唐梓辰,王英紅,梁 超,顧 濤,張?chǎng)矽i,王旭波,楊時(shí)敏,李 偉

(1.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、流動(dòng)與熱結(jié)構(gòu)熱國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072;2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所,襄陽(yáng) 441003;3.上海航天化工應(yīng)用研究所,湖州 313000)

0 引言

在推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域,相比于鎂和鋁,硼具有較高的體積熱值和質(zhì)量熱值[1-2],其質(zhì)量熱值為58.24 kJ/g(分別為鎂和鋁的2.3倍和1.9倍),體積熱值為137.9 kJ/cm3(分別為鎂和鋁的3.09倍和1.66倍)。因此,硼成為了最具潛力的富燃料推進(jìn)劑用金屬燃料[3-7]。在硼粉的熱值測(cè)試方面,由于硼粉存在點(diǎn)火困難,燃燒不完全[8-12]等問(wèn)題,使得實(shí)際測(cè)試放熱量遠(yuǎn)低于其理論值。因此,為使硼粉燃燒更充分,放熱量更多,通過(guò)添加助燃劑的方式來(lái)改善硼粉的燃燒行為成為提高硼粉熱值的主要研究方向之一。

近年來(lái),研究人員已經(jīng)在助燃劑選擇、助燃劑與硼粉混合方式方面進(jìn)行了大量的研究[13-17]。在助燃劑選擇方面,潘匡志等[14]選用SQ-2作為助燃劑,研究了助燃劑質(zhì)量、形狀及充氧壓強(qiáng)對(duì)硼粉燃燒熱測(cè)試結(jié)果的影響,表明了升高極限溫度是改善硼粉在氧彈內(nèi)燃燒效率的有效途徑。杜歆旖等[15]使用石蠟作為助燃劑,按照特定的工藝流程與計(jì)算,使得硼粉的燃燒效率提高,但由于實(shí)驗(yàn)中硼粉存在氧化的問(wèn)題,導(dǎo)致其測(cè)試結(jié)果一致性較差。在助燃劑與硼粉混合方式方面,張勤林等[16]使用某標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)劑作為助燃劑,探究了助燃劑與硼粉的混合比例、混合方式以及混合工藝對(duì)硼粉放熱量的影響,發(fā)現(xiàn)采用濕法混合方式硼粉放熱量接近理論值。劉林林等[17]在張勤林的基礎(chǔ)上,提出了新的混合方式,但由于樣品厚度太薄,熱量不集中,放熱量?jī)H有47 160 J/g。以上各學(xué)者的研究大部分都是針對(duì)提高硼粉在助燃劑下的燃燒熱值,而未對(duì)助燃劑與硼粉混合方式不同所引起的硼粉在氧彈中的燃燒特征做出細(xì)致分析,因而不利于有關(guān)助燃劑研究的進(jìn)一步發(fā)展。

本文基于以SQ-2為助燃劑的硼粉樣品進(jìn)行燃燒特征研究,但由于SQ-2含量以及加入方式的不同,硼粉的燃燒放熱量不同。因此,本文針對(duì)不同含量SQ-2與硼粉在兩種典型的混合方式(干法混合和濕法混合)下硼粉在氧彈中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析,旨在分析硼粉在氧彈中的燃燒規(guī)律,為助燃劑的進(jìn)一步使用提供指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料:無(wú)定形硼粉,純度為90%,粒徑約為1μm,由遼寧天元化工廠提供;丙酮,分析純;助燃劑為雙鉛-2(以下簡(jiǎn)稱SQ-2),由四川瀘州215廠提供,是一種常見(jiàn)的含能雙基推進(jìn)劑,其成分為60.0%硝化棉,25.7%硝化甘油,8.8%二硝基甲苯,3.0%二號(hào)中定劑,1.2%氧化鉛,1.3%碳酸鈣,質(zhì)地均勻,燃燒性能良好,燃速較低,安定性較高,且價(jià)格低廉,經(jīng)濟(jì)性良好,不溶于水,易溶于醇醚類有機(jī)溶劑,可塑性高。

儀器:微機(jī)全自動(dòng)量熱儀(ZDHW-HN7000C,長(zhǎng)沙友欣儀器制造有限公司),真空干燥箱(DZ-1BCIV),分析天平(精度為0.000 1 g),切藥機(jī),粉碎機(jī),100 ml量筒,燒杯,玻璃棒,玻璃平板,金屬鏟,測(cè)壓型氧彈,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.2 樣品制備

樣品制備方式是影響硼粉燃燒放熱量的因素之一,本文采用兩種制樣方式進(jìn)行樣品的制備,即干法和濕法。

(1)干法:按比例精確稱取一定質(zhì)量的SQ-2和硼粉,將SQ-2和硼粉在粉末狀態(tài)下機(jī)械混合,混合均勻的試樣即為待用樣品。

(2)濕法:按比例精確稱取一定質(zhì)量的SQ-2和硼粉,將SQ-2和硼粉在粉末狀態(tài)下充分混合,加適量的丙酮,攪拌,直至SQ-2與硼粉混合成一種粘稠狀物質(zhì),將其平鋪在金屬板上,使用金屬鏟反復(fù)攪拌擠壓,最后分割為小塊,放入真空干燥箱中,制得待用樣品。

對(duì)比兩種制樣方法,可認(rèn)為濕法制樣中的硼粉與SQ-2混合的均勻程度以及接觸的緊密程度明顯比干法制樣有所提高。

實(shí)驗(yàn)共準(zhǔn)備了7組樣品,各組樣品參數(shù)如表1所示,其中SQ-2含量按照助燃劑比例k分別為1、2、4、6、8、10換算所得。

表1 7組樣品參數(shù)設(shè)置

1.3 樣品放熱量測(cè)試

采用干法制作的樣品稱為干法樣品,同理采用濕法制作的樣品稱為濕法樣品。為檢驗(yàn)兩種制樣方法下SQ-2的助燃效果,對(duì)在該兩種制樣方法下的樣品進(jìn)行放熱量測(cè)試。但樣品質(zhì)量是影響測(cè)試結(jié)果的因素之一,GJB 770B—2005方法701.2《爆熱和燃燒熱恒溫法》中規(guī)定稱取的試樣應(yīng)能使水溫升高2～3 ℃,同時(shí)又因坩堝限制樣品質(zhì)量不超過(guò)2.5 g,按照實(shí)驗(yàn)要求為排除樣品質(zhì)量影響,同種助燃劑比例,樣品質(zhì)量全部統(tǒng)一取值,且不超過(guò)2.5 g。通過(guò)理論計(jì)算可知,1 g的B完全燃燒需要2.22 g氧氣,1 g的SQ-2完全燃燒需要0.4 g氧氣,根據(jù)pV=nRT(量熱用氧彈體積為308 ml)計(jì)算可得,1 g的B完全燃燒需要0.56 MPa氧氣,1 g SQ-2完全燃燒需要0.1 MPa氧氣,測(cè)試所充入氧彈的氧氣過(guò)量,均能滿足樣品的充分燃燒。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了表1中7組不同參數(shù)樣品的放熱量。放熱量測(cè)試一般進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn),計(jì)算3次實(shí)驗(yàn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)0.2%,若超過(guò)0.2%則補(bǔ)做實(shí)驗(yàn),取符合要求的3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為樣品的放熱量。樣品中硼粉的放熱量采用間接法獲得,如式(1),硼粉的燃燒效率計(jì)算式如式(2)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

(1)

(2)

式中QB為樣品中硼粉的放熱量,J/g;Qs為樣品中SQ-2放熱量,J/g,0.7 MPa下Qs為10 815 J/g,1 MPa下Qs為10 921 J/g,3 MPa下Qs為11 033.5 J/g;m1為樣品制備過(guò)程中所用硼粉質(zhì)量,g;m2為樣品制備過(guò)程中所用SQ-2質(zhì)量,g;Q為量熱儀直接測(cè)得的樣品放熱量,J/g; 為SQ-2與硼粉的質(zhì)量比;η為樣品中硼粉的燃燒效率;58 000 J/g為硼粉的理論燃燒熱。

1.4 放熱量測(cè)試中的p-t曲線測(cè)試

樣品在氧彈內(nèi)燃燒時(shí)必然有壓強(qiáng)的變化,因此采集4種典型樣品,參數(shù)為SQ-2(85.7%)-Dry mixing、SQ-2(90.9%)-Dry mixing、SQ-2(85.7%)-Wet mixing、SQ-2(90.9%)-Wet mixing在燃燒過(guò)程中p-t曲線,試圖通過(guò)壓強(qiáng)的改變得到硼粉樣品燃燒信息,用以分析兩種混合方式下不同SQ-2含量樣品中硼粉放熱量大小差異原因。

測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示,包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)以及氧彈燃燒系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電腦、Dewesoft數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)據(jù)線和壓強(qiáng)傳感器,用于采集樣品在燃燒過(guò)程中的壓強(qiáng)值;點(diǎn)火系統(tǒng)使用12 V點(diǎn)火電源;氧彈燃燒系統(tǒng)包括氧彈以及水浴,該測(cè)壓用氧彈是在原有氧彈上打孔,用以連接壓強(qiáng)傳感器,標(biāo)定其體積為287 ml,水浴則用來(lái)模擬量熱系統(tǒng)中的內(nèi)筒環(huán)境。

圖1 氧彈測(cè)壓裝置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 干法樣品和濕法樣品放熱量測(cè)試結(jié)果分析

表2是表1中7組不同樣品參數(shù)的硼粉樣品的放熱量測(cè)試結(jié)果。由表2可知,無(wú)論是干法還是濕法,在同種制樣方法下,隨著SQ-2含量的增加,硼粉放熱量呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),最大為SQ-2(90.9%)-Dry mixing和SQ-2(90.9%)-Wet mixing兩種樣品在充氧壓強(qiáng)3 MPa時(shí)的情況,此時(shí)兩種工況下的硼粉燃燒效率分別為60.26%和94.65%;在同種實(shí)驗(yàn)條件(硼粉種類相同、樣品質(zhì)量和充氧壓強(qiáng)相等)下,濕法制樣下的硼粉燃燒放熱量始終高于干法制樣下的硼粉燃燒放熱量(同種比例高出大約20 000 J/g),當(dāng)SQ-2含量在80.0%以上時(shí),硼粉燃燒效率均在90%以上,且不銹鋼坩堝無(wú)燒蝕情況出現(xiàn)。

表2 兩種制樣方法下不同SQ-2含量的樣品放熱量測(cè)試結(jié)果

分析認(rèn)為,助燃劑SQ-2含量增加,在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量氣體使得與之接觸的硼粉在很大程度上被帶出到坩堝外面,硼粉能夠充分利用氧氣而在氧彈內(nèi)部燃燒;濕法混合下硼粉與SQ-2接觸緊密,硼粉能夠快速的吸收SQ-2燃燒中釋放出的熱量從而被引燃,且SQ-2與硼粉均為塊狀,燃燒相對(duì)緩慢,硼粉的高溫燃燒時(shí)間延長(zhǎng)而能夠更充分的燃燒,釋放出更多的熱量。

2.2 放熱量測(cè)試中的p-t曲線結(jié)果分析

為了通過(guò)該測(cè)試曲線獲得對(duì)硼粉燃燒有用信息,該實(shí)驗(yàn)條件保持與放熱量測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的條件一致,即充氧3 MPa,樣品質(zhì)量約2.5 g,采集到的p-t曲線如圖2所示。

圖2為4個(gè)樣品在氧彈中燃燒過(guò)程中的壓強(qiáng)變化趨勢(shì)。根據(jù)壓強(qiáng)變化趨勢(shì)將圖2曲線分為3段,對(duì)應(yīng)于圖中的1、2、3段。第1段為樣品從點(diǎn)火成功并開(kāi)始燃燒,壓強(qiáng)快速上升到最大壓強(qiáng)的時(shí)段;第2段為氧彈內(nèi)部壓強(qiáng)從最大壓強(qiáng)快速下降的時(shí)段;第3段氧彈內(nèi)壓強(qiáng)緩慢下降直至不再變化的時(shí)段。圖3是圖2中第1段的放大圖,圖4則為第2段的局部放大圖。

圖2 樣品燃燒過(guò)程中的p-t曲線

圖3 氧彈內(nèi)壓強(qiáng)快速上升段

圖4 氧彈內(nèi)壓強(qiáng)快速下降段

圖3中,干法樣品在氧彈內(nèi)部燃燒時(shí),氧彈內(nèi)部的升壓速率遠(yuǎn)大于濕法樣品在氧彈內(nèi)部燃燒時(shí)的升壓速率,如SQ-2含量為85.7%時(shí),干法樣品在樣品開(kāi)始燃燒后的0.026 8 s時(shí)達(dá)到最大壓強(qiáng)21.734 MPa,而濕法樣品用時(shí)0.172 33 s才達(dá)到最大壓強(qiáng)18.558 MPa。將該壓強(qiáng)上升段分為為OAB兩段,對(duì)應(yīng)于圖中的O1A1B1、O2A2B2、O3A3B3、O4A4B4,從燃燒起始點(diǎn)O到A點(diǎn),氧彈內(nèi)壓強(qiáng)激增,而A點(diǎn)到B點(diǎn)壓強(qiáng)上升的較為緩慢。分析認(rèn)為,干法樣品中SQ-2以粉末形式存在,而濕法樣品中的SQ-2是以塊狀形式存在,相比于塊狀SQ-2,粉末狀的SQ-2燃燒更為迅速,氧彈內(nèi)部升壓速率也就快,最大壓強(qiáng)就更高。A點(diǎn)之前,以SQ-2燃燒為主,因而壓強(qiáng)上升迅速;A點(diǎn)之后,以硼粉燃燒為主,而硼的燃燒需要消耗氧氣,導(dǎo)致AB段壓強(qiáng)上升相比于A段變緩。

圖4中,在最高壓強(qiáng)點(diǎn)B之后,干法樣品壓強(qiáng)一直迅速下降,而濕法樣品則先由B點(diǎn)緩慢下降到C點(diǎn)后再迅速下降。氧彈處于常溫水浴中,當(dāng)氧彈內(nèi)部達(dá)到最大壓強(qiáng)時(shí),其溫度最大,氧彈內(nèi)外溫差也最大,氧彈內(nèi)外換熱速度也大,故應(yīng)該降壓速率大。但由圖4很明顯可以看出,只有干法樣品才有這樣的壓降趨勢(shì),表明在最高壓強(qiáng)處時(shí),干法樣品中的硼粉已結(jié)束燃燒;對(duì)于濕法樣品而言,在最高壓強(qiáng)點(diǎn)后,壓強(qiáng)先是緩慢下降然后快速下降,表明在該緩慢下降段處并不只有對(duì)外散熱,還有內(nèi)部熱量的產(chǎn)生過(guò)程,即仍有部分硼粉參與燃燒,當(dāng)硼粉燃燒結(jié)束后,只有氧彈對(duì)外散熱,因而壓強(qiáng)下降迅速。依據(jù)該段中的壓強(qiáng)變化趨勢(shì),根據(jù)上述分析可以確定出硼粉燃燒結(jié)束時(shí)刻對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)p2和時(shí)間t2。對(duì)于濕法樣品,該點(diǎn)位于壓強(qiáng)下降緩慢段與迅速段交點(diǎn)C處,對(duì)應(yīng)圖4中的C3、C4,對(duì)于干法樣品,該點(diǎn)在壓強(qiáng)最高點(diǎn)處,見(jiàn)圖3中的B1、B2。

圖4中,在氧氣含量充足的條件下,干法樣品中SQ-2在最高壓強(qiáng)處溫度超過(guò)1900 K(見(jiàn)表3),SQ-2燃燒提供的高溫環(huán)境已能夠滿足硼粉燃燒,但實(shí)際上硼粉燃燒效率僅為60%,說(shuō)明此時(shí)氧彈內(nèi)沒(méi)有可燃燒的硼。分析認(rèn)為,粉末狀的SQ-2燃燒迅速,其燃燒產(chǎn)生的氣體將硼粉吹散在與水浴接觸的低溫氧彈壁面及氧彈底部,導(dǎo)致部分硼粉溫度降低無(wú)法繼續(xù)燃燒[18]。實(shí)驗(yàn)后也觀察到撥開(kāi)殘留在氧彈壁面的白色粉末,底下存留有黑色未燃燒的硼粉;濕法制樣下,樣品均為塊狀,硼粉與SQ-2接觸緊密能夠快速吸收SQ-2燃燒產(chǎn)生的熱量。塊狀的SQ-2燃燒較為緩慢,硼粉不易被吹拂在氧彈壁上,當(dāng)氧彈中的溫度滿足燃燒要求后,可以持續(xù)燃燒,故濕法樣品在最高壓強(qiáng)后,先慢速降壓,然后快速降壓。

分析圖2中的第3段,在經(jīng)歷圖4中的過(guò)程后,只有氧彈對(duì)外散熱,因此壓強(qiáng)下降速度變快,當(dāng)氧彈內(nèi)外溫度幾乎接近時(shí),壓強(qiáng)下降變緩,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),氧彈內(nèi)的壓強(qiáng)和溫度幾乎保持不變。

通過(guò)熱力學(xué)軟件FactSage,在已知燃燒結(jié)束處氧彈內(nèi)部壓強(qiáng)p2和氧彈體積(測(cè)壓用氧彈體積V為287 ml)的條件下,可求解出其燃燒溫度,該溫度即為燃燒結(jié)束時(shí)刻的溫度T2。以參數(shù)為SQ-2(85.7%)-Dry mixing的樣品為例,根據(jù)質(zhì)量守恒和元素守恒,計(jì)算出2.5 g樣品和3 MPa氧氣的假定化學(xué)式C0.0480644H0.0604036O0.7685N0.0208436Pb0.000107Ca0.0002782B0.0333,在已知最高點(diǎn)壓強(qiáng)pmax或p2、氧彈體積V條件下,以吉布斯自由能最小求解出最大壓強(qiáng)處和燃燒結(jié)束時(shí)刻的溫度Tmax和T2。

取A點(diǎn)處的壓強(qiáng)為硼粉燃燒初始點(diǎn),將該處的時(shí)間記為t0,t2為硼粉燃燒結(jié)束時(shí)間點(diǎn),則硼粉的有效燃燒時(shí)間Δt=t2-t0。表3為通過(guò)上述方法計(jì)算得出樣品在最高壓強(qiáng)處及硼粉燃燒結(jié)束處的性能參數(shù)。

表3 四種樣品在壓強(qiáng)最高處和燃燒結(jié)束時(shí)刻的燃燒性能參數(shù)

由表3可知,同樣制備方法,SQ-2含量為90.9%的樣品燃燒時(shí)間高于SQ-2含量為85.7%的樣品燃燒時(shí)間;相同SQ-2含量下,濕法樣品燃燒時(shí)間普遍高于干法樣品,燃燒時(shí)間幾乎長(zhǎng)于干法樣品燃燒時(shí)間的6倍,如SQ-2含量為85.7%的濕法樣品,其有效燃燒時(shí)間約為146.88 ms,而該SQ-2含量下的干法樣品,其有效燃燒時(shí)間僅為22.23 ms。燃燒時(shí)間的延長(zhǎng),說(shuō)明在該階段有更多的硼粉在繼續(xù)燃燒,硼粉燃燒效率增加,進(jìn)而對(duì)2.1節(jié)測(cè)試結(jié)果即相同含量SQ-2,濕法樣品燃燒放熱量高于干法樣品;同種制樣方法,SQ-2含量高的樣品硼粉燃燒效率較高,進(jìn)行了很好的驗(yàn)證。

3 結(jié)論

(1)SQ-2含量相同時(shí),同種測(cè)試環(huán)境下,以濕法制備的樣品所測(cè)得的硼粉放熱量大于干法制備的樣品中的硼粉放熱量,且當(dāng)SQ-2含量大于80%時(shí),兩種混合方式下硼粉放熱量均明顯增大。

(2)硼粉燃燒放熱量大小與其有效燃燒時(shí)間呈強(qiáng)正相關(guān)性。干法混合下,硼粉燃燒受“冷壁效應(yīng)”影響明顯,其有效燃燒時(shí)間在25 ms左右,硼粉燃燒效率低,最高僅為60.26%;濕法混合下,少部分硼粉受“冷壁效應(yīng)”影響,而絕大部分硼粉處于高溫燃燒中心,且硼粉燃燒具備較長(zhǎng)的高溫維持時(shí)間,其有效燃燒時(shí)間在150 ms左右,燃燒效率高,最高達(dá)到94.65%。

(3)添加助燃劑的方式可提高硼粉燃燒放熱量,但其含量不能低于80%。SQ-2含量低于80%,硼粉放熱量較低,且有可能會(huì)造成坩堝燒壞,使得量熱測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確;通過(guò)延長(zhǎng)硼粉的有效燃燒時(shí)間,可提高硼粉的燃燒放熱量,該方式可通過(guò)調(diào)整助燃劑與硼粉的結(jié)合方式、結(jié)合程度以及樣品最小單元重量等實(shí)現(xiàn)。