何志成，夏智勛，胡建新，李 洋

（1.國防科技大學空天科學學院，湖南 長沙410073；2.重慶大學航空航天學院，重慶 400044）

1 引言

電控固體推進劑（ECSP）是近年來發(fā)展的一種不需要點火藥，可直接通過外接電源點火燃燒的新型固體推進劑。通過調節(jié)外加電源電壓不僅可以實現(xiàn)推進劑的多次點火與熄滅，還能實現(xiàn)推進劑燃速的實時調節(jié)［1-2］。電控固體推進劑微小型固體發(fā)動機具有結構簡單、響應快、易于控制的優(yōu)點，在姿態(tài)控制系統(tǒng)、火箭助推系統(tǒng)、導彈防御系統(tǒng)和空間推進點火系統(tǒng)中得到了一定的應用［3-6］。金屬燃料是電控固體推進劑的主要成分之一，包括鎂、鋁、硼、鎢等。鋁粉，尤其是微米或納米鋁粉，因其高密度和高燃燒焓的特性可以顯著提高ECSP 的燃速及比沖；鋁粉良好的導電性還有助于提高ECSP 的導電性，改善其電點火性能，縮短點火延遲時間，降低點火功率。但是，鋁粉含量與粒徑的變化以及對靜電放電的敏感特性無疑會對推進劑的感度產生一定影響［7-11］。

關于電控固體推進劑的安全性能，國外已進行了部分研究。據美國Digital Solid State Propulsion 公司報道，基于硝酸羥胺（HAN）的高性能電控固體推進劑“HIPEP”安全等級可以滿足美國國軍標彈藥火箭與導彈發(fā)動機點火系統(tǒng)安全設計規(guī)范（MI-STD-1901A）要求1.4 級［12］，該推進劑在制備、使用、運輸以及貯存方面都具有較高的安全性。雖然HAN 基電控固體推進劑具有比沖高、產物無毒以及電控性能好的優(yōu)點，但存在斷電后不能完全熄滅，長期儲存性能下降的缺點，且當環(huán)境壓力≥1.4 MPa 時，其燃燒轉變?yōu)樽跃S持進行［13］，失去了電控特性。

高氯酸鹽基ECSP 是在HAN 基ECSP 基礎上發(fā)展的新一代電控固體推進劑，具有更好的電控特性及熱穩(wěn)定性。目前，尚未見有關含高氯酸鹽ECSP 感度特性研究的文獻報道。本研究采用高氯酸鹽為氧化劑，制備了高氯酸鹽基電控固體推進劑，探究了鋁粉含量及粒徑對高氯酸鹽基ECSP 撞擊感度、摩擦感度、靜電火花感度以及火焰感度的影響，以為高氯酸鹽基ECSP 的安全性評價提供依據。

2 實驗部分

2.1 試樣制備

本研究中所采用的電控固體推進劑組成主要包括高氯酸鋰（LiClO4）、硝酸銨（AN）、聚乙烯醇（PVA）、鋁粉（粒徑分別為0.05，5，25，65，105 μm），交聯(lián)劑和增塑劑等。以電控固體推進劑配方為基礎，采用澆注工藝制備了推進劑樣品，即將高氯酸鋰、硝酸銨、聚乙烯醇、鋁粉和其它助劑加入到溶劑中混合攪拌40 min，然后將漿液澆注至模具中，于35～50 ℃下固化5～7 天，脫模后即可得到ECSP 固體推進劑。含不同Al 粒徑的高氯酸鹽基ECSP 樣品的具體配方為：LiClO455%，AN 5%，PVA 15%，Al 15%，其它10%。固定LiClO4和鋁粉總含量為70%，其它各組分的含量保持不變，通過改變LiClO4與鋁粉的相對含量制備得到鋁粉含量為0%，5%，10%，15%，20% 的ECSP 樣品。由于Al 含量過高會降低高氯酸鹽基電控固體推進劑漿液的流動性，不利于推進劑的澆鑄成型；高鋁含量還會降低推進劑配方組分混合均勻度，導致推進劑干燥成型后產生裂紋，燃燒性能降低。因此，本研究中推進劑的Al 含量≤20%。

2.2 感度測試

撞擊感度：參照GJB772A-1997 方法601.2［14］，用WL-1 型撞擊感度儀測試推進劑試樣的撞擊感度。測試條件：落錘重量2 kg；樣品質量30 mg。撞擊感度以樣品50%爆炸特性落高H50（cm）表示。

摩擦感度：參照GJB772A-1997 方法602.1［14］，用WM-1 型摩擦感度儀測試推進劑試樣的摩擦感度。測試條件：擺角66°，樣品質量20 mg，壓強2.45 MPa。摩擦感度以樣品爆炸概率P（%）表示。

靜電火花感度：參照GJB5891.27-2006 方法6.1［15］，先向500 pF電容器充電至10 kV，試驗30發(fā)。繼而采用方法6.2，依次選用四個不同電極間隙和電阻，向10000 pF電容器充電至10 kV，試驗30發(fā)。電極間隙為0.12，0.18，0.25 mm 和0.50 mm，環(huán)境溫度24 ℃，濕度40%，單次用藥量25 mg。采用JGY-50II靜電火花感度儀進行測試，并以樣品50%發(fā)火電壓V50（kV）表示。

火焰感度：參照GJB772A-1997 方法604.1［14］，采用導火索法測試推進劑試樣的火焰感度。測試條件：常溫常壓下用7 cm 導火索進行點火試驗，底火殼為7.62 槍彈通用底火殼?；鹧娓卸纫詷悠?0%發(fā)火高度h50（cm）表示。

3 結果與討論

3.1 Al 含量對高氯酸鹽基ECSP 推進劑的感度影響

不同Al 含量高氯酸鹽基ECSP 的撞擊感度（H50）、摩擦感度（P）以及靜電火花感度（V50）測試結果見表1。

表1 Al 含量對高氯酸鹽基ECSP 感度的影響Table 1 Effects of Al content on the sensitivities of perchlorate-based ECSP

由表1 可知，含Al 高氯酸鹽基ECSP 與非金屬高氯酸基ECSP（Al%=0）相比，含20% Al（5 μm）推進劑H50值降至56.2 cm，P增至4 %；含20% A（l105 μm）推進劑H50值降至100.0 cm，P增至4%。當Al 含量由5%增至20%時，高氯酸鹽基ECSP 的H50值減小而P增大，且Al粒徑為5 μm 時，該變化趨勢比A（l105 μm）明顯。這說明Al 含量的增加導致推進劑撞擊感度和摩擦感度增大，且撞擊感度增加的幅度較摩擦感度大。不同Al 含量的高氯酸鹽基ECSP 在10 kV 條件下均未發(fā)生反應現(xiàn)象，其靜電火花感度變化規(guī)律不明顯。

分析認為氧化劑LiClO4和AN 在推進劑干燥成型過程中隨溶劑的揮發(fā)而析出并填充于PVA 交聯(lián)網絡結構中，在受到外界刺激時具有高比熱容的PVA 與氧化劑作用需要吸收更多的熱量形成“熱點”，因此，非金屬系高氯酸鹽基ECSP 具有較低的撞擊感度和摩擦感度。Al 的加入降低了推進劑體系的比熱容［16］，且Al 與氧化劑以及Al 顆粒之間的碰撞、破碎幾率隨Al 含量的增加而增大，導致在受到外界刺激時推進劑內部更易形成“熱點”，推進劑的撞擊感度增大。此外，Al 含量的增加導致推進劑各組分之間通過摩擦形成的“熱點”增加，推進劑摩擦感度增大，但是增幅較低。分析認為聚合物基質PVA 的黏彈性降低了Al 顆粒及其它固體填料之間的摩擦作用，因此高氯酸基ECSP 摩擦感度較低。

在10 kV 的發(fā)火電壓及0.12～0.5 mm 電極間隙條件下，不同Al 含量的高氯酸鹽基ECSP 均未發(fā)生明顯的發(fā)火現(xiàn)象，這說明高氯酸鹽基ECSP 靜電火花感度較低，但是Al 含量對其靜電火花感度的影響規(guī)律不明顯。分析認為微納米Al 顆?；驁F聚顆粒填充于PVA交聯(lián)網絡結構中并被PVA 包覆，導致推進劑電阻增加，導電性較低，從而表現(xiàn)出較低的靜電火花感度。

3.2 Al 粒徑對高氯酸鹽基ECSP 推進劑的感度影響

含不同Al 粒徑高氯酸鹽基ECSP 樣品的撞擊感度（H50）、摩擦感度（P）、靜電火花感度（V50）以及火焰感度（h50）測試結果見表2。

表2 Al 粒徑對高氯酸鹽基ECSP 感度的影響Table 2 Effects of particle size of Al power on the sensitivities of perchlorate-based ECSP

由表2 可知，當Al 粒徑由納米級（0.05 μm）增至微米級65 μm 時，H50值由33.9 cm 增至97.7 cm；當Al 粒徑增至105 μm 時，H50值增至125.8 cm 以上，這說明高氯酸鹽基ECSP 的撞擊感度隨Al 粒徑的增大而降低。分析認為Al 粒徑越小，比表面積越大，活性越高［17］，增大了推進劑中顆粒間的碰撞摩擦幾率，導致推進劑撞擊感度增大。粗粒徑Al 粉的應用增大了顆粒間距，間隙中PVA 的填充降低了Al 顆粒之間的摩擦作用，從而導致推進劑的撞擊感度降低。

Al 粒徑為0.05～65 μm 時高氯酸鹽基ECSP 的摩擦感度變化不明顯，而當Al 粒徑增至105 μm 時，其摩擦感度P降低了4%，這說明Al 粒徑的增大降低了高氯酸鹽基ECSP 的摩擦感度，但降幅平緩。分析認為顆粒間的擴散距離隨Al 粒徑的減小而減小，增大了摩擦面積，導致推進劑內部組分間的反應活性增加，產生的熱量增加，因而推進劑的摩擦感度增大。

當Al 粒徑由0.05 μm 增至5 μm 時，高氯酸鹽基ECSP 的h50值降低了66.67%，說明其火焰感度隨Al 粒徑的增大而降低。當Al 粒徑由25 μm 增至105 μm時，推進劑經導火索測試表現(xiàn)為不燃不爆，但變化規(guī)律不明顯。非金屬系高氯酸鹽基ECSP 具有良好的火焰鈍感特性，而具有高表面活性的Al 粉加入提高了推進劑的火焰敏感度，在受到外界高溫刺激時，推進劑表面更容易發(fā)生反應產生放出熱量，造成局部溫度過高導致推進劑燃燒或爆炸，導致高氯酸鹽基ECSP 的火焰感度增大。

綜上所述，高氯酸鹽基ECSP 表現(xiàn)出較低的感度特性，Al 含量及粒徑變化對其撞擊感度的影響比對摩擦感度、靜電火花感度及火焰感度的影響大。本研究結果為高氯酸鹽基ECSP 感度研究奠定了基礎，但存在一定的局限性，通過改進實驗方法可對高氯酸鹽基ECSP的感度特性展開進一步的研究。

4 結論

研究了不同鋁粉含量及粒徑對高氯酸鹽基電控固體推進劑的撞擊感度、摩擦感度、靜電火花感度和火焰感度的影響，得到如下結論：

（1）高氯酸鹽基ECSP 的撞擊感度隨Al 粉含量的增加而增大，隨Al 粉粒徑的增大而減小。含納米級Al粉高氯酸鹽基ECSP 的撞擊感度比含微米級Al 粉的高。

（2）高氯酸鹽基ECSP 的摩擦感度隨Al 粉含量的增加而增大，但是增加趨勢平緩；其摩擦感度隨Al 粒徑的增大呈降低的趨勢，且Al 粒徑變化越大，該變化趨勢越明顯。

（3）高氯酸鹽基ECSP 的火焰感度隨Al 粒徑的增大而降低。

（4）高氯酸鹽基ECSP 具有較低的靜電火花感度，不同Al 含量與粒徑的高氯酸鹽基ECSP 發(fā)火電壓V50均大于10 kV 以上。