潘玉竹，余永剛，張 琦

（南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京210094）

液體單元推進(jìn)劑在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、彈道導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)、飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置以及火炮發(fā)射等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1～5].考慮到環(huán)保、安全性和經(jīng)濟(jì)性，人們致力于尋找廉價(jià)、無(wú)毒、無(wú)污染以及高比沖的液體推進(jìn)劑.肼類(lèi)燃料由于存在毒性大、比沖低等缺陷，逐漸被HAN基液體單元推進(jìn)劑所代替.近年來(lái)，美國(guó)空軍在HAN基液體單元推進(jìn)劑的研究基礎(chǔ)上，主導(dǎo)開(kāi)發(fā)了AF－315系列液體單元推進(jìn)劑[6].與普通的 HAN基液體單元推進(jìn)劑相比，AF－315液體單元推進(jìn)劑有著顯著的優(yōu)勢(shì)：①穩(wěn)定性比 HAN－硝酸酯－水系列單元推進(jìn)劑好；②密度比HAN－醇－水系列單元推進(jìn)劑大；③在比沖一定的情況下，比 HAN－醇－水、HAN－硝酸酯－水系列單元推進(jìn)劑點(diǎn)火溫度低、絕熱燃燒溫度低.AF－315液體單元推進(jìn)劑是由硝酸羥氨（HAN）、羥乙基肼硝酸鹽（HEHN）及水組成的混合物，通過(guò)改變各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以得到不同型號(hào)的AF－315單元推進(jìn)劑，其中最常用的一種主配方為44.5%的HAN、44.5%的HEHN及11%的水.

針對(duì)HAN基液體推進(jìn)劑難以被點(diǎn)燃的特點(diǎn)，F(xiàn)OKEMA[7]采用六鋁酸鋇（BHA）載體制備出的SHELL－405催化劑，研究了AF－315的催化分解情況，測(cè)試出AF－315的點(diǎn)火溫度為123℃.FORTINI等人[8]在BHA載體基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了以稀土氧化物為主，且熱穩(wěn)定更好、具有催化作用的載體，并將自制催化劑用于AF－315的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中，對(duì)點(diǎn)火溫度、點(diǎn)火速度和燃?xì)庾罡邷囟冗M(jìn)行了研究.HAWKINS等人[9]通過(guò)一系列的終極危險(xiǎn)分類(lèi)（FHC）實(shí)驗(yàn)，考察了AF－315的安全性、穩(wěn)定性和毒性.而針對(duì) AF－315液體單元推進(jìn)劑燃速研究的相關(guān)文獻(xiàn)，目前未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道.

VOSEN[10]、MABRATNEY[11]及 CHANG[12]采用高速攝影方法，研究了凝膠狀HAN基液體推進(jìn)劑LP1846在線狀燃燒器中的燃燒特性，高壓環(huán)境是通過(guò)逐級(jí)加壓氮?dú)鈦?lái)實(shí)現(xiàn)的.本文設(shè)計(jì)了一種測(cè)量AF－315液體推進(jìn)劑高壓線燃速的實(shí)驗(yàn)裝置，利用固體火藥燃燒產(chǎn)生高壓環(huán)境，并通過(guò)引入特種包覆火藥來(lái)維持一個(gè)近似的恒壓環(huán)境，以代替國(guó)外同類(lèi)型實(shí)驗(yàn)中的氮?dú)鈮毫υ?利用此實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量了AF－315液體單元推進(jìn)劑在29.4～55.0 MPa壓力范圍內(nèi)的表觀線燃速.

1 測(cè)量裝置

1.1 裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量裝置示意圖如圖1所示，它主要由上部的高壓環(huán)境產(chǎn)生室和下部的液體推進(jìn)劑線狀燃燒器2部分組成.高壓產(chǎn)生室里面裝有點(diǎn)火藥、固體主燃火藥和特種包覆火藥，線狀燃燒器里面裝滿(mǎn)AF－315液體單元推進(jìn)劑，其側(cè)壁上裝有4個(gè)離子探針傳感器.高壓產(chǎn)生室和線狀燃燒器的壓力分別由2個(gè)壓電傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量.裝置的上、下2部分之間是一個(gè)壓力傳遞機(jī)構(gòu)，它一方面可以把高壓產(chǎn)生室的壓力傳遞給線狀燃燒器中的液體推進(jìn)劑，另一方面可以起到點(diǎn)火延遲的作用.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先由脈沖放電器放電點(diǎn)燃點(diǎn)火藥，再引燃主燃火藥.當(dāng)高壓產(chǎn)生室達(dá)到最大壓力后，特種包覆火藥開(kāi)始燃燒，以維持近似恒壓環(huán)境.固體火藥燃燒產(chǎn)生的燃?xì)庋刂鴫毫鬟f機(jī)構(gòu)的內(nèi)部孔道流動(dòng).內(nèi)孔通道的迷宮設(shè)計(jì)使得燃?xì)庠诹鲃?dòng)過(guò)程中改變了兩次方向，才最終流向可燃介質(zhì)，而不是直接沖擊可燃介質(zhì).這樣做的目的是使氣流速度降低，減弱氣流對(duì)可燃介質(zhì)的沖擊損傷，提高壓力傳遞和點(diǎn)火延遲的可靠性.可燃介質(zhì)的側(cè)面經(jīng)過(guò)鈍感阻燃處理，其燃燒只沿著軸向進(jìn)行.另外，由于可燃介質(zhì)中間圓柱段的端面與機(jī)構(gòu)本體的圓柱臺(tái)階面之間留有間隙，所以在壓力作用下可燃介質(zhì)會(huì)稍向下運(yùn)動(dòng)，與線狀燃燒器中的液面相接觸.當(dāng)可燃介質(zhì)的錐狀頭部燒完之后，剩余的可燃介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)浮動(dòng)的活塞，使得高壓產(chǎn)生室和線狀燃燒器中的壓力基本相同.

圖1 測(cè)量裝置示意圖

當(dāng)壓力傳遞機(jī)構(gòu)中的可燃介質(zhì)燒完后，燃?xì)鈴母邏寒a(chǎn)生室進(jìn)入線狀燃燒器，點(diǎn)燃AF－315液體單元推進(jìn)劑.由于可燃介質(zhì)燒完之前，高壓產(chǎn)生室和線狀燃燒器中的壓力基本相同，所以液體推進(jìn)劑在被點(diǎn)燃之后不會(huì)飛濺.這樣AF－315液體推進(jìn)劑開(kāi)始燃燒，火焰向前傳播.實(shí)驗(yàn)時(shí)，4個(gè)離子探針傳感器都與測(cè)時(shí)儀連接起來(lái).當(dāng)火焰面?zhèn)鞑サ綀D1所示最上面的離子探針傳感器時(shí)，第一個(gè)導(dǎo)通信號(hào)產(chǎn)生，并且被傳送到測(cè)時(shí)儀.當(dāng)火焰面到達(dá)第二個(gè)離子探針傳感器時(shí)，測(cè)時(shí)儀接收到第二個(gè)導(dǎo)通信號(hào)，并顯示出這2個(gè)導(dǎo)通信號(hào)的時(shí)間間隔.從安裝在線狀燃燒器上的壓電傳感器記錄的壓力曲線圖中，找出這段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的壓力區(qū)間，計(jì)算出平均壓力，再結(jié)合相鄰2個(gè)離子探針傳感器的間距和導(dǎo)通時(shí)間，即可算出AF－315液體推進(jìn)劑在平均壓力下的表觀線燃速.

1.2 維持高壓環(huán)境的方法

測(cè)量裝置中，高壓產(chǎn)生室里的復(fù)合藥包中裝有3種火藥，即硝化棉點(diǎn)火藥、固體主燃火藥（5/7）和特種包覆火藥.實(shí)驗(yàn)時(shí)，先由點(diǎn)火藥包點(diǎn)燃主燃火藥，高壓產(chǎn)生室內(nèi)壓力迅速上升，并通過(guò)壓力傳遞機(jī)構(gòu)傳遞給線狀燃燒器中的AF－315液體推進(jìn)劑.

高壓產(chǎn)生室的最大壓力由主燃火藥的裝藥量決定.在定容燃燒的情況下，考慮到火藥燃?xì)鉁囟群蛪毫Χ己芨遊13]，可采用諾貝爾－阿貝爾氣體狀態(tài)方程，即

式中，p為壓力；T1為爆溫；α和v分別為火藥氣體的余容和比容，比容v可表示為

式中，ω、ωYR分別為主燃火藥的裝藥量和已燃質(zhì)量；ρ0為主燃火藥的密度；V0為密閉容器的容積.

為了推導(dǎo)方便，在這里引入了3個(gè)參量，分別為火藥的已燃百分?jǐn)?shù)ψ、裝填密度Δ和火藥力f，分別為ψ＝ωYR/ω，Δ＝ω/V0，f＝RT1.

結(jié)合上述參量和方程（1），則火藥氣體的狀態(tài)方程變?yōu)?/p>

當(dāng)主燃火藥燃燒結(jié)束，即ψ＝1時(shí)，密閉容器內(nèi)壓力達(dá)到最大值，即

由于密閉爆發(fā)器是用鋼制造而成的，在高溫、高壓的火藥氣體作用下，器壁必然從燃?xì)庵形找徊糠譄崃浚瑫r(shí)還要發(fā)生彈性變形.因此，壓力損失主要來(lái)自于2個(gè)方面，即熱散失和彈性變形.在本文實(shí)驗(yàn)壓力條件下，密閉爆發(fā)器容積的相對(duì)增加量很小，因此可以忽略彈性變形的影響.但是，由于熱散失所導(dǎo)致的壓力損失必須考慮.

一般情況下，熱散失導(dǎo)致的壓力損失可以表示為[14]

式中，S為密閉容積的內(nèi)表面積；tk為火藥的燃燒結(jié)束時(shí)間；bn為多項(xiàng)式系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到.

主燃火藥燃燒結(jié)束之后，密閉容器內(nèi)壓力達(dá)到最大值pmax.此時(shí)由于熱散失的緣故，密閉容器內(nèi)壓力會(huì)逐漸下降.為了維持容器內(nèi)的近似恒壓環(huán)境，在高壓產(chǎn)生室中事先引入了特種包覆火藥，其側(cè)面經(jīng)過(guò)包覆阻燃處理.當(dāng)主燃火藥燃燒時(shí)，包覆火藥由于側(cè)面包覆層的覆蓋，燃燒掉的只是包覆層.當(dāng)主燃火藥燒完之后，特種包覆火藥才開(kāi)始燃燒.與方程（3）的推導(dǎo)過(guò)程類(lèi)似，特種包覆火藥燃燒產(chǎn)生的壓力為

式中物理量的上標(biāo)表示特種包覆火藥，且各物理量含義與方程（3）中各物理量相對(duì)應(yīng).

針對(duì)特種包覆火藥，選擇合適的藥形與弧厚，使其燃燒產(chǎn)生的壓力能夠補(bǔ)償熱散失造成的壓降，從而使密閉容器內(nèi)壓力保持近似恒定，以維持液體推進(jìn)劑在近似恒定高壓環(huán)境下燃燒.

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)中所用的AF－315液體單元推進(jìn)劑樣品由中科院上海有機(jī)所提供.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，由2個(gè)壓電傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量得到的高壓產(chǎn)生室及線狀燃燒器內(nèi)的典型壓力曲線如圖2所示.

圖2 典型p－t曲線圖

從圖2可以看出，硝化棉點(diǎn)火藥包被點(diǎn)燃之后，壓力迅速上升，且點(diǎn)火壓力約10 MPa.之后主燃火藥開(kāi)始燃燒，壓力繼續(xù)上升.在壓力達(dá)到最大值之前，2條曲線基本重合，這表明壓力傳遞機(jī)構(gòu)把高壓產(chǎn)生室內(nèi)的壓力傳遞到線狀燃燒器內(nèi).當(dāng)容器內(nèi)壓力達(dá)到最大值之后，壓力傳遞與點(diǎn)火延遲機(jī)構(gòu)中的活塞狀可燃介質(zhì)燒完，火藥燃?xì)鈴母邏寒a(chǎn)生室進(jìn)入線狀燃燒器，點(diǎn)燃AF－315液體單元推進(jìn)劑.

因此，將壓力曲線達(dá)到最大值時(shí)刻作為測(cè)試AF－315液體推進(jìn)劑線燃速的起點(diǎn).由測(cè)時(shí)儀測(cè)出相鄰2個(gè)離子探針傳感器的導(dǎo)通時(shí)間，并在p－t圖中找出對(duì)應(yīng)的壓力區(qū)間，計(jì)算出導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的平均壓力.根據(jù)相鄰離子探針傳感器的間距和導(dǎo)通時(shí)間，即可算出液體推進(jìn)劑在此平均壓力下的表觀線燃速.調(diào)整密閉容器內(nèi)的壓力值，則可獲得AF－315液體推進(jìn)劑在不同環(huán)境壓力下的表觀線燃速.實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，u為表觀線燃速.考慮到探針的距離偏差，測(cè)量誤差為5%.

表1 AF－315表觀線燃速測(cè)量數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)處理

考慮到液體推進(jìn)劑燃速與壓力的關(guān)系表達(dá)式應(yīng)用最廣泛的是指數(shù)形式，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，以lnp為橫坐標(biāo)，lnu為縱坐標(biāo)作圖，如圖3所示.在所研究的壓力范圍內(nèi)，從lnu－lnp圖中看出存在兩段不同斜率的直線，即低壓段（29.4～43.1MPa）直線和高壓段（43.1～55.0 MPa）直線.采用最小二乘法，即可分別擬合出AF－315液體推進(jìn)劑在29.4～43.1MPa及43.1～55.0 MPa壓力范圍內(nèi)表觀線燃速的經(jīng)驗(yàn)公式，即

圖3 lnu－lnp關(guān)系曲線

與典型的凝膠狀HAN基液體單元推進(jìn)劑LP1846相比，在所研究的壓力范圍內(nèi)，AF－315液體單元推進(jìn)劑有著明顯不同的燃速特性.VOSEN[10]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在33.3～34.0 MPa范圍內(nèi)，凝膠LP1846的表觀線燃速為（27.3±0.6）mm/s.而根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的經(jīng)驗(yàn)公式，AF－315液體推進(jìn)劑在同樣區(qū)間的表觀線燃速為112.5～113.0mm/s，燃速約為凝膠LP1846的4.1倍.MCBRATNEY[11]針對(duì)含2%凝膠劑的LP1846在46～57 MPa內(nèi)表觀線燃速的測(cè)量結(jié)果為25.0～28.4mm/s.而本文中AF－315液體推進(jìn)劑在43.1～55.0 MPa內(nèi)的線燃速范圍為118.39～218.70mm/s，約為凝膠LP1846燃速值的4.7～7.7倍.

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的AF－315液體單元推進(jìn)劑高壓線燃速測(cè)量裝置的原理可行，可以進(jìn)行AF－315等多種液體單元推進(jìn)劑高壓表觀線燃速的測(cè)量.

AF－315液體單元推進(jìn)劑在29.4～43.1 MPa范圍內(nèi)，表觀線燃速與環(huán)境壓力的關(guān)系式為u＝53.946 9p0.2097；在43.1～55.0 MPa范圍內(nèi)，其關(guān)系式為u＝7.710 5×10－3p2.5586.

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