裴 慶,趙鳳起,羅 陽(yáng),徐司雨
(西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710065)
固體推進(jìn)劑的燃速是其重要的性能參數(shù),主要分為線性燃速和質(zhì)量燃速,目前常用的是線性燃速,它的定義為在單位時(shí)間內(nèi)沿火藥燃燒表面的法線方向上固相消失的距離[1-2],國(guó)軍標(biāo)中規(guī)定了兩種燃速測(cè)試方法[3-4]:靶線法和水下聲發(fā)射法,這兩種方法都是測(cè)試在初溫和壓強(qiáng)保持不變的條件下固定長(zhǎng)度的固體推進(jìn)劑藥條的燃燒時(shí)間,由此計(jì)算平均燃速,以平均燃速來(lái)表示燃速的大小。隨著國(guó)防及航空航天技術(shù)的快速發(fā)展,平均燃速已不能很好地滿足固體推進(jìn)劑科研、生產(chǎn)方面的需求,需要更為精準(zhǔn)、客觀貼近實(shí)際的燃速表示方法來(lái)體現(xiàn)外界環(huán)境對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒性能的影響。近年來(lái),隨著測(cè)控自動(dòng)化工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,燃速測(cè)試技術(shù)也有一些新進(jìn)展。本文從傳統(tǒng)燃速測(cè)試技術(shù)的新進(jìn)展、動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、特定環(huán)境下燃速的測(cè)試技術(shù)等方面對(duì)目前固體推進(jìn)劑測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)做出分析,為相關(guān)研究提供借鑒。
傳統(tǒng)的燃速測(cè)試方法一般有靶線法、水下聲發(fā)射法、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)法等[1]。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)法主要用于測(cè)定固體推進(jìn)劑的比沖、特征速度等,一般不專(zhuān)門(mén)用于燃速測(cè)試。
高金屬含量的貧氧推進(jìn)劑由于氧含量低,燃燒不充分而產(chǎn)生大量殘?jiān)?,進(jìn)行靶線法燃速測(cè)試時(shí)易出現(xiàn)靶線意外熔斷、殘?jiān)氯苈返葐?wèn)題,影響測(cè)試結(jié)果。王英紅[5]對(duì)靶線法燃速儀的測(cè)試計(jì)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),有效解決了殘?jiān)鼘?dǎo)電燃速測(cè)試的影響,提高了測(cè)試效率。石磊等人[6]通過(guò)在藥條支架上安裝絕緣防燒蝕擋板,在燃燒室管路系統(tǒng)中使用過(guò)濾除塵器等方法,有效地解決了貧氧推進(jìn)劑靶線法燃速測(cè)試中的實(shí)際問(wèn)題,提高了測(cè)試精度。
王宏[7]提出用熱電偶取代低熔點(diǎn)合金絲,將熱電偶固定在藥條上,以熱電偶溫度出現(xiàn)峰值的時(shí)刻作為時(shí)刻記錄點(diǎn),計(jì)算藥條燃燒時(shí)間。韓超[8]在現(xiàn)有固體推進(jìn)劑燃燒波溫度測(cè)試方法的基礎(chǔ)上提出一種燃速測(cè)試方法,利用燃燒室的壓強(qiáng)變化曲線獲得固體推進(jìn)劑第一計(jì)時(shí)時(shí)刻,通過(guò)對(duì)燃燒波曲線進(jìn)行微分得到的最大值的時(shí)刻定為第二計(jì)時(shí)時(shí)刻,兩個(gè)時(shí)刻相減得出燃燒時(shí)間。
張勁民[9]通過(guò)研究貧氧推進(jìn)劑燃燒聲信號(hào)的頻帶特性和不穩(wěn)定特性,采用弱信號(hào)檢測(cè)電路,并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù),研制了更適用于貧氧推進(jìn)劑燃速測(cè)試的新型聲發(fā)射燃速儀,經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,新型測(cè)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。
聲發(fā)射法測(cè)試燃速的原理是通過(guò)聲傳感器測(cè)試推進(jìn)劑在介質(zhì)中穩(wěn)定燃燒時(shí)發(fā)出聲信號(hào)的持續(xù)時(shí)間,同理,使用“光發(fā)射”原理也可以測(cè)試固體推進(jìn)劑的燃燒速度。吳文清[10]將透明視窗燃燒儀進(jìn)行改裝,增加了光強(qiáng)檢測(cè)和記錄儀對(duì)推進(jìn)劑燃燒時(shí)發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),利用光線示波器記錄下推進(jìn)劑燃燒時(shí)光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線,確定推進(jìn)劑的燃速。長(zhǎng)谷川宏[11]將類(lèi)似的無(wú)視窗裝置用于研究小型圓孔藥柱的燃面退移速率。劉科祥[12]提出了一種水下光電法燃速測(cè)試技術(shù),通過(guò)光電探測(cè)器捕捉從水下傳來(lái)的光信號(hào)計(jì)算固體推進(jìn)劑的燃速,克服了水下聲發(fā)射法燃速儀易受環(huán)境背景振動(dòng)影響、可能存在藥條燒完而不計(jì)時(shí)的缺陷。
綜上所述,靶線法和聲發(fā)射法仍是測(cè)試固體推進(jìn)劑靜態(tài)燃速的主要方法,從這兩種技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展來(lái)看,主要體現(xiàn)以下兩個(gè)特點(diǎn):(1)針對(duì)貧氧推進(jìn)劑燃燒的特殊性對(duì)燃速測(cè)試系統(tǒng)不斷改進(jìn),使系統(tǒng)更加實(shí)用、高效;(2)靶線法、水下聲發(fā)射法原理概念得到延伸,出現(xiàn)了以熱電偶峰溫代替靶線熔斷記錄燃燒時(shí)間,以“光發(fā)射”代替聲發(fā)射的燃速測(cè)試技術(shù)。
劉科祥、裴慶等[13-15]在靶線法燃速測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種自升壓式固體推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試方法,與靶線法相比,該方法能更真實(shí)地反映固體推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中燃速的動(dòng)態(tài)變化,該方法通過(guò)測(cè)試燃燒室內(nèi)部氣體的壓強(qiáng)變化量得出試樣長(zhǎng)度的變化函數(shù):
式中:l為藥條長(zhǎng)度;t為時(shí)間;T 為燃?xì)鉁囟?;p 為燃燒室壓強(qiáng);K1、K2、K3為常數(shù)。通過(guò)測(cè)試6條靶線燒斷瞬時(shí)的實(shí)時(shí)壓強(qiáng)和實(shí)時(shí)溫度,分段確定K1、K2、K3值,對(duì)式(1)求導(dǎo),然后對(duì)壓強(qiáng)溫度信號(hào)進(jìn)行修正,得出燃速隨時(shí)間的變化函數(shù)u(t)。該方法可以實(shí)現(xiàn)在一定溫度和壓強(qiáng)范圍內(nèi)燃速的實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)試,進(jìn)而計(jì)算燃速壓強(qiáng)指數(shù)和燃速溫度敏感系數(shù)。與文獻(xiàn)[7]所述類(lèi)似,也可將熱電偶代替低熔點(diǎn)金屬絲,轉(zhuǎn)化為固體推進(jìn)劑多熱電偶動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試方法[16]。
超聲波動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試技術(shù)是國(guó)外進(jìn)行固體推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃燒性能研究的主要技術(shù)手段[17],基于超聲脈沖回波測(cè)量厚度的原理,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)固體推進(jìn)劑燃面的推移速率。該技術(shù)于20世紀(jì)60年代由美國(guó)提出[18],主要用于測(cè)試固體推進(jìn)劑的動(dòng)態(tài)燃速、燃速壓強(qiáng)指數(shù)等。20世紀(jì)90年代以來(lái),超聲波技術(shù)被用于推進(jìn)劑非穩(wěn)態(tài)燃燒性能的測(cè)試中[19-21],用來(lái)研究推進(jìn)劑燃速的壓強(qiáng)響應(yīng)函數(shù)關(guān)系,為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能及推進(jìn)劑的不穩(wěn)定燃燒特性的研究提供了技術(shù)手段。近年來(lái)日本、韓國(guó)、印度等也根據(jù)本國(guó)的實(shí)際需求開(kāi)展了相應(yīng)的研究[22-24]。文獻(xiàn)[23]中將超聲波動(dòng)態(tài)燃速法測(cè)試結(jié)果與靶線法測(cè)試結(jié)果的進(jìn)行比較,證明這兩種方法的測(cè)試結(jié)果具有一致性。
目前,國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究仍處于探索性階段,與國(guó)外相比還有較大差距[25-26]。
密閉爆發(fā)器最早主要用來(lái)測(cè)定槍炮發(fā)射藥的燃速,李葆萱等[27]最先提出使用該方法測(cè)定固體推進(jìn)劑的燃速,并給出了該方法的物理模型和數(shù)學(xué)模型,之后對(duì)推進(jìn)劑試樣點(diǎn)火、散熱等因素帶來(lái)的誤差進(jìn)行了修正,對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件不斷進(jìn)行升級(jí)改造。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證密閉爆發(fā)器法測(cè)定固體推進(jìn)劑燃速特性是可行的,對(duì)于給定的推進(jìn)劑,燃速測(cè)試平行誤差可控制在1%以內(nèi)[28-29]。
使用影像方法記錄固體推進(jìn)劑的燃燒過(guò)程是測(cè)試固體推進(jìn)劑燃速的另一途徑,20世紀(jì)80年代北京理工大學(xué)發(fā)明了固體推進(jìn)劑線掃描攝像實(shí)時(shí)燃速測(cè)定系統(tǒng)[30],使用固體線掃描攝像裝置測(cè)定固體推進(jìn)劑的燃燒速度及其燃燒過(guò)程,并計(jì)算出任何瞬間的燃燒速度。之后在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制了新一代的固體推進(jìn)劑燃燒過(guò)程和燃速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[31],該系統(tǒng)不僅可測(cè)定固體推進(jìn)劑的燃速,還可獲得燃燒過(guò)程中包括火焰光強(qiáng)分布等多種參數(shù),可為燃燒機(jī)理的深入研究提供大量有用數(shù)據(jù)[32]。
隨著光電測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,高速攝影儀已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。高速攝影是進(jìn)行固體推進(jìn)劑燃燒研究一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),通過(guò)帶有視窗的燃燒室或小型發(fā)動(dòng)機(jī)可以直觀了解固體推進(jìn)劑點(diǎn)火、燃燒、熄火等過(guò)程的各個(gè)細(xì)節(jié),時(shí)間分辨率達(dá)毫秒級(jí)甚至更高。Risha等[33]采用高速攝影技術(shù)研究了鋁冰推進(jìn)劑在小型發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃面退移,并計(jì)算出線性燃速及燃速壓強(qiáng)指數(shù)。余協(xié)正等[34]利用高速攝影手段,對(duì)微細(xì)石英玻璃管中B/KNO3的燃燒特性進(jìn)行了研究。德國(guó)ICT 中心設(shè)計(jì)了一種多視窗燃燒室推進(jìn)劑燃燒性能綜合診斷裝置,該裝置使用高速攝影法研究推進(jìn)劑的燃速性能,還可在燃燒室視窗外架設(shè)光譜采集系統(tǒng)研究燃燒過(guò)程中出現(xiàn)的中間產(chǎn)物及燃燒火焰溫度。Weiser等[35]應(yīng)用該系統(tǒng)得到ADN單元推進(jìn)劑的在中低壓下的燃燒規(guī)律、ADN燃燒過(guò)程中出現(xiàn)的中間產(chǎn)物OH、NH、CN 等基團(tuán)濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系。
對(duì)比上述4種測(cè)試方法可知,目前動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試主要通過(guò)以下兩種途徑實(shí)現(xiàn):一是通過(guò)實(shí)時(shí)追蹤固體推進(jìn)劑燃燒表面的推移情況獲得動(dòng)態(tài)燃速(超聲波法和高速攝影法);二是通過(guò)測(cè)試密閉環(huán)境下固體推進(jìn)劑燃燒時(shí)的壓強(qiáng)—時(shí)間曲線,根據(jù)燃?xì)馍闪糠赐埔讶紵墓腆w推進(jìn)劑的質(zhì)量,進(jìn)而計(jì)算燃速(多靶線法和密閉爆發(fā)器法)。
多靶線動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試技術(shù)裝置是對(duì)原有的靶線法燃速測(cè)試裝置改進(jìn)而來(lái),從測(cè)試技術(shù)的角度來(lái)講比較容易實(shí)現(xiàn),可以在一定壓強(qiáng)范圍內(nèi)測(cè)試燃速隨壓強(qiáng)和溫度的變化規(guī)律,自升壓范圍與試樣尺寸大小具有一定的局限性。該方法非常適用于推進(jìn)劑生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)每一批產(chǎn)品的性能檢測(cè)和質(zhì)量控制工作。密閉爆發(fā)器法則非常適用于高壓(20~50MPa)乃至超高壓下(50~100MPa)固體推進(jìn)劑燃速測(cè)試。超聲波法可以測(cè)試固體推進(jìn)劑的多種燃燒特性參數(shù),但測(cè)試原理相對(duì)復(fù)雜,對(duì)測(cè)試裝置要求較高,目前我國(guó)還未完全掌握該項(xiàng)技術(shù)。高速攝影技術(shù)可以對(duì)所有固體推進(jìn)劑進(jìn)行動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試,對(duì)于超高燃速推進(jìn)劑尤為適用。因?yàn)榫哂休^高的時(shí)間分辨率,在研究過(guò)載條件下及壓強(qiáng)瞬變條件下固體推進(jìn)劑燃燒特性時(shí)將發(fā)揮越來(lái)越重要作用,是各種新型燃速測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)。
導(dǎo)彈在飛行時(shí)會(huì)自身旋轉(zhuǎn),可能會(huì)導(dǎo)致固體推進(jìn)劑燃燒性能發(fā)生改變,造成飛行推力曲線異常,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的解體。美國(guó)、前蘇聯(lián)、中國(guó)等國(guó)家都對(duì)旋轉(zhuǎn)過(guò)載條件下固體推進(jìn)劑燃燒規(guī)律進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究,通用方法是將小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)固定在可轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)上旋轉(zhuǎn),利用發(fā)動(dòng)機(jī)法的測(cè)試手段研究固體推進(jìn)劑的綜合燃燒性能,主要研究對(duì)象為含鋁粉的復(fù)合推進(jìn)劑[36-40]。
2013年V.D.Barsukov[41]報(bào)道了一種固體推進(jìn)劑水下旋轉(zhuǎn)過(guò)載燃燒裝置,用于測(cè)試燃面推移方向與加速度方向相同時(shí)固體推進(jìn)劑的質(zhì)量燃速,采用高速攝影法記錄燃速,并建立了相應(yīng)燃速預(yù)估模型,對(duì)某推進(jìn)劑試樣在23.4~259.5g旋轉(zhuǎn)加速度范圍內(nèi)的燃速進(jìn)行理論預(yù)估和實(shí)測(cè)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)加速度小于220g時(shí)預(yù)估值與實(shí)測(cè)值較為接近,該固體推進(jìn)劑在水中的質(zhì)量燃速隨旋轉(zhuǎn)加速度的增加而增大。
近年來(lái),研究人員對(duì)燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)瞬時(shí)變化對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒的影響作用進(jìn)行研究。V.A.Arkhipov[42-43]以裝有泄壓管的視窗燃燒器為基礎(chǔ)建立了固體推進(jìn)劑壓強(qiáng)瞬變?nèi)紵郎y(cè)試裝置,分別采用高速攝影追蹤燃面技術(shù)和成氣量反推質(zhì)量燃速的IBIP法(internal ballistics inverse problem),對(duì)燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)突降(最大壓強(qiáng)變化率dp/dt 達(dá)800MPa/s)時(shí)試樣的燃速變化進(jìn)行研究,其中高速攝影追蹤燃面技術(shù)不但可以測(cè)試線性燃速,還可以觀察到壓強(qiáng)突變時(shí)燃燒表面、燃燒火焰結(jié)構(gòu)變化的瞬時(shí)過(guò)程;IBIP法可測(cè)固體推進(jìn)劑燃燒時(shí)質(zhì)量燃速的變化規(guī)律,該方法還可用于較大尺寸或復(fù)雜形狀固體推進(jìn)劑藥柱的燃燒性能。南京理工大學(xué)也進(jìn)行了類(lèi)似的研究[44]。Vladica Bozic[45]研究了小型發(fā)動(dòng)機(jī)中出現(xiàn)壓強(qiáng)突然增大脈沖時(shí)推進(jìn)劑的燃燒情況。
從以上最新進(jìn)展可看出,目前特定環(huán)境下固體推進(jìn)劑燃速測(cè)試技術(shù)主要是通過(guò)模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中所處的實(shí)際環(huán)境或遇到的實(shí)際問(wèn)題,應(yīng)用現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)燃速測(cè)試技術(shù)測(cè)試固體推進(jìn)劑在類(lèi)似于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的容器中的燃燒情況,所測(cè)結(jié)果并不局限于線性燃速,還包括質(zhì)量燃速、燃面退移速率及其他一些發(fā)動(dòng)機(jī)法中常用的燃燒特性參數(shù)。
隨著基礎(chǔ)研究的不斷深入,以及使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行固體推進(jìn)劑性能預(yù)估技術(shù)的日漸成熟,對(duì)固體推進(jìn)劑常用高能添加劑燃燒機(jī)理和基礎(chǔ)燃燒特性參數(shù)研究的重要性逐步顯現(xiàn)。國(guó)外在這方面已經(jīng)開(kāi)展了不少工作,文獻(xiàn)[46]列舉了近年來(lái)各國(guó)研究人員使用高速攝影法、熱電偶法等各種方法測(cè)得的ADN在0.5~50MPa下的燃速,并在此基礎(chǔ)提出ADN單元推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理。Mehdi Bahrami[47]用高速攝影法測(cè)試了Al-CuO 納米鋁熱劑的燃速。N.A.Kochetov[48]使用熱電偶靶線法研究了兩種Ni/Al混合物的燃燒性能,發(fā)現(xiàn)薄片狀試樣的燃速是圓柱狀試樣的4~20倍。固體推進(jìn)劑中常見(jiàn)的高能添加劑如鋁粉、RDX、HMX、CL-20等的燃燒特性及燃燒機(jī)理在文獻(xiàn)中均有報(bào)道[49-53]。此外,裴慶等[54-55]通過(guò)測(cè)試GAP/高能添加劑混合物藥漿燃速的方法對(duì)高活性金屬粉、含能離子鹽等新材料的燃燒特性進(jìn)行了探索。
燃速測(cè)試的核心是燃燒時(shí)間的測(cè)定,隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展,可測(cè)的燃燒時(shí)間Δt由靜態(tài)方法的秒級(jí)逐步減小到高速攝影技術(shù)的毫秒級(jí),同時(shí)可測(cè)得的燃燒層厚度變化Δe也逐漸減小,據(jù)速度的物理學(xué)定義可知燃速結(jié)果u(t)逐步逼近瞬時(shí)燃速,因此燃速測(cè)試由靜態(tài)測(cè)試發(fā)展到動(dòng)態(tài)測(cè)試?,F(xiàn)有燃速測(cè)試技術(shù)為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合出現(xiàn)了特定環(huán)境下的燃燒特性測(cè)試技術(shù);為了基礎(chǔ)研究水平進(jìn)一步深化,又向推進(jìn)劑單組分燃燒測(cè)試領(lǐng)域發(fā)展。
隨著武器裝備水平的不斷提高,對(duì)固體推進(jìn)劑的性能要求也呈現(xiàn)出多樣性,對(duì)燃燒測(cè)試技術(shù)的發(fā)展也提出了新的要求。在配方不變時(shí),提高固體推進(jìn)劑的工作壓強(qiáng)是提高固體推進(jìn)劑能量和燃速的有效途徑,開(kāi)展20~50MPa甚至更高壓強(qiáng)下的燃燒性能研究將逐步成為固體推進(jìn)劑研究的重點(diǎn),而相關(guān)的燃燒性能測(cè)試手段還不夠齊全和完善,需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展。
目前,全球空間軍事化趨勢(shì)明顯加快,外層空間爭(zhēng)奪日趨激烈。隨著空軍武器裝備性能的不斷提高,空中軍事斗爭(zhēng)的范圍不斷擴(kuò)大,空天一體戰(zhàn)、天戰(zhàn)將是空中作戰(zhàn)的發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此,超低壓(真空)、低溫微重力環(huán)境下的固體推進(jìn)劑燃燒性能測(cè)試技術(shù)將成為未來(lái)發(fā)展的新方向。
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