鋁粉含量對(duì)CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑燃速的影響

王江寧，李 偉，鄭 偉，陳俊波，宋秀鐸，孫志剛

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.宜賓北方川安化工有限公司，四川 宜賓 644219)

引 言

Al作為中高能推進(jìn)劑的常用高能燃料，從比沖和燃速及壓強(qiáng)指數(shù)的宏觀結(jié)果來(lái)看，鋁粉含量和粒度是影響推進(jìn)劑能量輸出效果及燃速壓強(qiáng)指數(shù)的主要因素，國(guó)內(nèi)對(duì)此進(jìn)行了較多研究。

張偉等[1]發(fā)現(xiàn)納米級(jí)鋁粉相對(duì)于微米級(jí)鋁粉，可使少煙NEPE推進(jìn)劑在1～20MPa下的燃速提高50.7%～95.0%；李吉禎等[2]研究發(fā)現(xiàn)，鋁粉粒度越小，AP-CMDB推進(jìn)劑的燃速越高；王江寧等[3]研究了Al含量與CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑能量和燃?xì)饨M分關(guān)系，得到Al的最佳添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%；宋振偉等[4]研究發(fā)現(xiàn)，CL-20替代HMX提高了Al的燃燒效率，同時(shí)推進(jìn)劑的燃燒殘?jiān)蕪?.784%降至0.5%。

根據(jù)多年來(lái)復(fù)合推進(jìn)劑燃燒機(jī)理研究經(jīng)驗(yàn)，鋁粉團(tuán)聚是含鋁推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中的普遍現(xiàn)象，直接影響Al的燃燒效率、推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)。鋁粉在固體推進(jìn)劑中的燃燒機(jī)理研究主要集中為Al的團(tuán)聚模型[5-9]，在推進(jìn)劑燃燒表面AP分解形成的口袋使鋁粉團(tuán)聚[5]。Babuk V A[7-8]提出推進(jìn)劑表面熔融層使Al團(tuán)聚，而且Al粒度小于熔融層厚度時(shí)團(tuán)聚更加嚴(yán)重；Babuk等[9]研究認(rèn)為黏合劑在燃燒表面燃燒形成碳骨架的粘附作用使Al團(tuán)聚停留；唐泉、龐愛民等[10]認(rèn)為在燃燒表面團(tuán)聚的Al粒子與推進(jìn)劑燃燒氣體中的H2O、CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是Al燃燒的主要過(guò)程。團(tuán)聚機(jī)理更多的關(guān)注了燃燒表面鋁粉團(tuán)聚對(duì)其燃燒效率的影響。

本研究通過(guò)不同鋁粉含量對(duì)CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑燃速的影響規(guī)律，分析了鋁粉燃燒過(guò)程及對(duì)燃速的影響，為CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑的燃燒性能調(diào)節(jié)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

吸收藥(含NC、NG及Ⅱ號(hào)中定劑)，工業(yè)級(jí)，宜賓北方川安化工有限公司；Ⅱ號(hào)中定劑(C2、二甲基二苯脲)，工業(yè)級(jí)，重慶長(zhǎng)風(fēng)化學(xué)工業(yè)有限公司；凡士林，工業(yè)級(jí)，南京長(zhǎng)江江宇石化公司；六硝基六氮雜異戊茲烷(CL-20)，工業(yè)級(jí)，遼寧慶陽(yáng)化學(xué)工業(yè)有限公司；鋁粉，工業(yè)級(jí)，隴西西北鋁九鼎粉材有限公司；催化劑，工業(yè)級(jí)，西安近代化學(xué)研究所。

充氮調(diào)壓式燃速儀，西安航天遠(yuǎn)征流體控制股份有限公司。

1.2 推進(jìn)劑樣品制備

采用吸收-熟化-離心驅(qū)水-壓延-切藥的常規(guī)無(wú)溶劑成型工藝制備Φ5mm×16mm的燃速藥條，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的聚乙烯醇縮丁醛-無(wú)水乙醇溶液包覆6遍。CL-20/AL-CMDB推進(jìn)劑配方見表1。

表1 CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑配方

1.3 性能測(cè)試

按照GJB770B-2005方法706.1“燃速-靶線法”測(cè)試推進(jìn)劑的靜態(tài)燃速。測(cè)試條件為：20℃，N2氣氛，壓強(qiáng)范圍4～16MPa。根據(jù)Vieille燃速與壓強(qiáng)指數(shù)關(guān)系式r=apn(式中：r為燃速，p為壓強(qiáng)，a為常數(shù))，采用最小二乘法計(jì)算壓強(qiáng)指數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)燃速分析

CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑的靜態(tài)燃速結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，14MPa為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在14MPa以下，隨著Al含量的增加推進(jìn)劑靜態(tài)燃速不斷降低，但是隨著壓強(qiáng)的升高，燃速降低的幅度逐漸減小。在14MPa以上，Al含量增加，推進(jìn)劑靜態(tài)燃速增加。隨著壓強(qiáng)的升高，燃速升高幅度增大。

隨著Al含量增加，壓強(qiáng)指數(shù)增加。Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、5%、8%、10%、15%時(shí)，4～16MPa下壓強(qiáng)指數(shù)分別為0.34、0.45、0.47、0.52、0.58。

2.2 同一壓強(qiáng)下燃速的變化規(guī)律

為了進(jìn)一步研究Al含量對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響規(guī)律，分析了相同壓強(qiáng)下Al含量與燃速的關(guān)系，如圖2所示。

根據(jù)圖3的數(shù)據(jù)分別擬合燃速隨Al含量變化的燃速公式，見式(1)～(7)：

(4MPa，w(Al)=5%～15%)

(1)

(6MPa，w(Al)=5%～15%)

(2)

(8MPa，w(Al)=5%～15%)

(3)

(10MPa，w(Al)=5%～15%)

(4)

(12MPa，w(Al)=5%～15%)

(5)

(14MPa，w(Al)=5%～15%)

(6)

(16MPa，w(Al)=5%～15%)

(7)

根據(jù)式(1)～(7)，用化學(xué)反應(yīng)(燃速)速率常數(shù)k與壓強(qiáng)p作圖，見圖4。

由式(1)～(7)及圖4可知，4～10MPa下化學(xué)反應(yīng)(燃速)速率常數(shù)相同，說(shuō)明4～10MPa時(shí)Al對(duì)CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑燃速只與Al的含量有關(guān)；10～16MPa下化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)與壓強(qiáng)呈線性關(guān)系，即k=0.002p-0.028，相關(guān)系數(shù)R2=0.979，說(shuō)明10～16MPa時(shí)Al對(duì)CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑燃速的影響因素一致。

2.3 Al在CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑的燃燒過(guò)程及其對(duì)燃速的影響因素

為了掌握Al對(duì)CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑燃速的影響因素，需要進(jìn)一步分析Al在CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑中的燃燒過(guò)程，龐愛民等[10]認(rèn)為燃燒表面團(tuán)聚的Al粒子與推進(jìn)劑燃燒氣體中的H2O、CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是Al燃燒的主要過(guò)程。對(duì)螺壓改性雙基推進(jìn)劑而言，H2O、CO2是燃燒表面氣相區(qū)的主要燃?xì)獬煞?。苗勤書等[11]的研究結(jié)果表明，CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中，基體組分分解產(chǎn)生的火焰區(qū)、氣相區(qū)組分CO2、H2O源源不斷地為Al提供氧原子，進(jìn)而釋放Al燃料的能量。陳雪莉等[12]研究了Al-CMDB推進(jìn)劑的火焰結(jié)構(gòu)，表明Al-CMDB推進(jìn)劑中Al燃燒釋放能量過(guò)程發(fā)生在燃燒表面火焰區(qū)。本研究分析認(rèn)為，CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中，以暗區(qū)與火焰區(qū)交界面為Al參與燃燒反應(yīng)的分界面，在暗區(qū)Al以吸熱為主，在火焰區(qū)Al與推進(jìn)劑基體組分分解的氣體CO2、H2O等發(fā)生燃燒反應(yīng)放出能量。因此，Al在暗區(qū)吸收熱量和Al在火焰區(qū)燃燒放熱對(duì)燃燒表面的熱反饋為影響燃速的主要因素。影響Al吸收熱量大小的主要因素包括Al的表面積和比熱容，在此僅計(jì)算Al的比表面積大小引起的吸熱量變化對(duì)燃速的影響規(guī)律。根據(jù)表1所示推進(jìn)劑配方及圖1燃速結(jié)果，暗區(qū)中單位比表面積Al吸熱導(dǎo)致燃速升高或下降值的計(jì)算公式為：

Δu=(ui-u0)/Si

(8)

式中：u0為不加Al時(shí)推進(jìn)劑的燃速；ui為添加Al以后不同壓強(qiáng)下推進(jìn)劑的燃速；Si為ui時(shí)暗區(qū)中Al的表面積大小，Si=k·wAl·SAl；k為常數(shù)，SAl為Al的比表面積；Δu單位為mm/(s·cm2)。

不同壓強(qiáng)下Δu的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

對(duì)圖5中4～10MPa和10～16MPa單位質(zhì)量Al與燃速的下降/升高率擬合，獲得兩條直線，直線方程分別為：

Δus=0.086p-1.623，R2=0.995

(9)

Δus=0.367p-4.868，R2=0.991

(10)

求解方程(9)和(10)，其壓強(qiáng)交點(diǎn)為11.5MPa，由此說(shuō)明4～11.5MPa時(shí)吸熱導(dǎo)致燃速下降，11.5～16MPa是Al在火焰區(qū)燃燒產(chǎn)生的熱量抵消其吸收的熱量，從而向燃燒表面逐漸反饋熱量，燃速開始增加。進(jìn)一步證明了以暗區(qū)為分界面，Al對(duì)燃速的影響過(guò)程。本研究把Al在燃燒表面的吸熱過(guò)程對(duì)燃速的影響因素定義為Al的惰性熱稀釋，同時(shí)把隨壓強(qiáng)升高對(duì)燃燒表面熱反饋增加的現(xiàn)象稱為活性增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

(1)不同Al含量時(shí)，CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑相同壓強(qiáng)下燃速變化規(guī)律表明，添加不同含量的Al時(shí)，推進(jìn)劑的燃燒反應(yīng)規(guī)律一致，也就是不受Al含量的影響。

(2)4～11.5MPa下，CL-20/Al-CMDB推進(jìn)劑燃速下降是由于Al在暗區(qū)的吸熱所致，而11.5～16MPa時(shí)推進(jìn)劑燃速上升是因?yàn)锳l在火焰區(qū)燃燒釋放的熱量對(duì)燃燒表面的熱反饋增加。