復合降速劑對低燃速推進劑燃燒性能的影響

楊立波，周 瑞

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

低燃速推進劑主要用于各類燃氣發(fā)生器，用于各類制導武器的控制系統(tǒng)，隨著遠程打擊、精確制導發(fā)展的需求，要求燃氣發(fā)生器工作時間長，燃氣潔凈，燃氣溫度低［1－2］。雙基低燃速推進劑具有壓強指數(shù)小、燃氣潔凈、性能穩(wěn)定的特點，可用于各類燃氣發(fā)生器。燃氣發(fā)生器對推進劑的燃燒性能要求高［3－5］，因此燃燒性能調節(jié)技術顯得十分關鍵。

降低雙基推進劑燃速可以通過在配方中加入降速劑實現(xiàn)，最常用的降速劑有共聚甲醛（POM）、蔗糖八醋酸酯（SOA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、RDX 和HMX 等。國內外在低燃速推進劑配方中多采用一種降速劑，主要采用燃燒催化劑來降低壓強指數(shù)，對既能降低燃速又能降低壓強指數(shù)的復合降速劑研究較少。本試驗通過研究兩種降速劑POM和SOA的配比對低燃速推進劑燃燒性能的影響，實現(xiàn)了在其他組分不變的情況下，采用兩種降速劑就可以調節(jié)推進劑的燃速、壓強指數(shù)及能量（燃溫），并取得了較好的效果。

1 實 驗

1．1 材料及儀器

恒壓燃速測試儀，西安航天遠征流體控制有限公司；DSC910s差示掃描量熱儀，美國TA 公司；JSM－5800掃描電鏡，日本電子公司；牛津LINK ISIS能譜儀聯(lián)合分析系統(tǒng)。

硝化棉（NC）、硝化甘油（NG）、增塑劑（TA）、安定劑（C2）、凡士林（V）、催化劑（Ct）、共聚甲醛（POM）、蔗糖八醋酸酯（SOA）等均為市售。

1．2 推進劑樣品的制備

推進劑由硝化棉、硝化甘油、增塑劑、安定劑、凡士林、催化劑和降速劑組成，配方見表1。其中降速劑為蔗糖八醋酸酯（SOA）和共聚甲醛（POM），總質量分數(shù)為9%。采用雙基推進劑無溶劑壓伸工藝，經過吸收、驅水、放熟、壓延等工序，制成5mm×5mm×120mm 藥條。

1．3 性能測試

將燃速藥條用聚乙烯醇溶液浸漬包覆晾干后制得燃速試樣，使用充氮氣恒壓燃速測試儀，按照GJB770B－2005方法706．1 燃速－靶線法測試推進劑燃速。

采用差示掃描量熱儀測試推進劑配方恒壓熱分解性能，氮氣介質，試驗用量2．0mg，升溫速率10℃／min。分別研究了3MPa和6MPa推進劑吸熱峰變化。

采用接觸導熱法（銅柱法）獲得熄火試樣，燃燒熄火在氮氣氣氛中進行，分別在3MPa和6MPa進行熄火，用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀聯(lián)合分析系統(tǒng)觀測樣品熄火表面的形貌，測試表面成分。

表1 推進劑配方Table 1 Formulation of propellant

2 結果與討論

2．1 復合降速劑對推進劑燃燒性能的影響

在其他組分和含量不變的情況下，按照表1的配方調整降速劑的配比。20℃下，推進劑燃速的實測值和爆熱理論計算值見表2，不同壓強區(qū)間的壓強指數(shù)見表3。

表2 推進劑燃速的實測值和爆熱的計算值Table 2 Tested burning rates and calculated heat of detonation of propellants

表3 不同壓強范圍下推進劑的壓強指數(shù)Table 3 The pressure exponents of propellant in different pressure ranges

從表2和表3可以看出，單獨采用SOA作為降速劑時，推進劑在4MPa 的燃速大幅度提高，與11MPa燃速相當，同時降低了6～7MPa的燃速，4～6MPa下的壓強指數(shù)大幅度降低。與SOA相比，采用POM作降速劑時，除了4MPa外，6～15MPa的燃速均有提高，只是在6～7MPa的壓強范圍內出現(xiàn)負壓強指數(shù)，4～7MPa出現(xiàn)平臺效應?？梢钥闯?，SOA降速劑具有明顯的降低低壓區(qū)壓強指數(shù)的作用。

在降速劑總量不變的情況下，隨著SOA含量的減少和POM含量的增加，4MPa燃速逐漸降低，4～6MPa的燃速逐漸提高，麥撒燃燒效應向6～7MPa移動，并逐漸轉為平臺燃燒效應，從而使平臺效應的壓強區(qū)域加寬。結果表明，降速劑SOA與POM存在一個最佳比，當POM與SOA的質量比為0．5～2時，推進劑的燃速最低，且燃速變化不大。

由表2還可以看出，隨著SOA含量的降低，推進劑的爆熱呈增加趨勢，其原因是在對推進劑爆燃貢獻方面，POM的β值（－20．01J／g）高于SOA的β值（－43．98J／g）。因此，采用SOA與POM兩種對能量影響不同的降速劑，可以實現(xiàn)推進劑燃速、壓強指數(shù)、平臺范圍和爆熱的調節(jié)。

2．2 推進劑的熱分解性能

采用DSC法研究了降速劑對推進劑熱分解性能的影響，結果見圖1。

圖1 降速劑及推進劑樣品的DSC曲線Fig．1 DSC curves of decelation agents and propellant samples

從圖1（b）可以看出，POM的熔程在155～180℃，168．83℃的峰是POM的熔化峰，由于POM相對分子質量不均勻，在240～410℃形成了較寬的分解溫度區(qū)間，378．74℃為POM吸熱分解的主峰。SOA的熔點為85．04℃，285．34℃和314．62℃是SOA的分解吸熱峰。從圖1（b）還可以看出，SOA的熔點低，POM的熔程較高，POM對SOA的熔 化吸熱峰影響不大，但SOA溶化后，使POM的熔點峰值下降到151．63℃。338．36℃是兩者共同形成的分解吸熱峰，對于POM來說，峰值前移，對于SOA來說，峰值后移。兩者的配比改變了吸熱峰值，影響推進劑的燃燒性能。

從圖1（a）上看不到POM和SOA的熔化和分解吸熱峰，主要原因如下：一是與硝化棉和硝化甘油相比，降速劑的含量少，二是硝化甘油的分解放熱掩蓋了POM和SOA的熔化和分解吸熱峰［6］，硝化棉在常壓下分解溫度為192．6℃，在降速劑熔化和分解吸熱的影響下，推進劑的分解峰值后移到200℃以上，降低了推進劑的燃速；從圖1（a）還可以看出，R1中SOA含量較高，兩個放熱峰之間的距離近；R6配方中POM含量較高，兩個放熱峰之間的距離增加，兩者的配比變化實際上是改變放熱分解峰的位置，在此過程中，推進劑的燃速和壓強指數(shù)發(fā)生了變化。

2．3 推進劑燃燒熄火表面分析

將R1、R3、R6樣品燃燒后分別在3MPa 和6MPa下熄火，用SEM對樣品進行觀察，結果見圖2。用能譜儀對推進劑樣品燃燒熄火表面成分進行分析，元素組成見表4。

表4 推進劑熄火表面元素組成Table 4 Element of quenched surface of different propellants

由圖2可以看出，燃燒熄火表面有很多空洞，在空洞外面形成網狀和熔融狀的結構，熔融狀與降速劑熔化分解有關。Pb、Cu元素的質量分數(shù)分別為0．016%和0．005%。由表4可知，熄火表面元素中Pb、Cu元素的含量遠高于其在推進劑中配方中的含量，說明燃燒表面是催化劑的密集區(qū)，并形成鏈狀、短枝狀，成為催化中心，對推進劑的燃燒起催化作用［7－8］。降速劑的熔化分解影響燃燒表面溫度，在不同的壓強下，形成的球體大小分布不同，熄火表面元素（特別是催化劑）含量也不同。因此，上述因 素都會影響推進劑的燃燒性能。

圖2 推進劑燃燒熄火表面形貌（×500）Fig．2 Morphology of quenched surface of propellants

3 結 論

（1）改變POM和SOA兩種降速劑的配比，可以降低雙基低燃速推進劑的壓強指數(shù)，調整推進劑的燃速。當POM與SOA質量比為0．5～2．0時，推進劑燃速最低，且變化不大。利用降速劑能量影響不同，可以通過配比調節(jié)推進劑的能量。

（2）兩種降速劑的熔化和分解吸熱作用，影響了推進劑中含能組分的起始分解溫度，改變了推進劑的燃速和壓強指數(shù)。

（3）燃燒熄火表面形成熔融狀的圓顆粒和多孔的網狀骨架，表明催化劑在燃燒熄火表面大量富集，降速劑品種和含量與催化劑的共同作用使推進劑的燃燒性能發(fā)生改變。

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