低鋁含量HTPB固體推進劑的燃燒特性

徐紀琳,李兆娜,陳建發,盧國強,吳佳佳,錢建國,張惠坤

(上海航天動力技術研究所,浙江 湖州 313000)

引 言

在復合固體推進劑中,為了提高比沖和抑制不穩定燃燒,常加入一定量的金屬添加劑,而鋁粉由于密度高、耗氧量低及燃燒焓高,可有效提高固體推進劑的能量,因此被廣泛應用[1]。

通常固體推進劑體系中加有質量分數10%～18% 的鋁粉,而當其超過8%時,在推進劑燃燒過程中會在燃燒表面上凝結成大的液滴,從而影響鋁粉的燃燒效率和速率,若燃燒不完全則會造成噴管的兩相流損失[2]、紅外信號增加、形成羽煙狀的氣體排出等缺陷;另外,鋁粉燃燒會產生三氧化二鋁殘渣,如果殘渣沉積過多,一方面對發動機內防護絕熱層沖刷大,另一方面容易在噴管喉部產生沉積,影響內彈道性能,這些都會導致推進劑實際比沖明顯低于理論計算值,嚴重影響發動機的燃燒效率[3]。而低鋁含量推進劑特征信號低,燃燒時少煙,兩相流損失小,對戰術武器隱蔽發射基地、改善射擊工作條件以及提高武器戰斗能力都是十分有利的,是推進劑發展的新趨勢。因此,研究低鋁含量固體推進劑,改善推進劑燃燒狀態,從而提高推進劑固體發動機燃燒效率十分重要[4-6]。

本研究主要以鋁粉質量分數為5%的HTPB推進劑為對象探究其燃燒性能,研究了鋁粉含量及粒度、氧化劑級配對推進劑燃燒性能的影響;對比了高、低鋁含量條件下推進劑的能量水平,從配方組成角度分析了鋁粉含量對推進劑燃燒效率的影響,以期為進一步優化推進劑配方、調節推進劑燃燒狀態來提高發動機燃燒效率奠定基礎。

1 實 驗

1.1 主要原材料

高氯酸銨(AP,40～60目、6 ～8μm等),大連高佳化工有限公司;球形鋁粉(Al,29±3μm),鞍鋼實業微細鋁粉有限公司;端羥基聚丁二烯(HTPB),黎明化工研究設計院有限責任公司;癸二酸二異辛酯(DOS酯質量分數99.91%),天元航材(營口)科技股份有限公司。

1.2 推進劑配方設計

為追求綜合性能優越的HTPB推進劑,配方以減少鋁含量、調節固化網絡體系為主,優化配方設計,基礎配方(質量分數)為:黏結體系8.9%～9.4%,氧化劑79%～82%,鋁粉5%,增塑劑DOS 3.0%,其他組分1.1%～3.6%。

為制備不同燃速的推進劑,基于基礎配方,作出相應調整:對于高燃速低鋁推進劑,配方選擇卡托辛作為正燃速催化劑以提高燃速;對于低燃速低鋁含量推進劑,配方調整選擇碳酸鈣作為負燃速催化劑以降低燃速,針對不同燃速要求,氧化劑級配也有所優化。

1.3 制備方法

按比例稱取推進劑組分,經預混后加入立式混合機中,混合108min,真空澆注于方坯模具,50℃固化(144±2)h。

1.4 性能測試

按GJB770B-2005方法進行水下聲發射法測試;按GJB97A-2020方法進行BSFΦ75發動機測試;按GJB97A-2020方法進行BSFΦ165發動機測試。

2 結果與討論

2.1 低鋁含量推進劑工藝性能研究

對于低鋁含量推進劑,在固含量一定的條件下,由于配方中能起到潤滑作用的球形鋁粉含量少,固體填料大部分為細粒徑的氧化劑填料,可能會導致推進劑藥漿流動性變差、黏度過高,從而導致裝藥過程中產生空洞、裂紋等缺陷[7],因此良好的工藝性能對推進劑的發動機裝藥十分重要。為考察低鋁含量推進劑的工藝性能,分別對高、低燃速推進劑進行工藝性能測試,并與鋁質量分數18%的常規推進劑進行對比,相關參數見表1。

表1 不同鋁粉含量推進劑工藝性能參數Table 1 Process performance parameters of propellants with different aluminum powder contents

由表1可知,對于低燃速推進劑,低鋁含量推進劑初始黏度為391Pa·s,3h內增幅為148.08%;對于高燃速推進劑,低鋁含量推進劑初始黏度為519Pa·s,3h內增幅為142.58%,與質量分數18%鋁的推進劑相比,低鋁含量推進劑初始黏度較小,3h內黏度增長較快,流動性較好,總體工藝性能較好。

結合工藝性能數據和實際發動機的澆注情況,低鋁含量推進劑初始黏度小,3h內工藝性能良好,能滿足一般發動機的澆注需求。

2.2 鋁粉含量對推進劑燃燒性能的影響

為探究鋁粉含量對推進劑燃燒性能的影響,以低燃速推進劑為研究對象,分別采用BSFΦ75和水下聲發射法測試了相同固含量條件下,5%、12%、15%、18%鋁質量分數的推進劑在7MPa下的動態燃速(r)和動態壓強指數(n,壓強范圍4～8MPa)。測試結果見表2。

表2 鋁粉含量對推進劑燃燒性能的影響Table 2 Effect of aluminum powder content on the combustion performance of the propellants

由表2可知,鋁粉質量分數由5%升至18%,推進劑動態燃速由5.82mm/s降為5.18mm/s,動態壓強指數沒有明顯變化。分析認為,鋁粉含量增高,燃燒時釋放的熱量對推進劑燃燒表面的熱反饋增加,燃速有增加的趨勢;然而,一方面鋁粉的凝聚現象加劇,自身燃燒效率降低;另一方面,推進劑中氧化劑的含量相應減少,導致推進劑中提供自持燃燒所需的氧含量降低,進而影響推進劑燃燒速率。綜合分析,兩種因素作用下,該配方的推進劑燃速隨鋁粉含量的增加會有所降低,但降幅變小。

為驗證鋁粉含量對推進劑燃燒情況的影響,對不同鋁粉含量推進劑進行BSFΦ75標準試驗發動機試驗。發動機點火燃燒過程如圖1所示,燃燒曲線如圖2所示。

圖1 BSFΦ75發動機點火燃燒試驗Fig.1 Ignition and combustion test of BSF Φ 75 engine

圖2 BSFΦ75發動機試驗p—t曲線Fig.2 p—t curves of BSF Φ 75 engine test

由圖1和圖2可知,鋁粉質量分數分別為5%、12%、15%、18%時,0～0.1s內均出現壓強急劇上升又下降形成的高峰,這是點火藥包燃燒產生的點火峰,為正常現象。其中,鋁粉質量分數為12%、15%和18%的試驗曲線在0.1～0.2s內出現波動,這是由于點火藥組分間配比不恰當導致初始燃燒不穩定,壓強產生波動,調整點火藥組分配比后,鋁粉質量分數為5%的發動機試驗曲線正常。發動機在0.2s后均進入燃燒平穩段,該階段壓力升到最大,燃燒結束后壓強逐漸下降。總體來說,在8～10MPa下,5%鋁質量分數的推進劑發動機試驗p—t曲線平穩,與鋁粉質量分數為12%～18%的推進劑燃燒曲線有相同的變化趨勢,說明低鋁含量條件下推進劑能穩定燃燒,在發動機內的燃燒情況無明顯變化[8]。

2.3 鋁粉粒度對推進劑燃燒性能的影響

鋁粉粒度影響推進劑燃燒性能[6,9]。分別以高、低燃速推進劑為研究對象,固含量(S)一致,對不同粒度鋁粉的推進劑采用水下聲發射法進行燃速測試,其中低燃速推進劑測壓范圍為1.0～6.0MPa,高燃速推進劑測壓范圍為5.0～18.0MPa,結果見表3和表4。

表3 鋁粉粒度對低燃速推進劑燃燒性能影響Table 3 Effect of aluminum powder particle size on the combustion performance of low burning rate propellants

表4 鋁粉粒度對高燃速推進劑燃燒性能影響Table 4 Effect of aluminum powder particle size on the combustion performance of high burning rate propellants

對于低燃速推進劑,隨著鋁粉粒徑減小,同一壓強下推進劑燃速有所升高,且壓強越高,燃速增幅越大。以D-1、D-2為例,在1、2、3、4、6MPa下,鋁粉粒徑由29μm降為13μm,推進劑燃速分別增長0.17、0.39、0.69、1.09、1.16mm/s,1～6MPa內推進劑壓強指數也明顯增大。對于高燃速推進劑,隨著鋁粉粒徑減小,同一壓強下推進劑燃速有所升高,燃速隨壓強增幅也增大:壓強由5.0MPa增大至18.0MPa,鋁粉粒徑為29、13、4、2μm的推進劑燃速分別提高了5.19、5.22、5.70、5.97mm/s,5～18MPa內推進劑壓強指數也有所增大。綜合分析,對于不同燃速、不同壓強下的推進劑,鋁粉粒徑越小,推進劑燃速越大,壓強指數越大。

分析認為,推進劑燃燒過程中,鋁粉首先在推進劑燃面熔化吸熱,同時發生燃燒氧化反應進一步放熱。由于鋁粉粒徑不同,在推進劑燃面從凝聚至點火過程的燃燒行為不同,產生的熱效應就會有所差別[10-11]。細鋁粉對推進劑的燃燒性能影響較粗鋁粉大,這是由于細鋁粉有大的比表面,所以在凝聚過程中表面氧化放熱要大于粗鋁粉,增加了對燃面的熱反饋,加劇了氧化劑分解,因而使燃速增加,但同時細鋁粉燃燒表面形成的鋁液滴會增加,燃燒時在推進劑燃面會發生較為嚴重的凝聚行為[12],影響了推進劑的燃燒行為,燃速受壓強變化的影響也會更加明顯。因此鋁粉粒徑減小,推進劑燃速和壓強指數都有所增大[1]。

2.4 推進劑比沖效率研究

為探究低鋁含量推進劑配方組成對能量釋放效率的影響,以鋁粉質量分數為5%的推進劑為研究對象,對不同燃速的推進劑進行了BSFΦ165發動機試驗,考察7MPa下推進劑的實測比沖Isp1、理論比沖Isp2以及比沖效率η,并與常規鋁粉含量推進劑能量進行對比,試驗結果見表5。

表5 不同燃速推進劑能量性能參數Table 5 Energetic performance parameters of propellants with different burning rates

由表5可知,對比試驗1～6,推進劑燃溫隨著鋁粉含量的降低而降低,氧系數隨著鋁粉含量的降低而升高;與鋁質量分數為15%和18%的推進劑相比,鋁粉質量分數為5%的推進劑密度明顯降低,7MPa下的理論比沖也較低。

對比試驗1、試驗4和試驗5,對于低燃速推進劑,低鋁含量推進劑實測比沖為2387N·s/kg,比沖效率為97.3%;而15%和18%鋁質量分數的推進劑實測比沖分別為2422和2415N·s/kg,比沖效率比分別為95.1%和94%。對比試驗2、試驗3和試驗6,對于中高燃速推進劑,低鋁含量推進劑實測比沖分別為2432和2465N·s/kg,比沖效率分別為97.8%和98.6%,18%鋁質量分數的推進劑實測比沖為2471N·s/kg,比沖效率為95.4%。結果表明,對于燃速相近的推進劑,低鋁含量推進劑實測比沖與常規鋁含量推進劑實測比沖相近,且比沖效率更高。

分析認為,鋁質量分數為5%時,由于鋁粉含量不高,對燃溫的貢獻減少,因此燃溫較低;然而鋁粉的減少伴隨著AP含量的增多,AP成為推進劑能量的關鍵因素,AP含量越高,氧系數越大,組分燃燒效率越高,能量損失越少,表現出來的比沖效率就越高,能達到97.3%及以上。隨著鋁粉含量的升高,一方面,推進劑的燃溫升高,燃燒產物離解強度增大,能量損失增大;另一方面,鋁含量的增加使得燃氣在噴管流動過程中的散熱損失和摩擦損失等都有不同程度的增加,不利于鋁粉能量的充分發揮[13-14],從而導致推進劑比沖效率降低[3]。

綜合發動機實際能量數據分析,鋁粉含量降低雖然會導致發動機燃燒能量的降低,但AP含量隨之提高帶來的氧系數升高足以彌補鋁粉含量減少對燃溫以及能量產生的影響,同時鋁粉的燃燒效率大大增加,發動機的比沖效率也會明顯提高。總體而言,低鋁含量推進劑發動機的實際能量與常規鋁含量的發動機相比無明顯差距,對發動機的整體設計是有利的[15]。

3 結 論

(1)低鋁含量推進劑工藝性能良好,適應期長,能滿足一般發動機的澆注要求。

(2)對于低燃速推進劑,同一固含量條件下,低鋁含量推進劑燃速較高,壓強指數沒有明顯變化。

(3)鋁粉粒徑對低鋁含量推進劑的燃燒性能有一定的影響,對于不同燃速的低鋁含量推進劑,隨著鋁粉粒徑減小,推進劑燃速和壓強指數都有所增大。

(4)8～10MPa內低鋁含量推進劑能穩定燃燒。鋁粉質量分數為5%時,與鋁粉質量分數不小于15%的推進劑相比,燃溫和理論比沖降低,氧系數升高,但鋁粉的燃燒效率增加,推進劑的比沖效率明顯提高。7MPa下,對5%鋁質量分數的低鋁含量推進劑,低燃速推進劑實際比沖達到2387N·s/kg,比沖效率97.3%,高燃速推進劑實際比沖達到2465N·s/kg,比沖效率98.6%。低鋁含量推進劑的實際能量水平不低于常規鋁粉含量推進劑的能量水平。