安 亭，趙鳳起，裴 慶，儀建華，郝海霞，徐司雨，譚 藝

(西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

0 引言

固體推進(jìn)劑的燃燒性能是影響火箭發(fā)動(dòng)機(jī)彈道性能的重要因素，燃速的高低決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間和飛行速度。推進(jìn)劑的燃燒性能是指推進(jìn)劑燃燒速度的規(guī)律性和燃燒過程(內(nèi)彈道性能)的穩(wěn)定性，包括穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)燃燒［1］。燃燒性能參數(shù)是表征燃燒過程穩(wěn)定性的數(shù)量界限，即當(dāng)這些參數(shù)在某一范圍時(shí)，推進(jìn)劑裝藥在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒所產(chǎn)生的p-t與r-t曲線能符合人們的設(shè)計(jì)要求。否則，上述曲線將會(huì)出現(xiàn)異常，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火(壓力下降為零)或爆炸(壓力增至很大)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)不能工作［2］。

固體推進(jìn)劑燃燒過程是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，其本質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的高溫、瞬時(shí)、高壓的放熱化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)速度、傳熱傳質(zhì)速度決定了推進(jìn)劑的燃速［1－2］。總體來講，推進(jìn)劑的燃速不僅受壓力、初溫及氣流速度等外部環(huán)境因素的影響，而且還受火藥內(nèi)在因素的左右。內(nèi)在因素影響即火藥的物理化學(xué)性能對(duì)燃速的影響，包括推進(jìn)劑的組分及組成、推進(jìn)劑的密度和熱傳導(dǎo)系數(shù)等。上述因素直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的穩(wěn)定性。因此，控制和調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃燒性能對(duì)滿足各種火炮和火箭武器的設(shè)計(jì)要求是十分重要的［3］。

目前，含能納米材料是推進(jìn)劑燃燒催化劑的一個(gè)重要發(fā)展方向，已開展了相關(guān)的應(yīng)用研究［4－9］。超級(jí)鋁熱劑已成為國防科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但對(duì)其研究主要集中于制備表征和基礎(chǔ)特性方面［10－21］。國內(nèi)外對(duì)超級(jí)鋁熱劑于推進(jìn)劑中的應(yīng)用尚未開展系統(tǒng)研究，因此有許多問題值得探索，如含超級(jí)鋁熱劑的推進(jìn)劑與傳統(tǒng)推進(jìn)劑燃燒特性有何區(qū)別?含超級(jí)鋁熱劑的推進(jìn)劑的燃燒規(guī)律及其性能調(diào)控等一系列問題。為了初步探索并解決上述問題，本文研究了數(shù)種超級(jí)鋁熱劑對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響，并初步分析了超級(jí)鋁熱劑對(duì)催化效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)

在燃燒性能影響的實(shí)驗(yàn)中，所采用的雙基推進(jìn)劑的基礎(chǔ)配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為雙基粘合劑89.0%，二號(hào)中定劑(C2)2.0%，其他助劑9.0%，所用材料都為工業(yè)品，均由西安近代化學(xué)研究所提供。

藥料按500 g配料，催化劑為外加量，加入量為2.5%;對(duì)照組空白推進(jìn)劑樣品不含催化劑，其他組分和含量相同。催化劑的具體組成如表1所示，表1中m表示微米級(jí)鋁熱劑，n表示納米級(jí)鋁熱劑，下文同。所用催化劑的制備及表征見文獻(xiàn)［10－11］。為作對(duì)比分析，還加入了曾經(jīng)做過的含納米金屬氧化物雙基推進(jìn)劑的燃燒性能研究結(jié)果，見文獻(xiàn)［4］。

表1 雙基推進(jìn)劑配方中的催化劑Table 1 Catalysts in double-base propellant

1.2 推進(jìn)劑配方制備工藝

固體推進(jìn)劑樣品采用“吸收-驅(qū)水-放熟-壓延-切成藥條”的常規(guī)無溶劑壓伸成型工藝制備。為防止納米催化劑在推進(jìn)劑樣品制備工藝的吸收過程中流失，將超級(jí)鋁熱劑與增塑劑經(jīng)物理混合形成混合體系，然后一起加入到吸收鍋中。由于其他組分不像NG，事先與NC充分吸收制成雙基粘合劑，而是直接引入的，因此，吸收過程必須保證有足夠的吸收時(shí)間，以使NC和其他各組分能充分且均勻混合。

1.3 測試儀器及實(shí)驗(yàn)方法

燃速測定采用靶線法，在西安電子科技大學(xué)和燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制的AE/BX-2006多功能固體推進(jìn)劑燃速測試系統(tǒng)上進(jìn)行。

測定試樣燃速時(shí)，先將推進(jìn)劑樣品制成φ5 mm×150 mm藥條，并經(jīng)表面粗化處理，然后在其側(cè)面用聚乙烯醇溶液浸漬包覆并晾干，如此反復(fù)6次，按GJB 770A方法706.1“燃速-靶線法”，在充氮調(diào)壓式燃速儀中測定燃速。環(huán)境溫度為20℃，壓強(qiáng)為2～20 MPa。

2 結(jié)果與討論

按上述實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容，推進(jìn)劑的燃速測試結(jié)果見表2。為作對(duì)比研究，表2中同時(shí)也列出了文獻(xiàn)［4］中含納米金屬氧化物雙基推進(jìn)劑的燃速測試結(jié)果。

表2 含不同超級(jí)鋁熱劑的雙基推進(jìn)劑的燃速Table 2 Burning rate of double-base propellant containing different super thermites

為了比較不同催化劑的催化效果，計(jì)算了不同催化劑的催化效率ηr(ηr=uc/u0，uc為含催化劑的推進(jìn)劑燃速，u0為不含催化劑的推進(jìn)劑燃速，下文同)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 含不同超級(jí)鋁熱劑的雙基推進(jìn)劑中催化劑的催化效率Table 3 The catalytic efficiency of double－base propellant containing different super thermites

2.1 Al/PbO對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響

圖1和圖2分別給出了含超級(jí)鋁熱劑Al/PbO雙基推進(jìn)劑燃速及催化劑催化效率與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線。

圖1 含Al/PbO雙基推進(jìn)劑的燃速-壓強(qiáng)曲線Fig.1 Burning rates of DB propellant containing super thermites Al/PbO

圖2 超級(jí)鋁熱劑Al/PbO的催化效率-壓強(qiáng)曲線Fig.2 ηr-p curves of super thermites Al/PbO

從表2、表3和圖1、圖2可看出，超級(jí)鋁熱劑Al/PbO的加入，可明顯改善雙基推進(jìn)劑的燃燒性能。與納米氧化鉛相比，超級(jí)鋁熱劑Al/PbO使得推進(jìn)劑具有更高的燃速，2～20 MPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，燃速的增幅較為明顯，但同時(shí)壓強(qiáng)指數(shù)有所惡化，這可能與復(fù)合的納米鋁粉有關(guān);10～16 MPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，含納米PbO雙基推進(jìn)劑的燃速低于空白配方，對(duì)燃燒性能起到負(fù)催化作用。

含2.5%納米Al/PbO復(fù)合物的雙基推進(jìn)劑在2～20 MPa燃速出現(xiàn)顯著提高，并在8～14 MPa范圍內(nèi)出現(xiàn)低壓強(qiáng)指數(shù)區(qū)。該催化劑在2～8 MPa的催化效率ηr分別為2.54、2.12、1.77 和 1.59，尤其是 2 MPa 時(shí)的催化效率較高(即在2 MPa推進(jìn)劑的燃速增加了2.54倍)，雙基推進(jìn)劑的燃速提高了154%，具有“超速燃燒”的特點(diǎn)，在2～20 MPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)，ηr始終在1.30以上。

微米Al/PbO復(fù)合物在低壓和高壓下能較好地提高雙基推進(jìn)劑的燃速，并在中低壓范圍內(nèi)出現(xiàn)低壓強(qiáng)指數(shù)區(qū)，但其優(yōu)化效果不如納米級(jí)Al/PbO，該催化劑在2 ～6 MPa的催化效率 ηr分別為 2.60、1.86 和1.41，尤其是在2 MPa下，雙基推進(jìn)劑的燃速提高了160%，顯現(xiàn)了“超速燃燒”的特點(diǎn)，在4～20 MPa范圍內(nèi)，ηr始終在 1.20 以上。

可見，納米級(jí)超級(jí)鋁熱劑Al/PbO能顯著提高雙基推進(jìn)劑燃速，尤其是低壓下具有“超速燃燒”的特點(diǎn)，并在中壓范圍內(nèi)可明顯降低燃速壓強(qiáng)指數(shù);微米級(jí)Al/PbO也能改善雙基推進(jìn)劑的燃燒性能，但其效果較納米級(jí)較差，可在低壓和高壓下較好地提高雙基推進(jìn)劑的燃速，且在中低壓范圍內(nèi)出現(xiàn)低壓強(qiáng)指數(shù)區(qū)，在低壓下也具有“超速燃燒”的特點(diǎn);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米級(jí)Al/PbO的催化效果明顯優(yōu)于微米級(jí)Al/PbO。因此，可認(rèn)為超級(jí)鋁熱劑Al/PbO是一種對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒催化效果優(yōu)良的催化劑。

2.2 Al/CuO對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響

圖3和圖4分別給出了含超級(jí)鋁熱劑Al/CuO的雙基推進(jìn)劑的燃速及催化劑催化效率與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線。

圖3 含Al/CuO雙基推進(jìn)劑的燃速-壓強(qiáng)曲線Fig.3 Burning rates of DB propellant containing super thermites Al/CuO

圖4 超級(jí)鋁熱劑Al/CuO的催化效率-壓強(qiáng)曲線Fig.4 ηr-p curves of super thermites Al/CuO

從表2、表3和圖3、圖4可看出，納米超級(jí)鋁熱劑Al/CuO可使雙基推進(jìn)劑在2～20 MPa燃速提高，尤其在中低壓下的改善效果更明顯，該催化劑在2～8 MPa的催化效率 ηr分別為 1.45、1.42、1.30 和 1.28，在2 MPa時(shí)雙基推進(jìn)劑的燃速提高45%;微米Al/CuO也可改善雙基推進(jìn)劑的燃燒性能，但效果欠佳且較特別，其對(duì)低壓和高壓下燃速的提高貢獻(xiàn)較大，如在2 MPa時(shí)雙基推進(jìn)劑的燃速提高近22%，20 MPa下燃速提高20%，而在中壓段的催化效率相對(duì)較低。

綜上分析，超級(jí)鋁熱劑Al/CuO可改善雙基推進(jìn)劑的燃燒性能，但燃速提高幅度不大，壓強(qiáng)指數(shù)優(yōu)化不明顯。含納米級(jí)Al/CuO的雙基推進(jìn)劑改善效果更佳，其在中低壓下的催化作用效果較好，而微米級(jí)Al/CuO在低壓和高壓下能較好地提高雙基推進(jìn)劑的燃速。因此，綜上分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超級(jí)鋁熱劑Al/CuO對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒性能具有一定的催化作用，但沒有Al/PbO的催化效果明顯。

2.3 Al/Bi2O3對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響

圖5和圖6分別給出了含超級(jí)鋁熱劑Al/Bi2O3的雙基推進(jìn)劑的燃速及催化劑催化效率與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線。

圖5 含Al/Bi2O3雙基推進(jìn)劑的燃速-壓強(qiáng)曲線Fig.5 Burning rates of DB propellant containing super thermites Al/Bi2O3

圖6 超級(jí)鋁熱劑Al/Bi2O3的催化效率-壓強(qiáng)曲線Fig.6 ηr-p curves of super thermites Al/Bi2O3

從表2、表3和圖5、圖6可看出，將納米Bi2O3加入雙基推進(jìn)劑中，燃速增加較小，催化效率也較低，對(duì)燃燒性能的改善幾乎沒有貢獻(xiàn)。相比納米Bi2O3，超級(jí)鋁熱劑Al/Bi2O3在低壓下對(duì)燃速的提高并不明顯，但隨著壓強(qiáng)逐漸升高，推進(jìn)劑燃速增加非常明顯，在中高壓下具有較高的燃速，納米Al/Bi2O3表現(xiàn)的尤為明顯，其在12～18 MPa甚至超過了含納米Al/PbO的推進(jìn)劑燃速，且該區(qū)間內(nèi)的催化效率納米Al/Bi2O3超過了納米Al/PbO。

含超級(jí)鋁熱劑 Al/Bi2O3的雙基推進(jìn)劑在2～20 MPa燃速提高，在該壓強(qiáng)范圍內(nèi)納米Al/Bi2O3的催化效率ηr較為理想，始終保持在1.34以上，尤其是2 MPa下雙基推進(jìn)劑的燃速提高了62%，增加幅度較大;微米Al/Bi2O3復(fù)合物也可改善雙基推進(jìn)劑的燃燒性能，但其優(yōu)化效果不如納米級(jí) Al/Bi2O3，在2～20 MPa范圍內(nèi)，該催化劑的催化效率 ηr保持在1.17以上，2 MPa下雙基推進(jìn)劑燃速提高了51%。

由圖可見，納米Bi2O3可降低雙基推進(jìn)劑在中高壓10～14 MPa范圍內(nèi)的壓強(qiáng)指數(shù)，在此區(qū)間壓強(qiáng)指數(shù)較低為0.559 0，相關(guān)系數(shù)為 0.999 8，而納米 Al/Bi2O3則可改善雙基推進(jìn)劑高壓區(qū)的燃燒性能，其在16～20 MPa范圍內(nèi)出現(xiàn)低壓強(qiáng)指數(shù)區(qū)?？傮w來講，納米Al/Bi2O3在改善推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)方面效果并不顯著。

可見，納米級(jí)超級(jí)鋁熱劑Al/Bi2O3可明顯有提高雙基推進(jìn)劑的燃速，改善雙基推進(jìn)劑高壓區(qū)的燃燒性能，降低雙基推進(jìn)劑在中高壓范圍內(nèi)的壓強(qiáng)指數(shù)，催化效率ηr也較為理想;微米級(jí)Al/Bi2O3復(fù)合物也可改善雙基推進(jìn)劑的燃燒性能，但其催化效果不如納米級(jí)Al/Bi2O3;納米級(jí)Al/Bi2O3的催化效果優(yōu)于微米級(jí)Al/Bi2O3。綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析表明，超級(jí)鋁熱劑Al/Bi2O3對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒催化具有明顯積極的作用，其效果要優(yōu)于超級(jí)鋁熱劑Al/CuO，但綜合催化效果比超級(jí)鋁熱劑Al/PbO差。

3 結(jié)論

(1)超級(jí)鋁熱劑Al/PbO可顯著改善雙基推進(jìn)劑的燃燒性能。含納米Al/PbO的雙基推進(jìn)劑燃速明顯提高，尤其是在低壓下出現(xiàn)了“超速燃燒”的現(xiàn)象，并在中壓范圍內(nèi)可明顯降低燃速壓力指數(shù);微米級(jí)Al/PbO也能改善雙基推進(jìn)劑的燃燒性能，但其效果較納米級(jí)稍差。

(2)超級(jí)鋁熱劑Al/CuO可改善雙基推進(jìn)劑的燃燒性能，但燃速提高幅度不大，壓強(qiáng)指數(shù)優(yōu)化不明顯。含納米級(jí)Al/CuO的雙基推進(jìn)劑改善效果更佳，其在中低壓下的催化作用效果較好，而微米級(jí)Al/CuO可在低壓和高壓下提高雙基推進(jìn)劑的燃速。

(3)納米Al/Bi2O3可明顯提高雙基推進(jìn)劑的燃速，降低雙基推進(jìn)劑在中高壓范圍內(nèi)的壓強(qiáng)指數(shù)，催化效率ηr也較為理想;微米Al/Bi2O3也可改善雙基推進(jìn)劑的燃燒性能，但其催化效果不如納米級(jí)Al/Bi2O3。

(4)納米級(jí)超級(jí)鋁熱劑對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒性能的催化作用明顯優(yōu)于微米級(jí)的，超級(jí)鋁熱劑對(duì)雙基推進(jìn)劑的催化作用順序?yàn)锳l/PbO＞Al/Bi2O3＞Al/CuO，這是由于各金屬氧化物活性不同，納米鋁粉與金屬氧化物復(fù)合后組成的超級(jí)鋁熱劑的反應(yīng)性有差異，即鋁熱反應(yīng)程度或強(qiáng)度不同，以及在推進(jìn)劑中應(yīng)用時(shí)催化效果的不同所造成的。

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