固定，如圖3 所示。烤燃件直徑為200 mm，殼體厚度為3 mm，整體長度為900 mm，推進劑裝藥長度為450 mm，推進劑裝藥質量為17 kg，裝藥為HTPE 復合推進劑。沖擊波超壓傳感器采用PCB 生產的137B24 自由場傳感器，采集器采集頻率不低于2 MHz，采集時間為3 s。溫度傳感器采用鎧裝熱電偶，測溫范圍為0～1 200 ℃，采樣頻率不低于2 Hz，持續采集溫度信號，直至烤燃件發生反應。熱電偶布置如圖4 所示，在烤燃件內部布置6 路溫度測試點，用于記錄烤燃件內部推進劑的溫度變化。

1.2 實驗條件

實驗條件參照MIL-2105D《美國非核彈藥危險性評估試驗》[18]標準中的規定：從室溫以5 ℃/min 的升溫速率升溫至50 ℃，保溫8 h，再以3.3 ℃/h 的升溫速率對烤燃件進行烤燃，直至發生反應。為研究主控點火溫度對烤燃響應劇烈程度的影響，進行2 發實驗：實驗1 按照升溫條件持續加熱，直至發生反應；實驗2 先按照升溫條件進行加熱，當溫度到達120 ℃時，通過點火裝置進行主動提前點火。

2 數值計算

推進劑受熱發生點火的過程通常可以表示為：(1)環境中熱量傳入反應系統；(2)反應系統分解放熱；(3)分解產生的熱量向環境散失。當反應系統產生的熱量不能及時散失到環境時，系統溫度上升，使分解加速，系統形成自熱，使系統的溫度更快地上升，最終導致燃燒或爆炸。

為建立計算模型，對烤燃過程作出如下假設[12]：

(1)推進劑與絕熱層及絕熱層與殼體間無間隙，且忽略接觸熱阻；

(2)推進劑裝藥在整個烤燃過程中為固態，相變的影響可忽略；

(3)推進劑裝藥的自熱反應過程采用Arrhenius 定律描述，化學反應為零級放熱反應；

(4)各材料的物性參數及化學動力學參數為常量，不隨溫度變化。

在推進劑烤燃過程中，系統中固相的能量輸運方程可以用下面的形式表達：

式中：i表示烤燃件的不同結構材料； ρi、ci、 λi和Si分別對應材料的密度、比熱容、熱導率和內熱源；T為溫度，r為圓柱坐標系中的徑向距離；x為軸向距離。烤燃件中惰性材料內熱源均為零，推進劑裝藥的內熱源為其自熱反應放熱率。

假設推進劑自熱反應放熱過程滿足Arrhenius 方程，按照如下所示的零級反應模型，反應速率表達式為：

式中：α 為推進劑反應度；v為化學反應速率常數；f(α) 為反應機理函數；A為指前因子，E為活化能，R為氣體常數。則自熱源項S可以表示為

式中：ρ 為推進劑密度；Q為推進劑反應熱；f(α)=(1-α)n，n為反應級數。由于假設化學反應為零級放熱反應，因此n=0，f(α)=1 。

烤燃件材料參數如表1 所示，建立的數值計算模型如圖5 所示，在進行網格無關性驗證后，發現當網格尺寸小于1 mm 時，計算結果不受網格大小的影響。為更好地捕捉反應位置，對推進劑部分采用加密網格，網格尺寸為0.1 mm，空氣域部分網格尺寸為0.5 mm，殼體和絕熱層網格尺寸為0.2 mm，網格數量為148 萬。

表1 烤燃件材料參數[9]Table 1 Material parameters of cook-off components[9]

3 結果及討論

3.1 實驗結果

圖6 為實驗1 中熱電偶測量得到的溫度隨時間變化曲線，可以看出，在加熱的初始階段，升溫速率較高，靠近殼體表面的溫度傳感器TC1 和TC6 溫度較高，內部靠近兩端的溫度傳感器TC2 和TC5 溫度次之，TC3 和TC4 溫度最低。這是由于在慢速烤燃過程中，熱量從殼體表面向裝藥內部傳遞，受傳熱速率的影響，溫度從殼體表面到裝藥內部形成逐漸遞減的溫度梯度。經過8 h 保溫后，基本達到熱平衡，各監測點溫度相差很小。隨后以3.3 K/h 的升溫速率加熱時，溫度分布從外向內有一個較小的溫度差，直到達到推進劑的分解溫度，推進劑組分發生分解放出熱量。在推進劑熱分解、外界加熱及熱傳導的相互作用下，溫度最高點逐漸向推進劑內部移動，最終高溫區域移動到傳感器TC5 位置時達到點火溫度，發生點火，初始反應位置在監測點5 附近。

圖7 為實驗2 中監測點溫度，實驗2 中選擇在120 ℃時進行了人為干預，通過遠程點火裝置進行提前點火，點火位置位于靠近尾部的燃燒室內（TC5 附近）。從監測點的溫度分布上看，靠近殼體的推進劑溫度更高，與實驗1 中前1 768 min 的數據基本一致，從溫度分布和變化趨勢上來看此時推進劑尚未發生明顯的分解。

實驗1 反應后現場破壞情況如圖8 所示，反應后無殘留推進劑，未找到殼體碎片和見證板碎片，烤燃箱體嚴重破壞，原地只留下少量變形嚴重金屬殘片，判斷這些殘片屬于固定工裝及烤燃箱，在距離烤燃箱30～100 m 的區域找到了少量破壞嚴重的烤燃箱體碎片。圖9 為反應后壓力傳感器收集到的壓力數據，測到有效數據17 個，9、11 及19 傳感器損壞未測到有效數據。從壓力曲線上可以看出，形成了典型的超壓曲線，說明發生了爆炸及以上反應，對相同距離處的沖擊波超壓峰值求平均值，通過薩道夫斯基經驗公式對TNT 當量進行計算，TNT 當量為10.35 kg，發生劇烈爆炸。

圖10 為實驗2 反應后現場破壞情況：烤燃件殼體兩端沖開，側壁完整無明顯變形，烤燃箱兩端燒穿，主體完整；未測到有效沖擊波超壓，最終反應等級判定為燃燒。對比兩發實驗，除點火溫度不同外，其他條件相同，而實驗2 反應劇烈程度遠低于實驗1。這說明，在較低的溫度下通過主動控制提前點火可以有效地緩解反應劇烈程度。

3.2 數值計算結果

根據實驗條件建立數值模型，對烤燃過程進行數值模擬，圖11 所示為實驗1 中監測點5溫度監測結果與計算結果的對比，可以看出計算結果與實驗結果吻合良好，數值計算能較好地再現烤燃件的慢速烤燃過程。

為分析主控點火溫度影響反應劇烈程度的原因，首先對點火前的推進劑內部的溫度分布進行計算。圖12 所示為烤燃件在實驗條件下進行慢速烤燃時的溫度變化云圖。圖12（a）為烤燃1 min 時的溫度分布，開始加熱后熱量從殼體表面向推進劑內部傳遞。圖12（b）對應實驗2 中點火時刻，可以看出，在實驗2 中開始點火時，溫度最高區域位于殼體。這說明，此時推進劑未發生明顯的分解，溫度分布因從外部加熱而呈現由外向內遞減的趨勢。繼續加熱，當靠近殼體表面的推進劑達到分解溫度時，部分組分發生分解放出熱量，高溫區域逐漸由殼體轉移到該部分推進劑，但是由于溫度不是很高，分解速率較慢，放熱不多，不足以引發熱點積累導致整體點火。推進劑的整體溫度在外部加熱和推進劑緩慢分解的影響下逐漸升高，溫度最高區域從殼體逐漸向裝藥內部轉移，最終在監測點5 附近發生點火，如圖12（c）所示，與實驗測試得到的溫度數據吻合。可以看出，在發生點火前，推進劑溫度在175 ℃以上，高溫區域甚至在210 ℃以上，遠高于殼體溫度164 ℃。這說明，推進劑整體均發生了明顯的分解，尤其是高溫區域分解更為明顯。

3.3 結果分析與討論

對比實驗1 和實驗2 的結果，可以看出：實驗1 的點火是由于在加熱過程中推進劑發生熱分解，放出熱量，隨著溫度的升高，分解速率加快，釋放熱量增加，最終熱量的積累導致了推進劑的整體反應；而實驗2 在120 ℃時通過遠程點火裝置進行人為干預點火，此時推進劑本身尚未發生明顯的分解。實驗1 發生劇烈爆炸，而實驗2 發生燃燒反應，這說明通過主動控制提前點火可以有效緩解發動機慢速烤燃響應的劇烈程度。影響因素中，溫度越高，推進劑的燃燒速度越快[19]；當點火溫度較高時，推進劑中組分的分解導致的細觀結構損傷對燃燒過程的影響。

為了分析在自熱點火前推進劑的熱分解過程，制備了相同配方的推進劑藥片，按照1 ℃/min 的升溫速率，采用如圖13 所示的加熱裝置進行加熱，并監測加熱過程中推進劑藥片的質量變化和形貌變化，推進劑初始質量為3.85 g。推進劑的質量和外觀形貌變化如圖14 所示，在80 min 前，推進劑的質量變化很小，繼續加熱，推進劑開始分解失重（由于控溫熱電偶在氧化鋁片下方，測量溫度為環境溫度，熱電偶采集溫度低于推進劑表面實際溫度），且隨著溫度的升高，質量損失速率加快，在發生點火前失重16.1%。推進劑在加熱過程中顏色也有所加深，當加熱到接近160 min 時，推進劑從溫度較高的四周開始發生明顯分解，粘結劑體系的分解導致推進劑顏色變成白灰色，繼續加熱，整塊推進劑都因粘結劑分解而變成白色，并在邊緣形成了較大的裂紋，隨后發生燃燒。

進一步分析由于推進劑組分分解導致的細觀結構變化，重復上述實驗，為保證樣品加熱環境相同，在同一氧化鋁片上放置了多塊推進劑藥塊，待加熱到80、160 min 時在高溫條件下分別取出一塊樣品，待臨近點火前停止加熱，獲得臨界點火狀態的推進劑樣品。待樣品冷卻后，通過SEM 分析加熱導致的結構損傷，如圖15 所示。從圖15 中可以看出：在80 min 以前沒有明顯的變化；但是加熱到160 min 時，粘結劑發生了明顯分解，同時AP 表面可以觀察到少量分解導致的孔隙結構；當臨近點火前，粘結劑分解嚴重，AP 及鋁粉已經幾乎完全裸漏出來，同時AP 也發生了明顯的分解，在表面可以觀察到大量孔狀結構。在緩慢加熱條件下推進劑中粘結劑及AP 的分解導致推進劑裝藥的細觀結構遭到嚴重破壞，這在點火后可能造成燃面增大，燃燒加速，導致劇烈的反應。

為分析提前點火溫度對慢速烤燃響應特性的影響，先分析烤燃件慢速烤燃點火前推進劑高溫區域分布特征。為避免推進劑中粘結劑及AP 發生明顯分解進而導致點火后的反應烈度增大，計算大于150 ℃時的推進劑區域隨主控點火溫度的變化，如圖16 所示，為主控點火溫度為120、130 、140、150、160 和164 ℃時的高溫區域推進劑分布情況。

從圖16 中可以看出，在120 和130 ℃點火時，推進劑內部溫度沒有達到150 ℃以上的區域；當點火溫度達到140 ℃時，靠近噴管附近的少量推進劑溫度已經達到了150 ℃以上，說明此時推進劑已經發生了部分分解并形成了熱量積累，導致推進劑內部溫度高于殼體表面溫度。當點火溫度達到150 ℃時，已經有較高比例的推進劑溫度高于150 ℃，當點火溫度達到160 ℃或自然點火時，全部推進劑溫度都在150 ℃以上。

通過圖像處理，進一步分析高于150 ℃的推進劑占總推進劑的比例。根據文獻[20]中的方法，采用ImageJ 軟件和Matlab 軟件，計算不同溫度下高溫推進劑的占比，結果如圖17 所示，圖中橫坐標為殼體溫度，縱坐標為對應時刻150 ℃以上推進劑占總推進劑的質量比。從圖中可以看出，當殼體溫度高于138 ℃時，出現超過150 ℃的推進劑占總推進劑的質量比出現快速增加，當殼體溫度達到156 ℃時，全部的推進劑都達到150 ℃以上。因此，針對該烤燃件的慢速烤燃，可以認為在138 ℃以下提前點火，可以避免推進劑中AP 發生分解，以達到降低點火后的燃燒演化速率及反應烈度的目的。

4 結 論

針對點火溫度對復合推進劑裝藥在慢速烤燃條件下的影響，開展了實驗和數值計算研究，并對影響機制開展了分析，得到如下結論。

(1)針對復合推進劑的慢速烤燃，點火溫度會對反應劇烈程度造成較大的影響，點火溫度越低響應劇烈程度越低。以本文中研究的典型復合推進劑為例，在164 ℃發生點火時發生劇烈爆炸，在120 ℃點火時，發生燃燒反應，在推進劑達到分解溫度之前提前點火，可以有效降低慢速烤燃響應等級。

(2) 針對推進劑緩慢加熱條件下的分解過程研究發現，推進劑在緩慢加熱過程中粘結劑組分和AP 會發生明顯分解，產生裂紋和孔隙。數值計算結果表明，當殼體溫度大于138 ℃，出現超過150 ℃的推進劑，隨著殼體溫度的升高，高溫推進劑的占比快速提升，當殼體溫度達到156 ℃時，全部推進劑都達到150 ℃以上，考慮到AP 分解導致的孔隙結構對反應劇烈程度的影響，提前點火溫度的設定應低于138 ℃。

(3)為了避免在慢速烤燃過程中推進劑中AP 發生分解產生多孔結構進而導致點火后反應劇烈，通過一定的措施提前點火，降低點火時推進劑的溫度，可以有效降低反應劇烈程度，技術上可行，降低反應烈度效果明顯。