謝五喜，蔚紅建，張 偉，張亞俊，劉 春

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

戰(zhàn)術(shù)武器隱身技術(shù)是衡量其現(xiàn)代化水平的重要因素，對于戰(zhàn)略導(dǎo)彈或火箭彈來講，發(fā)射場地和平臺的隱蔽性及機(jī)動性提高后，推進(jìn)劑的隱身對于整個(gè)導(dǎo)彈系統(tǒng)將顯得異常重要。一般講，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在發(fā)射及飛行時(shí)，噴焰中的煙霧不僅有可見煙，而且還有紅外和紫外輻射，容易暴露導(dǎo)彈方位，也易被敵方攔截［1］;另一方面，在制導(dǎo)信號(微波、電磁波和激光)穿越噴焰和煙霧區(qū)時(shí)還會衰減和被干擾，從而嚴(yán)重地影響制導(dǎo)的精確性［2-3］。因此，研制具有低特征信號(既無煙又無焰)的新型推進(jìn)劑是當(dāng)代固體推進(jìn)劑發(fā)展的一個(gè)重要方向。

含硝酸酯增塑的疊氮聚醚型粘合劑(如GAP、BAMO、BAMO/THF 等)的復(fù)合固體推進(jìn)劑是近年發(fā)展起來的新型固體推進(jìn)劑，是未來導(dǎo)彈使用的能量高、低溫力學(xué)性能好的一種推進(jìn)劑［4］。一般地講，疊氮推進(jìn)劑在保證其優(yōu)良的力學(xué)性能前提下，進(jìn)一步提高體系能量的途徑是改變配方中其他含能材料的種類和比例。已有的研究表明［5-14］，CL-20 作為一種新型高能氧化劑，由于其物理化學(xué)性能及結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性，及其結(jié)構(gòu)中不含鹵素，在高能低特征信號固體推進(jìn)劑研制方面具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。本文以含奧克托今(HMX)的BAMO/THF 推進(jìn)劑為基礎(chǔ)配方，用部分CL-20 替代原配方中的HMX、AP、Al 粉，通過計(jì)算研究了CL-20 代替推進(jìn)劑配方中HMX、AP、Al 時(shí)推進(jìn)劑配方的能量特性和特征信號，以期改進(jìn)和優(yōu)化配方。

1 實(shí)驗(yàn)方法及說明

采用White 的最小自由能法計(jì)算和評定系統(tǒng)的化學(xué)平衡成分組成及相應(yīng)的能量特性。文中主要以理論比沖(ISP)、燃燒溫度(TC)、特征速度(C*)及體系氧燃比等參數(shù)來表征和評價(jià)推進(jìn)劑的能量特性。ISP值為膨脹壓力比PC/P為100/1 時(shí)的理論比沖;在設(shè)計(jì)的配方中若未特別注明組成時(shí)，均為采用下述配方組成:①增塑劑為TEGDN ，粘合劑為BAMO/THF(50/50);②配方中增塑劑用量(PL)與聚合物用量(PO)之比PL/PO為1.0;③全配方中固含量為72%，功能助劑為1.9%，其余為粘合劑體系。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 Al 粉含量對BAMO/THF 基固體推進(jìn)劑能量特性的影響

首先計(jì)算了含與不含AP 時(shí)Al 粉含量對BAMO/THF 基固體推進(jìn)劑能量特性的影響。表1 中計(jì)算結(jié)果為Al 粉和HMX 含量互相變化，固定AP 含量為10%，其他組分含量不變。表2 中計(jì)算結(jié)果為Al 粉和HMX 含量互相變化，AP 含量為0%，其他組分含量不變。

由表2 中數(shù)據(jù)可以看出隨配方中鋁粉含量增加，推進(jìn)劑比沖增加明顯。作為能量特征參數(shù)的特征速度和燃燒溫度也都有明顯增加。由表1 中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)固定AP 含量為10%不變時(shí)，隨鋁粉含量從10%降到0，HMX 含量從52%增加到62%時(shí)，推進(jìn)劑的比沖從2 641.9 N·s·kg-1降到2 445.60 N·s·kg-1，降幅達(dá)7.4%，特征速度和燃燒溫度也有大幅下降。當(dāng)配方中不含AP 時(shí)，表2 中數(shù)據(jù)同表1 中數(shù)據(jù)比較可以看出，相同含量Al 粉時(shí)，添加AP 對推進(jìn)劑比沖有正的影響作用，即為了得到高能量，必然會犧牲推進(jìn)劑的特征信號性能。為了近一步比較CL-20 對推進(jìn)劑能量性能的影響，計(jì)算了不含AP 時(shí)含CL-20 推進(jìn)劑體系的能量性能，計(jì)算結(jié)果見表3。

表1 Al 粉含量對HMX/BAMO/THF 推進(jìn)劑體系能量的影響( AP=10%)

表2 HMX 推進(jìn)劑體系能量水平受鋁含量的影響( AP=0%)

表3 CL-20 推進(jìn)劑體系能量水平受鋁含量的影響( AP=0%)

比較表3 和表2 中數(shù)據(jù)可以看出，含CL-20 的推進(jìn)劑體系同含HMX 的推進(jìn)劑體系相比，含CL-20 的推進(jìn)劑體系有更高的比沖。Al 粉含量10%時(shí)，含Cl-20 的推進(jìn)劑體系的比沖比含HMX 的推進(jìn)劑體系的比沖高27.71 N·s·kg-1，不含Al 粉時(shí)，比沖則高110.34 N·s·kg-1;比較表3 和表1 中數(shù)據(jù)可以看出，含AP 的HMX 推進(jìn)劑體系的比沖與不含AP的CL-20 推進(jìn)劑體系的比沖值相比，在相同Al 粉含量時(shí)，含CL-20 的推進(jìn)劑的比沖仍然高出含AP 的HMX 推進(jìn)劑體系的比沖許多，計(jì)算結(jié)果說明了在BAMO/THF 基推進(jìn)劑中添加CL-20 是實(shí)現(xiàn)高能低特征信號推進(jìn)劑的一條可行的技術(shù)途徑。

以上數(shù)據(jù)也表明，CL-20 比HMX 對配方體系的能量有較大貢獻(xiàn)，而且在配方凋整過程中在能量上顯示出較強(qiáng)的緩沖能力，即對CL-20 體系而言，配方中其他小組分含能材料含量的變化，對體系能量水平的影響較HMX 體系來得要小。這就意昧著該體系具有較大的配方調(diào)整空間。

2.2 燃速催化劑對含CL-20 低特征信號推進(jìn)劑能量水平的影響

燃速催化劑在固體推進(jìn)劑配方中含量通常在2%左右，其含量雖然很少，但其對推進(jìn)劑的燃燒性能調(diào)節(jié)過程 中卻起著非常重要的作用，因此本文也計(jì)算了不同燃速催化劑對CL-20/BAMO/THF 基能量特性的影響，計(jì)算結(jié)果列于表4。其中A 為碳酸鉛，B 為氧化銅，C 為五氧化二釩，D 為氧化鉛，E 為C.C，F(xiàn) 為硬脂酸鉛，G 為卡托辛，H 為雙金屬鹽，I 為NTO-Pb，括號中數(shù)字為其百分含量，均為外加。

由表4 中數(shù)據(jù)可看出，不同的燃速催化劑對推進(jìn)劑能量性能影響不同。相同含量催化劑含量時(shí)，以NTO 鉛鹽催化劑對推進(jìn)劑能量性能影響最小，這主要是因?yàn)镹TO 鉛鹽為含能催化劑的緣故，其次是氧化鉛。根據(jù)以往的研究，在一定的配方范圍內(nèi)，催化劑種類對少鋁體系的能量水平的影響比多鋁體系還要大，而且鋁含量越低，對CL-20/PbO 這種組合變化對體系能量特性的影響越明顯。因此計(jì)算了不同氧化鉛含量時(shí)推進(jìn)劑能量水平，見表5 中數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)鋁含量為8%時(shí)，氧化鉛含量從2%降到1%再降到0.5%至0.1%，其理論比沖依次為2 653.10 N·s·kg-1到2 660.14 N·s·kg-1再到2 668.72 N·s·kg-1和2 672.37 N·s·kg-1，同空白推進(jìn)劑配方相比，比沖分別降低了21.35 N·s·kg-1、14.24 N·s·kg-1、6.06 N·s·kg-1和2.01 N·s·kg-1，燃燒室溫度變化不明顯，特征速度降低約11.93 m/s;由于鋁又是調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃燒性能的有效成分，因此在配方中還不能太少。一般說來，對于其他黏合劑體系和NEPE類的推進(jìn)劑，由于含有大量硝胺組分，使其壓力指數(shù)偏高，限制了其應(yīng)用范圍，但BAMO/THF 體系推進(jìn)劑不僅具有能量高、寬溫帶力學(xué)性能好的特點(diǎn)，還能降低含硝胺組分的壓力指數(shù)(含45%的硝胺其沒有催化劑時(shí)，n3-11為0.53)，但它降低推進(jìn)劑的燃速，因此積極尋求提高推進(jìn)劑燃速的途徑，已成為BAMO/THF 推進(jìn)劑研究中的一個(gè)重要任務(wù)。

2.3 AP 對能量特性和特征信號性能的影響

AP 通常是造成推進(jìn)劑特征信號的主要原因，因此為研制高能低特征信號的推進(jìn)劑，在推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)時(shí)考慮應(yīng)當(dāng)少用AP 或不用AP，由前所述，CL-20 為新的高能氧化劑，因此用CL-20 部分或全部取代原配方中AP 時(shí)，固定Al 粉含量不變，通過計(jì)算考察了CL-20 對推進(jìn)劑體系能量性能燃燒產(chǎn)物的影響，結(jié)果見表5。

表4 燃速催化劑對含CL-20 推進(jìn)劑能量特性的影響

表5 AP 含量對CL-20 低特征信號體系綜合性能的影響

從表5 可以看出，當(dāng)Al 含量為8%時(shí)，配方L-3 至L-8，對應(yīng)著AP 含量從10% 逐漸減少至0%，CL-20 含量從54%提高至64%，ISP降低了近15 N·s/Kg;C*降低了22 m/s(比基礎(chǔ)配方降了10 m/s)，但更為重要的是燃?xì)猱a(chǎn)物中HC1 含量則大大降低，從0.852 kg/mol 降至0.170 kg/mol(2%的AP)而后為0，這大大降低了白色煙霧產(chǎn)生的可能性;三原子產(chǎn)物H2O、CO2的總含量比HMX 少鋁體系相應(yīng)減少，并且總含量大大減少，這使燃?xì)鈱t外輻射的衰減大大減弱;燃燒室燃?xì)馄骄肿恿坑兴鶞p少，相應(yīng)的N2量增大，而CO 和H2量是先增后減，但總的成氣能力還是增加的，這些都有利于提高推進(jìn)的能量;雖然CO、H2還原性氣體量稍有增大，且表中氧燃比從0.433 減至0.397，但還不致于使推進(jìn)劑不完全的燃燒現(xiàn)象加劇，從而導(dǎo)致黑煙產(chǎn)生。由于推進(jìn)劑氣相放熱的本質(zhì)是氧化劑的富氧熱分解產(chǎn)物與燃料間的氧化還原反應(yīng)，因此在推進(jìn)劑固體含量不變的情況下，提高高能氧化劑CL-20 含量以部分取代HMX、AP 及Al，可顯著提高推進(jìn)劑的能量水平，而且在一定程度上還可緩解降低特征信號與提高能量及其他綜合性能之問的矛盾。通過綜合比較，為研制高能低特征信號地固體推進(jìn)劑，認(rèn)為用CL-20取代基礎(chǔ)配方中大部分AP 是一條可行技術(shù)途徑。

3 結(jié)論

1)在BAMO/THF 推進(jìn)劑原基礎(chǔ)配方中用CL-20 取代HMX，同時(shí)降低鋁和高氯酸銨含量，在大幅度提高推進(jìn)劑的能量特性的同時(shí)，降低特征信號的綜合方案是可行的。

2)計(jì)算結(jié)果表明，在低鋁含量配方中:①對于基礎(chǔ)配方(低鋁水平6% ～10%)中，CL-20 替代HMX，理論比沖提高41.45 N·s/kg 左右，漲幅為1.57%;這對提高戰(zhàn)略導(dǎo)彈的射程和速度非常有利;②當(dāng)Al 粉含量在8%水平時(shí)，CL-20 進(jìn)一步替代配方中AP，C*有所提高;而且燃?xì)猱a(chǎn)物中HCI 含量大大降低，因而在某種程度上可以緩解降低特征信號與提高能量及其他綜合性能之間的矛盾;③在調(diào)整配方過程中CL-20 體系在能量上顯示出較強(qiáng)的緩沖能力，表明該配方體系較HMX 體系具有較大的配方調(diào)整空間。

3)在一定的配方范圍內(nèi)，鉛鹽含量對少鋁體系的能量水平的影響比多鋁體系要大，而且鋁含量越低，CL-20/PbO這種組合的變化對體系能量特性的影響越明顯。

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