宋 琴，代志高，尹必文，項 麗，吳京漢

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽441003)

GAP高能低特征信號推進劑的燃燒性能調(diào)節(jié)

宋 琴，代志高，尹必文，項 麗，吳京漢

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽441003)

研究了硝胺種類、固體組分含量和粒度、增塑劑與GAP的增塑比及燃速催化劑對GAP高能低特征信號推進劑在11～19MPa下燃燒性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)HMX取代推進劑樣品中的RDX時，推進劑的燃速較高，壓強指數(shù)從0.72降至0.63；在AP和HMX總質(zhì)量分數(shù)為67.5%的條件下，隨著AP質(zhì)量分數(shù)由5%增至30%，推進劑燃速逐漸增大，壓強指數(shù)由0.82降至0.45；減小AP粒度以及在配方中添加燃速催化劑或調(diào)節(jié)過渡金屬化合物J1/J2的配比，可較大幅度地增加推進劑燃速和降低壓強指數(shù)，其中，J1與J2總質(zhì)量分數(shù)為3%，二者質(zhì)量比為2∶1和1∶1時，推進劑的壓強指數(shù)較小，分別為0.50和0.48；隨著HMX粒度減小及增塑劑與GAP黏合劑的增塑比的降低，推進劑的燃速和壓強指數(shù)降低。

聚疊氮縮水甘油醚；GAP；高能低特征信號推進劑；燃燒性能；壓強指數(shù)；黏合劑；增塑劑

引 言

推進劑燃燒時產(chǎn)生的特征信號使導(dǎo)彈武器的生存能力和突防能力受到嚴重威脅，因此推進劑的隱身對于整個導(dǎo)彈系統(tǒng)非常重要。通常，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在發(fā)射及飛行時，噴焰中的煙霧不僅有可見煙，還有紅外和紫外輻射，容易暴露導(dǎo)彈方位，也易被敵方攔截[1]；另一方面，制導(dǎo)信號(微波、電磁波和激光)穿越噴焰和煙霧區(qū)時還會衰減和被干擾，從而嚴重影響制導(dǎo)的精確性[2-3]。因此，研究具有低特征信號的新型推進劑是固體推進劑發(fā)展的一個重要方向。

聚疊氮縮水甘油醚(GAP)具有生成熱高、密度大、燃氣無腐蝕性、特征信號低、燃溫低、感度低等優(yōu)點，被認為是研制高能、鈍感和低特征信號推進劑的關(guān)鍵材料之一，是固體推進劑的理想黏合劑[4]。將GAP作為高能低特征信號推進劑黏合劑時，可以彌補減少金屬粉以及AP含量帶來的能量損失，且其與常規(guī)氧化劑、增塑劑相容性好。在GAP高能低特征信號推進劑配方研制過程中，為了減少一次煙和二次煙的生成量，常采用降低燃燒劑金屬Al粉和氧化劑AP含量并相應(yīng)提高HMX或RDX含量來降低推進劑的特征信號，因此無Al粉、少AP(質(zhì)量分數(shù)不大于15%)、高硝胺含量成為高能低特征信號推進劑配方的一個重要研究趨勢。目前，某背景型號發(fā)動機要求采用此高能低特征信號推進劑配方，但由于該體系中多硝胺含量的特征，推進劑在11～19MPa內(nèi)存在壓強指數(shù)偏高的問題，嚴重影響發(fā)動機正常工作的可靠性。推進劑燃燒性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到火箭發(fā)動機內(nèi)外彈道性能的穩(wěn)定[5-6]。李偉等[7]研究認為，在GAP少煙推進劑中添加鉛鹽催化劑，可大幅提高高壓燃速和降低高壓段壓強指數(shù)；顧健等[8]研究了新型負載燃速催化劑對NEPE推進劑燃速的影響，認為新型負載型燃速催化劑可大幅提高推進劑的燃速并降低壓強指數(shù)。

本研究從高硝胺含量推進劑燃燒特性入手，研究了不同硝胺種類、固體組分含量、固體組分粒度、增塑劑與GAP黏合劑增塑比以及燃速催化劑對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響。

1 實 驗

1.1 樣 品

GAP黏合劑、硝酸酯、AP(IV類)、NG/TEGDN以及NG/BTTN共混，湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所；HMX(β型一級品)、RDX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團有限公司；AP(Ⅲ類)，大連高佳化工有限公司；

1.2 推進劑制備

推進劑基礎(chǔ)配方(質(zhì)量分數(shù))為：AP≤15%，硝胺>50%，硝化甘油(NG)和三甘醇二硝酸酯(TEGDN)或1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)組合硝酸酯增塑劑/GAP黏合劑混膠15%～30%，燃速穩(wěn)定劑0.5%～2%，其他功能助劑2%～4%。

推進劑采用藥漿澆注工藝，將推進劑組分預(yù)混后加入到VKM-5型立式捏合機中于50～60℃下捏合50～70min，出料并真空澆注，置于50℃油浴烘箱內(nèi)固化7d得到推進劑方坯。

1.3 推進劑燃速測定

采用水下聲發(fā)射法測定推進劑燃速。首先將推進劑制成4mm×4mm×110mm的藥條，測試壓強分別為11、13、16和19MPa時藥條的燃燒時間，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GJB770B-2005中的706.1方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 硝胺種類對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響

在保持配方其他組分不變的情況下，考察了相同粒度和含量的RDX和HMX對推進劑燃燒性能的影響，結(jié)果見圖1。

從圖1中可以看出，配方體系中采用HMX后，推進劑在11～19MPa下燃速均高于含RDX的配方，但壓強指數(shù)較低。分析認為，HMX密度大于RDX，其在推進劑中的體積分數(shù)大，燃燒時，熱分解產(chǎn)生的熱量更高，因此燃速更高。

2.2 固體組分含量對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響

由于本研究中的GAP高能低特征信號推進劑配方中無Al粉，因此該推進劑中的主要有效固體組分為AP和HMX，重點考察了在AP和HMX總質(zhì)量分數(shù)為67.5%的情況下，改變AP含量對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，在AP和HMX總含量不變的條件下，隨著AP質(zhì)量分數(shù)由5%增至30%，推進劑在11～19MPa下的燃速呈增長趨勢，壓強指數(shù)逐漸降低。這是由于HMX的熔融溫度比分解溫度低，在分解前會先熔化吸熱，使推進劑燃燒表面溫度降低。一般認為，HMX在推進劑的燃燒表面起惰性添加劑的作用，且AP的反應(yīng)活性高于HMX，AP分解產(chǎn)生大量的富氧化合物與GAP黏合劑、硝酸酯增塑劑等分解的富燃產(chǎn)物(CmHn、醛類等)反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，從而使推進劑燃速增加。當(dāng)AP含量增大后，低壓下推進劑燃速比高壓下的燃速提高更顯著，因此增加AP含量，同時降低HMX含量，推進劑燃速增大，壓強指數(shù)降低，但同時也會影響推進劑的羽煙信號特征。

2.3 固體組分粒度對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響

分別考察了HMX粒徑為95μm時，AP粒徑對推進劑燃燒性能的影響，以及AP粒度為7μm時，HMX粒度對推進劑燃燒性能的影響，結(jié)果見表1。

表1 AP及HMX粒度對推進劑燃燒性能的影響

從表1可以看出，隨著AP粒度的減小，推進劑在11～19MPa下燃速均逐漸增大，壓強指數(shù)逐漸降低。AP燃燒產(chǎn)生的氧化性氣體產(chǎn)物和黏合劑熱分解產(chǎn)生的可燃性氣體產(chǎn)物形成的擴散火焰控制GAP推進劑的燃燒過程；AP細粒度含量越多，其比表面積越大，有利于熱分解和凝聚相放熱反應(yīng)，AP在推進劑燃燒表面附近放熱增加，傳給表面的熱量也增加，故推進劑的燃速提高。從表1也可看出，隨著HMX粒度的減小，推進劑在11～19MPa下燃速均降低，壓強指數(shù)也降低，這是由于在推進劑燃燒時，硝胺在燃燒表面吸熱熔化，當(dāng)其粒度減小時，熔化吸熱增大，促進凝聚相吸熱反應(yīng)進行，減少其放熱量，進而降低凝聚相的反應(yīng)熱，降低了燃燒表面的氣體反應(yīng)速度和擴散速度，從而降低了推進劑的燃速。同時也說明，在該配方體系中，調(diào)節(jié)AP和HMX的粒度，可一定程度降低推進劑的壓強指數(shù)。

2.4 增塑比對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響

在GAP高能低特征信號推進劑配方體系中，含能的硝酸酯增塑劑是推進劑的重要組成部分，且含能增塑劑對燃燒火焰結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生重要的影響，進而影響推進劑的燃燒行為，因此調(diào)節(jié)增塑比(即NG和TEGDN或BTTN組合硝酸酯增塑劑與GAP黏合劑質(zhì)量比)，分析其對推進劑燃燒性能的影響，結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，隨著硝酸酯增塑劑與GAP黏合劑增塑比的降低，即推進劑在11～19MPa各個壓強點燃速和壓強指數(shù)均明顯降低。這是由于硝酸酯增塑劑對GAP黏合劑的熱分解有一定的促進作用，而且隨著硝酸酯增塑劑含量的降低，體系的放熱量減少，反饋至燃燒表面的熱量減少，從而燃速降低。

2.5 燃速催化劑對GAP高能低特征信號推進劑燃燒性能的影響

研究了質(zhì)量分數(shù)為3%的燃速催化劑(C粉、過渡金屬化合物J1、J2和J3)對推進劑燃燒性能的影響，并在此基礎(chǔ)上研究了J1和J2組合燃速催化劑不同配比(質(zhì)量比)對推進劑燃燒性能的影響，結(jié)果見圖4和表2。

從圖4可以看出，在基礎(chǔ)配方中添加質(zhì)量分數(shù)為3%的燃速催化劑后，推進劑在11～19MPa范圍內(nèi)各個壓強點燃速均明顯增大，壓強指數(shù)降低，其中添加燃燒性能調(diào)節(jié)劑C粉，推進劑壓強指數(shù)降至0.58，而添加過渡金屬化合物J1或J2，推進劑壓強指數(shù)降至0.53，說明添加燃速催化劑是降低推進劑壓強指數(shù)的有效技術(shù)手段。分析認為，GAP黏合劑體系燃燒后產(chǎn)生的織態(tài)碳結(jié)構(gòu)是C粉、過渡金屬化合物J1和J2催化劑發(fā)揮催化作用的載體，對推進劑的燃速和壓強指數(shù)有顯著影響。

表2 J1/J2配比對推進劑燃燒性能的影響

從表2中可以看出，J1/J2質(zhì)量比對壓強指數(shù)有一定的影響，但規(guī)律性不強(隨J1含量增大，壓強指數(shù)變化趨勢為升高-降低-升高)，二者存在最佳配比，即J1/J2質(zhì)量比為2∶1和1∶1時，推進劑的壓強指數(shù)較小，分別為0.50和0.48，說明調(diào)節(jié)組合燃速催化劑相對含量對降低壓強指數(shù)有一定的效果。

3 結(jié) 論

(1)推進劑配方中通過采用HMX、降低硝酸酯增塑劑和GAP黏合劑增塑比以及減小AP和HMX的粒度，可一定程度地降低推進劑在11～19MPa的壓強指數(shù)。

(2)在AP和HMX總含量不變的條件下，增大AP含量，可明顯增大推進劑的燃速和降低壓強指數(shù)。

(3)在配方體系中添加一定含量的燃速催化劑，可有效提高推進劑的燃速，并降低推進劑的壓強指數(shù)，其中，燃速催化劑總質(zhì)量分數(shù)為3%，J1和J2質(zhì)量比為1∶1時，推進劑壓強指數(shù)降幅最大，可降至0.48。

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RegulationoftheCombustionPropertiesforGAPPropellantwithHighEnergyandLowSignature

SONG Qin, DAI Zhi-gao, YIN Bi-wen, XIANG Li, WU Jing-han

(Hubei Institute of Aerospace Chemotechnology, Xiangyang Hubei 441003, China)

The effects of nitramine variety, content and granularity of solid component, plasticizing ratio of plasticizer and GAP binders, and burning-rate catalysts on the combustion properties of GAP propellant with high energy and low signature under 11-19MPa were studied. Results show that the burning rate of the propellant sample is higher and the pressure exponents decrease from 0.72 to 0.63 when HMX is substituted for RDX in the propellant samples. As the total mass fraction of AP and HMX is 67.5%, the burning rate increases gradually and the pressure exponent decreases from 0.82 to 0.45 with increasing the mass fraction of AP from 5% to 30%. Reducing the granularity of AP, adding the burning-rate catalysts and adjusting the ratios of transition metal compounds J1and J2,can greatly increase the burning rate of the propellant and reduce the pressure exponent. In which,when the total mass fraction of J1and J2is 3% and the ratios of J1and J2are 2∶1 and 1∶1, the pressure exponents of the propellant are smaller, which are 0.50 and 0.48 respectively. With reducing the granularity of HMX and decreasing the plasticizing ratios of plasticizers and GAP binders, the burning rates and pressure exponents of the propellants reduce.

glycidyl azide polymer; GAP ；propellant with high energy and low signature; combustion properties; pressure exponent; binder; plasticizer

TJ55;V512

A

1007-7812(2017)05-0060-04

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.011

2017-04-26；

2017-09-06

宋琴(1987-)，女，碩士，從事固體推進劑研究。E-mail:songqin1721@163.com