某產品低溫靜試燃燒時間超差原因分析與驗證

陳曉錦,趙俊波,成愛珍,毛旭輝

(1.空軍裝備部駐太原地區軍事代表室,山西 太原 030006;2.山西北方興安化學工業有限公司,山西 太原 030008;3.晉西工業集團有限責任公司,山西 太原 030027)

1 引言

固體火箭發動機內彈道性能是固體發動機設計的重要內容,其核心是發動機燃燒室內壓強隨時間變化的規律,是固體發動機獲得推力、燃燒室壓強、總沖量、比沖量、工作時間等一系列性能參數的可靠方法。固體發動機只有按照設計的壓強-時間曲線工作,才能達到既定的飛行技術指標[1-3]。根據固體火箭發動機工作原理,發動機整個工作過程的壓力-時間曲線可以分為3段,即壓力上升段、壓力接近平衡壓力的平衡段、燃燒結束的后效段。發動機工作時影響3段工作時間的因素主要表現在推進劑的燃速、藥形尺寸、包覆情況以及發動機結構參數等方面[4-10]。

某產品采用XX-2雙基推進劑,目前分外貿和國內兩種配套方式。某年外貿發動機裝藥(1101批發動機裝藥,以下簡稱為“1101批”)各項性能均符合要求,國內發動機裝藥(1102批發動機裝藥,以下簡稱為“1102批”)高溫曲線正常,但低溫靜試時,第1發燃燒時間為1.77 s,第2發為1.79 s,均超出了指標上限1.7 s的要求,出現了燃燒時間超差,而總沖、推力均符合指標要求,曲線被整體拉長的現象。本文從原材料及催化劑成分、燃速、藥形尺寸、包覆以及發動機結構等方面進行分析,通過試驗進行驗證,確定產品低溫靜試燃燒時間超差的原因。該研究解決了低溫靜試燃燒時間超差的問題,進一步明確了該產品后續生產過程中的重點控制事項,為產品的質量保證提供了積極的指導作用。

2 原因查找分析

2.1 催化劑成分

XX-2雙基推進劑配方組成與配比見表1。

表1 XX-2配方組成要求

燃速催化劑是影響雙基推進劑燃燒性能的主要因素[11],催化劑批次、含量的不同,對推進劑燃速結果存在較大影響。因而先從催化劑進行分析,1101批和1102批吸收藥、催化劑(炭黑)、催化劑(鉛鹽)及配比情況見表2。

表2 裝藥化學成分及燃速分析對比情況

從兩批吸收藥分析可知,化學成分分析結果符合表1技術指標要求,催化劑批次不同,配方加入量相同,測試結果有差異,因屬大生產工藝,該現象屬可接受偏差范圍。雖然含量有所差異,但對裝藥+50 ℃、6.9 MPa下燃速結果影響不大。

2.2 燃速分析

根據生產的正常程序,在產品批量生產之前應對推進劑物料進行高溫燃速測試。將1101批裝藥和1102批裝藥用藥粒分別壓制φ18 mm藥柱樣品,按照GJB 770B—2005 方法706.1采用靶線法進行燃速測試,測試條件均為+50 ℃、6.9 MPa,燃速測試結果見表2。

從表2測試結果看,1101批+50 ℃、6.9 MPa下燃速為12.00 mm/s;1102批為12.04 mm/s。兩批高溫燃速測試結果接近,且在內控指標(11.5～12.4 mm/s)中上限。從測試結果可知,1102批裝藥的燃速略高于1101批,如果溫度系數接近,壓力指數差別不大,應該二者低溫工作時間接近。然而,實際上1101批裝藥低溫內彈道工作時間為1.68 s,1102批裝藥為1.79 s,1102批裝藥比1101批裝藥工作時間長0.11 s,造成1102批裝藥低溫工作時間超出指標。

對兩種裝藥低溫燃速出現明顯差異的原因進行分析,一方面可能是系統誤差造成的,如燃速樣取樣是否均勻,壓制樣品的塑化成型質量是否一致,樣品的水分和密度以及測試包覆時樣品的浸泡次數、間隔時間、晾干時間是否一致,以及壓力波動、測試環境溫度等因素均會對測試結果造成干擾;另一方面可能是原材料批次變動引起的,特別是鉛鹽催化劑的水分、粒度的變化影響到吸收藥的燃速溫度系數和壓力指數,均有可能使高溫燃速正常,低溫燃速偏低,從而使低溫燃燒時間較長。

2.3 藥形尺寸

兩批裝藥采用的物料成分接近,其熱膨脹效應接近,因而兩種裝藥藥形尺寸差別主要由壓藥模具決定。從兩者壓藥所使用的模具分析,1101批和1102批在壓藥時所用銅套和針均為φ108 mm/φ47.3 mm,故而排除了壓藥模具對藥形尺寸的影響。筆者直接對兩種裝藥的藥形尺寸進行檢測,對比結果見表3。

表3 裝藥壓藥模具及藥形尺寸對比情況

從表3對比情況看,兩批藥形尺寸結果接近。若燃速接近,燃燒時間應該接近,因此藥形尺寸不是影響燃燒時間的主要因素。

2.4 包覆情況

裝藥采用101聚氨酯膠將聚酯包覆片對藥柱進行端面包覆。兩批裝藥采用的包覆片和包覆用101聚氨酯膠及包覆工藝情況見表4。

表4 裝藥包覆情況

從表4可以看出,兩批裝藥的包覆技術和手段一致,其中兩批裝藥包覆所用原材料如101膠甲乙組份及批次完全相同,1101批裝藥所用包覆片為10-W1批、10-W2批、10-W3批,1102批裝藥為10-N1批、10-N2批。盡管包覆片批次不同,但是兩批裝藥靜試過程中燃燒曲線正常,說明兩者包覆質量合格,沒有對工作時間造成影響。

2.5 發動機結構

固體火箭發動機主要由殼體、固體推進劑裝藥、絕熱層、噴管和點火裝置組成。其中,殼體涂層的厚度、噴管的噴喉面積等方面,如果誤差較大,也會很大程度上影響到發動機的平衡壓力和工作時間。

1101批裝藥靜試試驗工作正常,問題發生后,為排除因1102批試驗用發動機引起低溫工作時間超差的原因,采用1101批試驗用剩余發動機對1102批藥柱進行了驗證試驗。試驗結果顯示,1102批工作時間為1.79 s,與之前1102批藥柱在1102批發動機內的工作時間(1.77、1.79 s)基本一致,故而可以排除1102批發動機結構對裝藥工作時間的影響。

2.6 小結

綜上所述,原材料及催化劑成分對兩批裝藥高溫燃速性能無影響,但通過低溫內彈道工作時間超差分析可知,兩批裝藥藥形尺寸、包覆情況及發動機結構均不是造成低溫內彈道工作時間超差的主要原因;因此,低溫工作時間超差的主要原因集中于催化劑對裝藥燃速的影響,本文將通過試驗進行驗證。

3 試驗驗證

3.1 裝藥燃速分析

加入燃速催化劑提高推進劑燃速是目前最廣泛和最常用的一種方法,催化劑加入的量很少,卻能較大幅度地調節推進劑的燃速。鉛鹽、炭黑復合與鉛鹽單獨使用時比較,可普遍提高燃速,同時二者含量的不同對壓強指數的影響也不同[12]。

為驗證裝藥中燃速催化劑對裝藥燃速的影響,對裝藥燃速性能進行了進一步分析,同時考慮裝藥高溫(+50 ℃)、低溫(-40 ℃)工作壓力區間的差異,分別取高溫壓力區間為5～9 MPa、低溫壓力區間為3～7 MPa,通過對成品藥柱加工成φ5 mm藥柱,采用GJB 770B—2005方法706.1對裝藥進行了不同壓力條件下的高溫(+50 ℃)、低溫(-40 ℃)燃速和壓強指數測試,測試結果見表5和表6。

表6 低溫(-40 ℃)燃速測試結果

由表5和表6可知,兩種裝藥燃速在高溫時各壓力下燃速值相差不大,但1102批裝藥在3～7 MPa下燃速均低于1101批。由此可見,造成1102批裝藥低溫燃燒時間超差的主要原因是該批裝藥低溫工作環境下燃速偏低。

3.2 燃速催化劑對燃速性能的影響

為了進一步驗證影響裝藥低溫燃速的主要影響因素,對不同炭黑、鉛鹽含量(選取炭黑含量為0.4%、0.7%、0.1%,鉛鹽含量為2.5%、3.0%、3.5%)進行了推進劑的制備,并進行了燃速性能的測試。燃速測試結果見表7和表8。

表7 高溫(+50 ℃)燃速測試結果

表8 低溫(-40 ℃)燃速測試結果

由表7和表8可知,炭黑、鉛鹽對裝藥燃速性能均有較大影響,根據裝藥燃速內控要求(+50 ℃、6.9 MPa條件下11.8～12.45 mm/s),并考慮低溫工作時間的影響,炭黑、鉛鹽含量應分別控制在0.1%～0.3%、3.0%～3.5%。

4 認識與改進效果

4.1 對產品質量控制的認識

通過上述分析與驗證,可以認為造成該產品低溫燃燒時間偏長的主要原因是產品在低溫工作環境下燃速偏低,低溫下鉛鹽催化劑對燃速影響較大,其原始粒度分散性的大小基本上決定了催化活性的大小。

針對本產品出現的問題,筆者認為燃速測試時應增加低溫低壓力區間內多點測試,根據多年來的結果統計,建議將內控指標修訂為+50 ℃、6.9 MPa條件下11.8～12.45 mm/s,同時測試-40 ℃時不同壓力點的燃速,燃速可控為-40 ℃、6.9 MPa條件下11.3 mm/s以上,并對藥柱低溫燃速進行數據積累。

4.2 改進效果

在1201批生產中對產品的催化劑更換了批次并控制其配比,對燃速進行了低溫多點測試。其中低溫-40 ℃、6.9 MPa條件下的燃速為11.39 mm/s,確保了產品性能符合技術指標要求,內彈道試驗結果見表9和表10。

表9 高溫(+50 ℃)試驗結果

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)通過從原材料、催化劑成分、燃速、藥形尺寸、包覆情況以及發動機結構等方面進行分析及驗證,認為1102批裝藥低溫靜試燃燒時間超差的原因是受裝藥低溫燃速偏低的影響。

2)在產品批量生產前除了對高溫燃速進行測試外,還需對低溫低壓區間內燃速進行控制,以確保內彈道性能滿足指標要求。

3)催化劑(炭黑、鉛鹽)是影響裝藥燃速性能的主要材料,對裝藥高、低溫燃速的控制是確保內彈道性能合格的關鍵因素。