凌一洲

KNSB推進劑是一種常用的固體火箭推進劑，它由硝酸鉀（氧化劑）和山梨醇（可燃劑）組成。KNSB推進劑較另外兩種硝糖推進劑，壓強指數(shù)更小、可塑時間更長、比沖更大，因而被廣泛使用。不同配比的KNSB推進劑的燃燒性能也各不相同。

KNSB推進劑較為常用的配方為65%硝酸鉀和35%山梨醇或60%硝酸鉀和40%山梨醇。但由于各種實際因素，KNSB的最佳配比需要根據(jù)實際情況而定。本文通過比較不同配比的KNSB推進劑實際燃燒情況，來確定它在不同情況下的最佳配方。

一、實驗過程

1.KNSB推進劑樣品的制備

實驗需要的主要試劑為硝酸鉀、山梨醇，主要儀器為粉碎機、篩子、電子稱、燒杯、鐵架臺、酒精燈。KNSB推進劑的配方如表1所示。

2.推進劑的制作方法

（1）使用粉碎機將硝酸鉀粉碎，用篩子篩除較大的顆粒。除去粉碎后硝酸鉀中的水分。

（2）用電子稱按配方稱取一定質(zhì)量的硝酸鉀和山梨醇。

（3）將稱好的山梨醇倒入燒杯，置于鐵架臺，用酒精燈加熱至熔化。將稱好的硝酸鉀倒入熔融的山梨醇中，迅速攪拌均勻。

（4）將混合好的KNSB推進劑壓入Φ20mm×1mm-L50mm的PVC管中，冷卻成型。制成的KNSB推進劑藥柱為白色固體，需用變色硅膠干燥并密封保存。

二、燃燒測試

1.實驗儀器

上海市中小學(xué)數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心LW-6163 高溫傳感器、攝像機、計算機。

2.實驗方法

將藥柱水平固定，高溫傳感器探針頂部緊靠著藥柱前段正中間，用兩臺攝像機分別拍攝推進劑燃燒的火焰情況和藥柱燃燒進程。用衛(wèi)生香點燃藥柱前端，推進劑燃燒，計算機屏幕出現(xiàn)高溫傳感器“溫度-時間”曲線，通過曲線可得知最高溫度。

計算攝像機錄像中，從藥柱被點燃開始，到藥柱后端開始出現(xiàn)火星結(jié)束的時間，可得出藥柱的燃燒時間。用酸液清洗探針，并重復(fù)實驗。

三、結(jié)果與討論

1.實驗數(shù)據(jù)

記錄高溫傳感器最高溫度和錄像中推進劑的燃燒時間，并計算推進劑線性燃速。通過觀察錄像可分析燃燒產(chǎn)物和發(fā)火難度。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

2.對線性燃速的影響

不同配比的KNSB推進劑常壓燃速不同，KNSB推進劑配比與線性燃速的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可明顯看出，KNSB推進劑配比對燃速的影響很大，當(dāng)硝酸鉀含量為67.5%時，線性燃速達(dá)到最大值。硝酸鉀含量為65%時的線性燃速略微超過含量為60%的情況，但差異不大。由此可見，能通過增加硝酸鉀含量來提高燃速。

3.對燃燒產(chǎn)物的影響

當(dāng)硝酸鉀含量小于62.5%時，KNSB推進劑氧平衡值小于-28.1%。貧氧燃燒后殘渣呈灰黑色，含有大量的碳，說明燃燒不充分。在這種情況下，生成氣體中一氧化碳含量增大，應(yīng)注意防護，避免吸入。

當(dāng)硝酸鉀含量為65%至67.5%時，KNSB推進劑負(fù)氧平衡，氧平衡值為-14.3%至-10.5%，山梨醇完全燃燒，硝酸鉀也剛好用完。在這種情況下，KNSB推進劑能產(chǎn)生最多的氣體。

當(dāng)硝酸鉀含量超過70%時，KNSB推進劑氧平衡值大于-6.6%。推進劑燃燒時，山梨醇完全燃燒，多余的硝酸鉀熔化后變?yōu)榇罅繗堅?，不能產(chǎn)生推力，不利于KNSB推進劑的燃燒。并且，殘渣過多不方便清洗，不利于發(fā)動機的重復(fù)使用。

4.對火焰溫度的影響

不同配比的KNSB推進劑燃燒溫度不同。理論上，隨著硝酸鉀含量的增加，燃燒溫度也會隨之增加。但在實際情況中，過量的硝酸鉀受熱分解，變?yōu)闅堅?，溫度不會繼續(xù)上升。實驗結(jié)果為，當(dāng)硝酸鉀含量為65%至67.5%時火焰溫度最高，接近1000℃。當(dāng)硝酸鉀含量為60%時，火焰溫度僅為600℃。

由此可見，KNSB燃燒溫度低于鋼熔化的溫度，但超過了鋁的熔點。鋁材質(zhì)的發(fā)動機適合使用硝酸鉀含量為60%的推進劑，否則就需要根據(jù)實際情況設(shè)置隔熱層。鋼材質(zhì)的發(fā)動機可選用硝酸鉀含量為65%至67.5%的推進劑來提高比沖。

5.對其他因素的影響

隨著推進劑配比改變，制作難度也有較大變化。由于KNSB的制作方法是將硝酸鉀加入到熔融的山梨醇中并攪拌均勻，硝酸鉀含量過多會造成可塑時間變短。正因為如此，當(dāng)硝酸鉀含量大于67.5%時，KNSB推進劑的制作難度較大。

KNSB推進劑的發(fā)火溫度高于300℃，常溫下較為穩(wěn)定，不會因撞擊、震蕩而引燃。KNSB推進劑中，硝酸鉀含量為62.5%至70%時點火較容易。硝酸鉀或山梨醇含量過多都會造成推進劑難以點燃。當(dāng)山梨醇含量過多時，衛(wèi)生香使部分山梨醇熔化后才能勉強點燃藥柱。

不同配比的KNSB推進劑對隔熱要求也不同。實驗中，硝酸鉀含量超過70%或小于57.5%時，由于燃速過慢，燃燒時間過長，PVC管受到了嚴(yán)重的侵蝕，管體受損。硝酸鉀含量為67.5%時，由于火焰過于猛烈，PVC管也因此變形。當(dāng)硝酸鉀含量介于60%和65%之間時，KNSB推進劑對隔熱層的要求最低。

綜上可得出結(jié)論：

（1）不同配比的KNSB推進劑燃燒效果不同，需根據(jù)實際情況確定KNSB推進劑的配方。

（2）在不受其他條件限制的情況下，KNSB推進劑的最佳配方為67%硝酸鉀和33%山梨醇。用這一配方制成的KNSB推進劑具有燃燒溫度高、線性燃速快、殘渣量少、可塑時間長、點火方便、對隔熱要求不高等特點。

（3）若采用鋁材質(zhì)的發(fā)動機，KNSB推進劑適合的配方為60%硝酸鉀和40%山梨醇。（指導(dǎo)老師：王明立 常建強）