宋考生，顧 健，魯國林

(1.二炮駐8610廠軍事代表室，宜昌 444200;2.中國航天科技集團四院四十二所，襄陽 441003)

0 引言

新型戰(zhàn)術導彈武器的發(fā)展對推進系統(tǒng)提出了射程遠、速度快、體積小、質量輕、結構簡單［1］、低特征信號等要求。因此，火箭發(fā)動機總體設計對固體推進劑的能量指標、力學性能及燃燒性能提出了更高要求。GAP型低特征信號推進劑配方采用大劑量硝酸酯增塑，含有硝胺、GAP、硝酸酯等高能組分，具有能量高、力學性能好的特點，是當前研究的最高水平的固體推進劑之一。但由于推進劑中含有大量的固體填料，雖然提高了推進劑的能量，改善了推進劑的力學性能，但隨之帶來的問題則是燃燒性能和工藝性能變差，燃速壓強指數(shù)明顯提高，燃速調節(jié)困難［2－5］。工程研究表明，推進劑燃燒性能的優(yōu)劣。直接關系到火箭發(fā)動機內外彈道性能的穩(wěn)定性［6－7］。因此，為了保證火箭發(fā)動機的可靠性和穩(wěn)定性，固體推進劑研制必須根據(jù)發(fā)動機設計要求來調節(jié)推進劑燃速和壓強指數(shù)。

燃速和壓強指數(shù)是推進劑內彈道性能的重要參數(shù)。表征固體推進劑燃速(r)和環(huán)境壓強(p)之間的關系一般采用 Vieille 經驗公式［1，8］r=apn。其中，n 為燃速壓強指數(shù);a為燃速系數(shù)。

壓強指數(shù)n是評價推進劑燃燒性能的重要參數(shù)，它反映了推進劑的燃速對壓強變化的敏感程度，顯而易見，n值越大，由于壓強波動引起的燃速變化越大，或者燃速波動引起的燃燒室壓強的波動也越大。因此，大多數(shù)發(fā)動機都要求推進劑藥柱具有較低的壓強指數(shù)，壓強指數(shù)低的推進劑可提高發(fā)動機工作穩(wěn)定性，更有利于推進劑自身的使用和推廣。

本文通過實驗分別研究了增塑劑、AP和HMX的含量及AP粒度級配等基本因素對GAP微煙推進劑燃速和壓強指數(shù)的影響。

1 實驗

1.1 推進劑制備

推進劑采用藥漿澆注工藝，將推進劑組分預混后，加入到VKM-5型立式捏合機中，于50℃下捏合70 min，出料并真空澆注，放置于50℃油浴烘箱內固化7 d，得到推進劑方坯。

1.2 性能表征

采用水下聲發(fā)射法測定推進劑燃速。首先，將推進劑制成4 mm×4 mm×110 mm的藥條，包覆后測試3、6、8、10 MPa 時藥條燃燒時間，采樣頻率為 1 kHz，每個壓強下測定5根藥條。其他操作與數(shù)據(jù)處理均參照GJB 770B—2005 中的706.1。

2 結果與討論

2.1 增塑劑對燃速及壓強指數(shù)的影響

含能的硝酸酯增塑劑作為粘合劑基體的重要組成部分，硝酸酯種類對推進劑配方燃燒性能產生很大影響。表1給出了4種硝酸酯增塑劑對GAP微煙推進劑燃燒性能的影響。

表1 硝酸酯對GAP微煙推進劑燃燒性能的影響Table 1 Effect of nitrate ester on the combustion property for minimum-smoke GAP propellant

由表1可看出，使用增塑劑NG/TEGDN和TEGDN代替增塑劑 BTTN和 NG/BTTN后，隨著硝酸酯基—ONO2含量的降低，即粘合劑體系含能程度降低，推進劑燃速和壓強指數(shù)都明顯下降。其中，燃速壓強指數(shù)降低的效果尤為明顯，說明可采用增塑劑品種改變和匹配降低推進劑的壓強指數(shù)。

2.2 HMX/AP相對含量對燃速及壓強指數(shù)的影響

配方研究中，采用NG/TEGDN增塑劑，在保持配方參數(shù)基本相同的情況下，對比了HMX/AP的相對含量對燃速和壓強指數(shù)的影響，見于表2。從表2可見，當HMX和AP的總含量保持不變時，AP含量降低(對應于HMX的含量增加)，推進劑燃速隨之降低，而壓強指數(shù)卻升高。

表2 HMX/AP相對含量對GAP微煙推進劑燃燒性能的影響Table 2 Effect of the relative content of HMX/AP on the combustion property for minimum-smoke GAP propellant

2.3 AP粒度級配對燃速及壓強指數(shù)的影響

調節(jié)高能復合固體推進劑燃燒性能最常用、最簡單、對推進劑其他性能影響最小的方法是調節(jié)推進劑固體組分的粒度。GAP微煙推進劑中主要含有AP和HMX等固體組分，而AP粒度的變化對燃燒性能的影響較大。因此，研究AP的粒度對GAP微煙推進劑燃燒性能的影響規(guī)律，根據(jù)實際情況，選擇合適的粒度級配。

AP作為復合推進劑的主要固體組分之一，其粒度對推進劑燃燒性能影響很大。采用適當AP粒度級配，可有效地調節(jié)推進劑燃速和壓強指數(shù)。在保持配方參數(shù)基本不變的情況下，對比了級配后AP粒度對燃速和壓強指數(shù)的影響，試驗結果見表3。

表3 AP粒度級配對GAP微煙推進劑燃燒性能的影響Table 3 Effect of granularity graduation of AP on the combustion property for minimum-smoke GAP propellant

對表3數(shù)據(jù)進行線性回歸(圖1)，結果如下:

式中 N為子樣數(shù);R為線性擬合相關系數(shù)。

由以上分析可知，細粒度AP可大幅提高推進劑燃速，并降低壓強指數(shù)。原因在于AP粒度減小，其表面積增大，它與推進劑其他組分接觸界面隨之增大。推進劑燃燒時，單位時間內分解量增大，且它的分解產物距AP固相較近，有利于向燃燒表面熱反饋，使推進劑燃速增大。

圖1 r隨d50的變化關系Fig.1 The variation relationship of r vs d50

2.4 對GAP微煙推進劑的燃速及壓強指數(shù)分析

復合推進劑的特征是晶狀氧化劑成分與多種形態(tài)燃料在推進劑內部混合。因此，燃燒狀態(tài)具有擴散燃燒特性。一般常用復合推進劑的燃燒，主要表現(xiàn)為氧化劑的燃燒形態(tài)。

復合推進劑的燃速是由推進劑燃燒表面產生的氧化劑成分與燃料成分的分解氣體相互擴散，生成可燃混合氣體的階段決定的。在本研究GAP微煙推進劑中，AP的含量較高。因此，可基于AP系復合推進劑燃燒形態(tài)的粒狀擴散火焰(GDF)模型來探討其燃速特性。

根據(jù)GDF模型，推進劑的燃速可由式(2)計算:

p/r=a+bp2/3(2)式中 p為壓強;a為在燃燒表面可燃氣體與反應速度的系數(shù);b為在燃燒表面氧化劑成分氣體及燃料成分氣體與擴散速度的系數(shù)。

由式(2)可知，推進劑燃速取決于氣體的反應速度時，對b的依賴性變小;而推進劑燃速取決于擴散速度時，對a的依賴性變小。在采用AP和HMX作為氧化劑時，與燃速呈線性關系;在利用GAP粘合劑作為燃料時，由于AP和HMX具有依賴擴散速度的特性，所以其燃速取決于氧化劑成分的粒度大小［9－10］。

另一方面，從GAP微煙推進劑的配方組成來看，只有硝酸酯和AP是富氧組分，其余皆為貧氧，貧氧組分的完全燃燒主要依靠AP提供氧元素。因而在推進劑火焰中AP火焰的周圍，富氧的分解物將與貧氧的組分發(fā)生氧化還原反應，形成火焰［11］。由于本配方中AP含量較高，因此可推斷在AP火焰周圍形成的是初始擴散火焰。根據(jù)擴散火焰的特點，其燃速和壓強指數(shù)將對AP的粒度特別敏感。表3的數(shù)據(jù)恰好證明了這一點。總而言之，由于AP的引入，在推進劑火焰結構中出現(xiàn)了一個初始擴散火焰，導致推進劑的燃速和壓強指數(shù)對AP粒度非常敏感。

根據(jù)以上分析可知，在GAP微煙推進劑中，氧化劑AP的粒度對于配方的燃速控制至關重要，是燃速調節(jié)的控制因素，但AP的擴散火焰燃燒也導致無法通過調節(jié)AP粒度同時實現(xiàn)降低燃速和壓強指數(shù)。

3 結論

(1)使用增塑劑TEGDN和NG/TEGDN代替NG/BTTN，可使推進劑的燃速和壓強指數(shù)明顯降低。

(2)AP含量降低(對應于HMX的含量增加)，燃速降低，而壓強指數(shù)升高。

(3)氧化劑AP的粒度是推進劑燃速調節(jié)的控制因素，AP的擴散火焰燃燒形態(tài)導致無法通過調節(jié)AP粒度同時實現(xiàn)降低燃速和壓強指數(shù)。

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