趙 海，羅桂蓮，史良偉，吳 濤，鄧安華，呂 龍

(1.湖北三江航天江河化工科技有限公司，宜昌 444200；2.中國科學(xué)院 上海有機(jī)化學(xué)研究所，上海 200032)

0 引言

固體火箭推進(jìn)技術(shù)水平以提高發(fā)動機(jī)比沖和質(zhì)量比為主要目標(biāo)，而發(fā)動機(jī)的比沖主要取決于推進(jìn)劑的能量性能。除采用高能推進(jìn)劑之外，在采用丁羥等常規(guī)體系推進(jìn)劑裝藥時，提高工作壓強(qiáng)也是提升發(fā)動機(jī)能量性能的一條有效技術(shù)途徑。與10 MPa相比，20 MPa時，丁羥推進(jìn)劑的理論比沖可提升至少15 s，能量性能提升效果顯著。高壓發(fā)動機(jī)技術(shù)已在國外眾多戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中得到了應(yīng)用，典型的如美國PAC-3發(fā)動機(jī)最高工作壓強(qiáng)為20.5 MPa，SM-3型導(dǎo)彈第二級發(fā)動機(jī)工作壓強(qiáng)據(jù)稱已達(dá)到28 MPa，在研的“緊湊型動能導(dǎo)彈”(CKEM)的演示型號“超高速反坦克導(dǎo)彈”(HATM)據(jù)稱最高達(dá)28.3 MPa[1]。國內(nèi)亦開展了推進(jìn)劑高壓燃燒特性相關(guān)的研究。張春泰[2]采用小型試驗(yàn)發(fā)動機(jī)對少煙丁羥推進(jìn)劑高壓燃燒性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在17～18 MPa以上壓強(qiáng)時存在燃速突變現(xiàn)象。劉中兵等[3]對丁羥三組元和四組元推進(jìn)劑在2～20 MPa平均壓強(qiáng)范圍內(nèi)的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)丁羥三組元推進(jìn)劑在壓強(qiáng)超過20 MPa后壓強(qiáng)指數(shù)趨近于1，發(fā)動機(jī)無法正常工作。蘇昌銀等[13]初步開展了低鋁粉含量的HMX/HTPB推進(jìn)劑高壓燃燒性能研究，最高壓強(qiáng)達(dá)47 MPa，但無壓強(qiáng)指數(shù)相關(guān)具體數(shù)據(jù)和分析。

常用的壓強(qiáng)指數(shù)調(diào)節(jié)劑，如亞鉻酸銅、氟化鈣、碳酸鈣、有機(jī)鈣鹽、五氧化二釩、鉻酸鹽、N，N’-乙撐雙水楊叉亞胺絡(luò)銅、二茂鐵衍生物、高氮化合物等，在小于20 MPa時，對丁羥推進(jìn)劑具有較好的降壓強(qiáng)指數(shù)效果，壓強(qiáng)更高時降壓強(qiáng)指數(shù)效果不佳[9-12]。季銨鹽不僅降低燃速效果好，還可大大降低壓強(qiáng)指數(shù)，適合在丁羥推進(jìn)劑中應(yīng)用[4]。有機(jī)鋇鹽是很好的平臺化劑，鋇鹽與少量的銅鹽復(fù)合就能使雙基推進(jìn)劑產(chǎn)生寬壓強(qiáng)范圍的平臺或麥撒效應(yīng)[2]。在專利中亦有季銨鹽、有機(jī)鋇鹽等的應(yīng)用實(shí)例[14-15]。近年來，國內(nèi)密閉燃燒器法(亦稱定容燃燒器法)高壓燃速測試精度明顯提升[16]，AP/HTPB推進(jìn)劑燃燒的理論研究有較大進(jìn)步[17]，這在硬件和軟件上為促進(jìn)丁羥推進(jìn)劑的高壓燃燒性能研究提供了便利條件。

本文針對含有機(jī)鋇鹽、季銨鹽的丁羥三組元推進(jìn)劑進(jìn)行了制藥試驗(yàn)，并采用特制耐高壓φ112 mm試驗(yàn)發(fā)動機(jī)、定容燃燒器法等，對推進(jìn)劑15～60 MPa的高壓燃燒特性進(jìn)行了重點(diǎn)研究，以期為超高壓強(qiáng)發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

端羥基聚丁二烯(HTPB)，黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司；高氯酸銨(AP)，大連高佳化工有限公司；球形鋁粉(Al)，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；季銨鹽(YZ-1)，中科院上海有機(jī)所；有機(jī)鋇鹽(BS-1)，自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及儀器

(1)靜態(tài)燃速及靜態(tài)壓指測試

根據(jù)GJB 770B—2005《火藥試驗(yàn)方法》中的方法706.2“水下聲發(fā)射法”進(jìn)行靜態(tài)燃速測試，根據(jù)維也里經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算出靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)。

(2)φ112 mm發(fā)動機(jī)燃速及動態(tài)壓指測試

參照GJB 97A—2001《標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)發(fā)動機(jī)技術(shù)要求和數(shù)據(jù)處理要求》和江河公司Q/N z108—2016《φ112 mm評定發(fā)動機(jī)靜止試驗(yàn)大綱》標(biāo)準(zhǔn)，采用特制耐高壓φ112 mm試驗(yàn)發(fā)動機(jī)進(jìn)行16～25 MPa的高壓燃速測試，根據(jù)維也里經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算出動態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)。

(3)定容燃燒器法高壓燃速測試

采用西北工業(yè)大學(xué)燃燒熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的定容燃燒器進(jìn)行15～60 MPa的連續(xù)燃速測試，以1 MPa為間隔分別計(jì)算出各壓強(qiáng)區(qū)間的壓強(qiáng)指數(shù)。

1.3 推進(jìn)劑樣品制備

推進(jìn)劑配方：在保證推進(jìn)劑力學(xué)性能和工藝性能的前提下，丁羥三組元推進(jìn)劑基礎(chǔ)配方見表1。

將HTPB粘合劑、Al、AP和其他原材料分多次加入5 L或25 L立式捏合機(jī)中，在(50±2) ℃混合均勻、真空澆注，(70±2) ℃下固化120 h，制備推進(jìn)劑方坯和φ112 mm發(fā)動機(jī)。

表1 HTPB推進(jìn)劑配方組成

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)燃速及壓強(qiáng)指數(shù)

對含YZ-1、BS-1與YZ-1復(fù)配物的丁羥三組元推進(jìn)劑高壓靜態(tài)燃速進(jìn)行了對比研究，燃速測試結(jié)果見表2。推進(jìn)劑配方中，除壓強(qiáng)指數(shù)調(diào)節(jié)劑種類不同，其他組分完全一樣。

表2 靜態(tài)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)

由表2可知，在16～25 MPa區(qū)間，添加YZ-1/BS-1復(fù)配物推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)比添加YZ-1的低。這表明，季銨鹽和有機(jī)鋇鹽復(fù)配使用，更有利于在高壓下降低丁羥三組元推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)。

在復(fù)合固體推進(jìn)劑中，添加有機(jī)鋇鹽有利于降低壓強(qiáng)指數(shù)，其主要原因在于有機(jī)鋇鹽的分解產(chǎn)物鋇或氧化鋇的相對惰性。常用的燃燒性能調(diào)節(jié)劑氧化鉛或氧化銅有極強(qiáng)的氧化性，而且銅有起吸附作用的d-電子，鉛、銅都具有變價能力，這些特性都是鋇或氧化鋇所不具備的，從而導(dǎo)致導(dǎo)致鋇化物對推進(jìn)劑燃燒催化活性較低，有利于降低高壓下的燃速[5]。

已有研究表明，在雙基推進(jìn)劑中使用有機(jī)鋇鹽后，鋇能夠產(chǎn)生足夠的離子來抑制炭的凝聚，并減少炭煙的形成量，從而提高推進(jìn)劑的燃?xì)饧t外透過率。HTPB熱分解后產(chǎn)生大約2%的含碳?xì)堄辔?焦炭)[6]。焦炭的輻射熱吸收能力較強(qiáng)，并有利于熱傳導(dǎo)，故丁羥推進(jìn)劑燃面上粘合劑熱解后的含碳?xì)堄辔镉欣诖呋紵Ｔ诙×u推進(jìn)劑中添加少量有機(jī)鋇鹽復(fù)合物，即可清除燃面上的碳物質(zhì)，減弱輻射熱的吸收、減緩熱傳導(dǎo)速率，從而有利于降低高壓下燃速[14]。在16 MPa左右，等量的季銨鹽具有比有機(jī)鋇鹽更好的降燃速效果。但隨著壓強(qiáng)升高，季銨鹽降燃速作用有所減弱，故僅添加季銨鹽推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)在高壓下會升高。添加有機(jī)鋇鹽和季銨鹽復(fù)配物的推進(jìn)劑，兼具兩者優(yōu)點(diǎn)，可使丁羥三組元推進(jìn)劑在高壓下壓強(qiáng)指數(shù)進(jìn)一步降低。

2.2 φ112 mm發(fā)動機(jī)動態(tài)燃速及壓強(qiáng)指數(shù)

采用φ112 mm發(fā)動機(jī)對上述丁羥三組元推進(jìn)劑的高壓燃燒性能進(jìn)行了對比測試，結(jié)果見表3、圖1和圖2。表2的靜態(tài)燃速和表3的動態(tài)燃速結(jié)果有所差異，這主要是由于測試方法不同，推進(jìn)劑的燃燒環(huán)境亦不同，從而使燃速具有一定的差異，但這不影響燃燒性能規(guī)律性分析。由表3可知，φ112 mm發(fā)動機(jī)測得的動態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)與采用藥條測得的靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)具有一致的規(guī)律性。在16～25 MPa，含YZ-1的推進(jìn)劑動態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.434，含BS-1/YZ-1的推進(jìn)劑動態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.279。這說明在16～25 MPa，BS-1/YZ-1比YZ-1具有更好的降壓強(qiáng)指數(shù)效果。

從圖1和圖2中還可看出，含BS-1/YZ-1、YZ-1的推進(jìn)劑在16～25 MPa區(qū)間均可穩(wěn)定燃燒。隨著設(shè)計(jì)工作壓強(qiáng)升高，噴管喉襯燒蝕程度不斷加重，燃燒室最大壓強(qiáng)與平均壓強(qiáng)之間的差值越來越大。劉中兵等[3]的研究中三組元推進(jìn)劑在壓強(qiáng)超過20 MPa后壓指趨近于1，發(fā)動機(jī)無法正常工作。采用BS-1/YZ-1、YZ-1作為壓指調(diào)節(jié)劑的丁羥三組元推進(jìn)劑均可穩(wěn)定燃燒、發(fā)動機(jī)正常工作，目前實(shí)測的φ112 mm發(fā)動機(jī)最高穩(wěn)定工作壓強(qiáng)可達(dá)27 MPa，且還沒達(dá)到最高穩(wěn)定工作壓強(qiáng)極限。

表3 φ112 mm發(fā)動機(jī)動態(tài)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)

圖1 含YZ-1的φ112 mm發(fā)動機(jī)壓強(qiáng)-時間曲線

圖2 含BS-1/YZ-1的φ112 mm發(fā)動機(jī)壓強(qiáng)-時間曲線

2.3 定容燃燒器法高壓燃燒性能測試

采用定容燃燒器法對上述丁羥三組元推進(jìn)劑高壓燃燒性能進(jìn)行了對比研究，測得了15～60 MPa區(qū)間的實(shí)時燃速，燃速-壓強(qiáng)曲線見圖3。并通過實(shí)時燃速，以1 MPa為間隔，計(jì)算出了各壓強(qiáng)區(qū)間的壓強(qiáng)指數(shù)，以各壓強(qiáng)區(qū)間的壓強(qiáng)中值為x軸、以壓強(qiáng)指數(shù)為y軸，作出了壓強(qiáng)指數(shù)-壓強(qiáng)變化曲線，見圖4。

對比表2、表3和圖4可看出，由于測試方法不同以及推進(jìn)劑制藥批次差異性的影響，在16～25 MPa采用定容燃燒器法與藥條、φ112 mm發(fā)動機(jī)三種方法測得的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)的具體值具有一定的差異。但這不影響對推進(jìn)劑燃燒特性的分析，采用不同方法測試時，16～25 MPa的壓強(qiáng)指數(shù)具有一致性：含BS-1/YZ-1推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)都比含YZ-1的更低。

從圖3可以明顯看出，在15～60 MPa區(qū)間含不同降壓指劑的推進(jìn)劑燃速-壓強(qiáng)曲線具有明顯差異：隨壓強(qiáng)不斷升高，含BS-1/YZ-1推進(jìn)劑的燃速增大速率相對平緩，而含YZ-1推進(jìn)劑的燃速增大速率忽大忽小，變化比較劇烈。

圖3 含不同調(diào)節(jié)劑推進(jìn)劑的燃速-壓強(qiáng)曲線

圖4 含不同調(diào)節(jié)劑推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)-壓強(qiáng)曲線

從圖4可看出，在15～60 MPa區(qū)間，僅含YZ-1推進(jìn)劑的最大壓強(qiáng)指數(shù)為0.99(32～33 MPa)，非常趨近于1，采用該推進(jìn)劑裝藥的發(fā)動機(jī)在超過30 MPa時極可能無法正常工作，存在爆炸解體的風(fēng)險。含BS-1/YZ-1推進(jìn)劑的最大壓強(qiáng)指數(shù)為0.87(31～32 MPa)，亦處于較高的水平。從圖4還可看出，含YZ-1推進(jìn)劑最小壓強(qiáng)指數(shù)為0.173(51 MPa附近)，在49～52 MPa之間出現(xiàn)了短暫的“平臺”燃燒區(qū)(n<0.2)。復(fù)合推進(jìn)劑在高壓下出現(xiàn)“平臺”燃燒區(qū)，主要有兩方面的原因：一是粘合劑熔化液層在高壓下的覆蓋作用增強(qiáng)，阻止了AP分解氣體順利地進(jìn)入氣相，降低了燃速隨壓強(qiáng)增加的效果，甚至使某些正壓強(qiáng)指數(shù)推進(jìn)劑在一定壓強(qiáng)范圍內(nèi)出現(xiàn)“平臺”或“麥撒”效應(yīng)。但這種現(xiàn)象并不是每次測試都會出現(xiàn)。二是AP爆燃特性隨壓強(qiáng)不斷變化，在爆燃速度III區(qū)(14～28 MPa)，AP的爆燃速度隨壓強(qiáng)增加而急劇下降[7-8]。該現(xiàn)象確實(shí)存在，但同一種推進(jìn)劑在重復(fù)測試時卻偶爾出現(xiàn)，其機(jī)理至今尚不完全清楚。推進(jìn)劑中添加的季銨鹽等燃燒性能調(diào)節(jié)劑對AP燃速特性變化的影響很大，可能會造成AP爆燃速度Ⅰ～Ⅳ區(qū)的壓強(qiáng)區(qū)間發(fā)生變化，從而在49～52 MPa之間出現(xiàn)“平臺”燃燒區(qū)。AP的爆燃速度隨壓強(qiáng)變化而改變，且受燃燒性能調(diào)節(jié)劑的影響，這可能是推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)在寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)不斷變化的主要原因。

3 結(jié)論

(1)在16～25 MPa之間，有機(jī)鋇鹽與季銨鹽復(fù)配物(BS-1/YZ-1)比季銨鹽(YZ-1)具有更好的降壓強(qiáng)指數(shù)作用，僅添加YZ-1推進(jìn)劑的動態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.434，添加BS-1/YZ-1推進(jìn)劑的動態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.279，兩種推進(jìn)劑均可穩(wěn)定燃燒。φ112 mm發(fā)動機(jī)最高穩(wěn)定工作壓強(qiáng)可達(dá)27 MPa，仍未達(dá)到高壓極限。

(2)定容燃燒器法燃速測試結(jié)果表明，添加YZ-1、BS-1/YZ-1推進(jìn)劑的最大壓強(qiáng)指數(shù)分別為0.99(32～33 MPa)、0.87(31～32 MPa)，含BS-1/YZ-1的推進(jìn)劑在壓強(qiáng)超過30 MPa時具有穩(wěn)定燃燒的潛力。

(3)添加YZ-1的推進(jìn)劑在43～57 MPa之間表現(xiàn)出較低的壓強(qiáng)指數(shù)，且在49～52 MPa之間出現(xiàn)了短暫的“平臺”燃燒區(qū)(n<0.2)。