鄭　偉，李朝陽，朱佳佳，宋秀鐸，張　軍，王江寧

(西安近代化學(xué)研究所，西安　710065)

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消焰劑對改性雙基推進(jìn)劑羽流的影響①

鄭偉，李朝陽，朱佳佳，宋秀鐸，張軍，王江寧

(西安近代化學(xué)研究所，西安710065)

以改性雙基推進(jìn)劑為基礎(chǔ)，研究了消焰劑對排氣羽煙的影響、消焰劑對排氣羽流的影響、消焰劑的最佳添加量與發(fā)動(dòng)機(jī)能量水平的關(guān)系。結(jié)果表明，鉀鹽的加入量在4%以內(nèi)時(shí)對紅外、激光、可見光透過率的影響不明顯。鉀鹽的加入能大幅降低推進(jìn)劑的火焰溫度，4%的鉀鹽可使火焰溫度降低至少400 ℃，并消除了二次燃燒火焰，尾焰尺寸縮小了約70%(以火焰最大寬度計(jì)算)。推進(jìn)劑中消焰劑的最佳添加量(能完全消除二次燃燒時(shí)的最小添加量)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力水平的增大而增加。

物理化學(xué)；消焰劑；硝胺改性雙基推進(jìn)劑；低特征信號；二次燃燒；羽流

0　引言

為適應(yīng)國內(nèi)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)對精確打擊和隱身性能需求的發(fā)展趨勢，機(jī)載和艦載導(dǎo)彈武器系統(tǒng)對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提出了“低特征信號”的要求。因此，發(fā)展低特征信號推進(jìn)劑成為固體推進(jìn)劑的一個(gè)重要方向[1-5]。

雖然影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣羽流特征信號的因素有很多，如點(diǎn)火藥、絕熱層、包覆層等，但低特征信號推進(jìn)劑是降低排氣羽流特征信號的關(guān)鍵。對于研制低特征信號推進(jìn)劑而言，硝胺改性雙基推進(jìn)劑由于能量較高、燃燒性能好，且配方中不含有鹵素，成為研制高性能“低特征信號”推進(jìn)劑的主要品種[6-7]。國外從20世紀(jì)60年代開始，就制定了一系列的低特征信號推進(jìn)劑的發(fā)展計(jì)劃[8]，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高能低特征信號推進(jìn)劑在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用[9]。雖然國內(nèi)的無溶劑壓伸和澆注硝胺改性雙基推進(jìn)劑的研究成果也得到了大量的實(shí)際應(yīng)用[10]，但并沒有實(shí)現(xiàn)真正的“低特征信號”。因?yàn)樵擃愅七M(jìn)劑在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒時(shí)，其羽流會(huì)發(fā)射出明顯的可見光輻射和強(qiáng)烈的紅外和紫外光輻射，此現(xiàn)象就是所謂的“二次燃燒”。二次燃燒所形成的明亮火焰不僅易被敵方的探測器察覺，降低武器系統(tǒng)的生存能力以及導(dǎo)彈的突防效能，而且二次燃燒火焰也會(huì)使通過其中紅外線、激光和電磁波等制導(dǎo)信號的強(qiáng)度減弱，使導(dǎo)彈的命中精度下降。因此，抑制硝胺改性雙基推進(jìn)劑的二次燃燒是實(shí)現(xiàn)該類推進(jìn)劑“低特征信號”的關(guān)鍵技術(shù)之一[11]。

國內(nèi)外研究表明，抑制硝胺改性雙基推進(jìn)劑二次燃燒的主要技術(shù)途徑是在推進(jìn)劑配方中添加無機(jī)或有機(jī)的鉀鹽作為消焰劑[12-15]。前期研究發(fā)現(xiàn)[14，16-17]，鉀鹽的品種、添加方式對推進(jìn)劑的燃燒性能具有明顯的影響，并證實(shí)了鉀鹽對改性雙基推進(jìn)劑排氣羽流二次燃燒的抑制作用。但這些基礎(chǔ)性研究并沒有考慮推進(jìn)劑的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，如發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸效應(yīng)。

本文系統(tǒng)研究了鉀鹽對推進(jìn)劑羽煙信號和羽流信號的影響、發(fā)動(dòng)機(jī)能量水平對消焰效果的影響等因素，為中能低特征信號改性雙基推進(jìn)劑的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1推進(jìn)劑配方

實(shí)驗(yàn)所用的推進(jìn)劑基礎(chǔ)配方如表1所示，配方中所用的催化劑包含鉛鹽、銅鹽、炭黑和三氧化二鋁，其他成分包含吉納、凡士林和二號中定劑。本文中所用的消焰劑為一種有機(jī)鉀鹽，加入量按基礎(chǔ)配方的質(zhì)量百分比計(jì)算。表1中配方的理論比沖為2 375 N·s/kg(10 MPa)，每增加1%的鉀鹽，推進(jìn)劑的理論比沖下降約12.7 N·s/kg。按表1配方的比例，采用無溶劑壓伸工藝制成推進(jìn)劑藥柱用于測試。

表1　推進(jìn)劑配方

1.2儀器設(shè)備和試驗(yàn)條件

煙霧透過率測定[18]：采用φ50 mm標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)，帶測壓孔，發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓力控制在(7±0.5)MPa，推進(jìn)劑樣品為自由裝填的單孔管狀藥，外徑為φ45 mm，內(nèi)徑為φ8 mm，單端包覆，點(diǎn)火藥為2#小粒黑5 g，385#電點(diǎn)火頭，玻璃紙包扎。

發(fā)動(dòng)機(jī)羽焰紅外熱像測定[19]：利用TVS 3000型中紅外熱像儀在90°夾角、5 m處采集推進(jìn)劑羽流的紅外熱像圖，并記錄輻射溫度，波長4.0～5.0 μm，溫度范圍500～1 360 ℃。

發(fā)動(dòng)機(jī)羽焰測定：常溫下，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，對發(fā)動(dòng)機(jī)的羽焰用攝像儀進(jìn)行錄像。

2　結(jié)果與討論

2.1消焰劑對排氣羽煙的影響

表2是不同鉀鹽含量時(shí)，采用φ50 mm標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)得到的推進(jìn)劑的激光、紅外和可見光透過率的試驗(yàn)結(jié)果。由表2可知，鉀鹽含量增加，對推進(jìn)劑的激光和紅外光透過率的影響不明顯，而可見光的透過率降低了3%左右。鉀鹽的加入，使二次燃燒被抑制，這并不會(huì)影響光學(xué)制導(dǎo)信號，如激光、紅外光的透過，但鉀鹽的加入，將不可避免地增加燃燒產(chǎn)物中的碳及其衍生物的顆粒。圖1是排氣羽煙試驗(yàn)的截圖。由圖1和表2可知，雖然含4%鉀鹽推進(jìn)劑的排氣羽煙與不含鉀鹽的推進(jìn)劑相比有明顯增加，但對可見光透過率的影響較小。

表2　推進(jìn)劑煙霧透過率測試數(shù)據(jù)

(a)0%鉀鹽　　　　　　　　　(b)4%鉀鹽

2.2消焰劑對羽流的影響

采用紅外熱像儀，在推力水平為12 kN的發(fā)動(dòng)機(jī)中，測試了推進(jìn)劑羽流的紅外輻射溫度，并采集了羽流中心線上不同位置的溫度，其溫度分布結(jié)果如表3所示。表3中，L為測溫點(diǎn)距離噴管出口的距離。

由表3可知，含鉀鹽和無鉀鹽的推進(jìn)劑在噴口處的溫度基本一致，隨著測溫點(diǎn)距噴口處距離的增加，含鉀鹽推進(jìn)劑的火焰溫度明顯低于不含鉀鹽推進(jìn)劑的火焰溫度，火焰輻射溫度可降低至少448 ℃。二次燃燒火焰是羽流輻射溫度增加的重要原因[20]，引入鉀鹽后，二次燃燒被抑制，羽流輻射溫度大幅度降低[21]。鉀鹽品種、鉀鹽加入量與溫度降低幅度的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

表3　推進(jìn)劑羽流紅外輻射溫度

含鉀鹽和無鉀鹽推進(jìn)劑在推力水平為12 kN的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，羽流尺寸的對比見表4，火焰達(dá)到最大長度時(shí)的視頻截圖分別見圖3和圖5。由圖3和圖5可知，在推力水平為12 kN的發(fā)動(dòng)機(jī)中，4%的鉀鹽完全消除了二次燃燒火焰，與不含鉀鹽推進(jìn)劑的視頻圖像尺寸相比，火焰的最大長度縮小50%以上，最大寬度縮小83%以上。

表4　推進(jìn)劑羽流視頻圖像尺寸對比

2.3消焰劑的最佳添加量與發(fā)動(dòng)機(jī)推力水平的關(guān)系

盡管鉀鹽對二次燃燒均具有抑制作用[4]，但應(yīng)控制鉀鹽的添加量，以滿足推進(jìn)劑其他性能的要求。為了確定不同推力水平的發(fā)動(dòng)機(jī)能完全消除二次燃燒時(shí)鉀鹽的最小添加量，為今后的工程應(yīng)用提供參考，選取了內(nèi)徑分別為50 mm(標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī))和125 mm的發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了消焰劑的最佳添加量與發(fā)動(dòng)機(jī)推力水平的關(guān)系。不同鉀鹽含量推進(jìn)劑在φ50 mm標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的消焰效果如圖2所示。

在推力水平為1 kN的φ50 mm標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，鉀鹽含量為0%時(shí)，火焰呈連續(xù)狀，二次燃燒火焰明顯；鉀鹽含量為2%時(shí)，火焰呈斷續(xù)狀，二次燃燒部分被抑制，但其后端仍有二次燃燒火焰存在；鉀鹽含量達(dá)到2.3%時(shí)，二次燃燒火焰被完全抑制。進(jìn)一步增加鉀鹽含量到4.0%時(shí)，推進(jìn)劑的火焰沒有發(fā)生明顯變化。由此可知，在推力水平為1 kN的φ50 mm標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，添加2.3%的鉀鹽，即可完全消除二次燃燒火焰，即鉀鹽的最佳添加量在2.0%～2.3%之間。

圖3和圖4分別為不含鉀鹽推進(jìn)劑和含3%鉀鹽推進(jìn)劑在推力水平為12 kN的φ125 mm發(fā)動(dòng)機(jī)中的試驗(yàn)結(jié)果。

(a)0%鉀鹽　　　　　　　　　(b)2.0%鉀鹽

(c)2.3%鉀鹽　　　　　　　　(d)4.0%鉀鹽

圖3　不含鉀鹽推進(jìn)劑φ125 mm發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)截圖

(a)0.008 s　　　　　　　　　(b)0.095 s

圖4(a)為含3%鉀鹽推進(jìn)劑在φ125 mm發(fā)動(dòng)機(jī)中，工作時(shí)間為0.008 s時(shí)的截圖；圖4(b)為含3%鉀鹽推進(jìn)劑在φ125 mm發(fā)動(dòng)機(jī)中，工作時(shí)間為0.095 s時(shí)的截圖。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間tb=0.1 s，其抑制二次燃燒的最大工作時(shí)間約為0.054 s，占tb的54%。φ125 mm發(fā)動(dòng)機(jī)的推力水平為12 kN，φ50 mm標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力水平為1 kN，φ125 mm發(fā)動(dòng)機(jī)的推力水平明顯比標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力水平高。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著推力水平的增加，要達(dá)到理想的消焰效果，必須增加消焰劑的添加水平。

為進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)推力水平對消焰效果的影響，增加了消焰劑的含量到4%進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，含4%鉀鹽推進(jìn)劑在推力水平為12 kN的φ125 mm發(fā)動(dòng)機(jī)中的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，均沒有產(chǎn)生二次燃燒火焰。由此可知，在推力水平為12 kN的φ125 mm發(fā)動(dòng)機(jī)中，鉀鹽的最佳添加量為3.0%～4.0%。

圖5　含4%鉀鹽推進(jìn)劑φ125 mm發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)截圖

裝填無煙改性雙基推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生二次火焰的燃料是H2和CO，在一定壓力和溫度條件下，它們與空氣混合后被點(diǎn)燃形成二次燃燒火焰?；鹧嬷械幕瘜W(xué)反應(yīng)依靠自由基來傳播，如H·、OH·等。H2在空氣中燃燒后形成自由基，反應(yīng)過程如下：

(1)

一般認(rèn)為，鉀鹽的消焰作用[22]是因?yàn)橄鎰┓纸馍蒏·自由基與燃?xì)庵械腍·和OH·自由基發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)式為

(2)

(3)

反應(yīng)式(2)和式(3)的反應(yīng)速度比反應(yīng)式(1)的反應(yīng)速度快得多，大量消耗了羽焰中的H·和OH·自由基導(dǎo)致二次燃燒火焰被抑制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力水平增加時(shí)，噴喉出口燃?xì)獾牧髀蚀蠓黾?，而不可避免地形成激波，羽流燃?xì)饩哂懈叩臏囟群蛪毫Γ藭r(shí)形成自由基的濃度更高。所以，必須提高鉀鹽的添加量，才能起到抑制二次燃燒火焰的作用。

3　結(jié)論

(1)鉀鹽的加入量在4%以內(nèi)時(shí)，對紅外、激光、可見光透過率的影響不明顯。

(2)鉀鹽的加入能大幅度降低推進(jìn)劑的火焰溫度，4%的鉀鹽可使火焰溫度降低至少400 ℃，并消除了二次燃燒火焰，尾焰尺寸縮小了約70%(以火焰最大寬度計(jì)算)。

(3)在不同推力水平發(fā)動(dòng)機(jī)中，推進(jìn)劑配方中消焰劑的添加量存在最佳添加量(能完全消除二次燃燒時(shí)的最小添加量)，最佳添加量隨發(fā)動(dòng)機(jī)推力水平增大而增加。

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(編輯：劉紅利)

Influence of eliminated-flame additive on plume of nitramine modified double base propellant

ZHENG Wei，LI Zhao-yang，ZHU Jia-jia，SONG Xiu-duo，ZHANG Jun，WANG Jiang-ning

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an710065，China)

Based on nitramine modified double base propellant,influence of eliminated-flame additive on the plume,including the smoke and the flame,and the relation between the optimum content of eliminated-flame additive and the energy level of solid rocket motor were experimentally investigated.The results show that the transmission of infrared light,laser and visible light are affected unobvious by eliminated-flame additive when the content of eliminated-flame additive is not more than 4%.Potassium salts can obviously decrease the temperature of plume flame and eliminate completely the afterburning.The temperature of plume flame is decreased more than 400 ℃ and the size of plume flame is reduced about 70%,calculated by the maximum width of plume flame, when the content of eliminated-flame additive is about 4%.The optimum content of eliminated-flame additive in the propellant,the minimum content of eliminated-flame additive which can eliminate completely the afterburning,will increase with the increasing thrust of solid rocket motor.

physical chemistry；eliminated-flame additive；nitramine modified double base propellant；low signature；afterburning；the plume

2014-12-28；

2015-02-05。

鄭偉(1981—)，男，高級工程師，研究方向?yàn)楦男噪p基推進(jìn)劑的應(yīng)用。E-mail：zhei_wei035991@163.com

V512

A

1006-2793(2016)03-0369-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.03.014