鋁粉對高氯酸鹽基電控固體推進(jìn)劑感度的影響

何志成，夏智勛，胡建新，李 洋

（1.國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙410073；2.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院，重慶 400044）

1 引言

電控固體推進(jìn)劑（ECSP）是近年來發(fā)展的一種不需要點火藥，可直接通過外接電源點火燃燒的新型固體推進(jìn)劑。通過調(diào)節(jié)外加電源電壓不僅可以實現(xiàn)推進(jìn)劑的多次點火與熄滅，還能實現(xiàn)推進(jìn)劑燃速的實時調(diào)節(jié)［1-2］。電控固體推進(jìn)劑微小型固體發(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、易于控制的優(yōu)點，在姿態(tài)控制系統(tǒng)、火箭助推系統(tǒng)、導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和空間推進(jìn)點火系統(tǒng)中得到了一定的應(yīng)用［3-6］。金屬燃料是電控固體推進(jìn)劑的主要成分之一，包括鎂、鋁、硼、鎢等。鋁粉，尤其是微米或納米鋁粉，因其高密度和高燃燒焓的特性可以顯著提高ECSP 的燃速及比沖；鋁粉良好的導(dǎo)電性還有助于提高ECSP 的導(dǎo)電性，改善其電點火性能，縮短點火延遲時間，降低點火功率。但是，鋁粉含量與粒徑的變化以及對靜電放電的敏感特性無疑會對推進(jìn)劑的感度產(chǎn)生一定影響［7-11］。

關(guān)于電控固體推進(jìn)劑的安全性能，國外已進(jìn)行了部分研究。據(jù)美國Digital Solid State Propulsion 公司報道，基于硝酸羥胺（HAN）的高性能電控固體推進(jìn)劑“HIPEP”安全等級可以滿足美國國軍標(biāo)彈藥火箭與導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)安全設(shè)計規(guī)范（MI-STD-1901A）要求1.4 級［12］，該推進(jìn)劑在制備、使用、運(yùn)輸以及貯存方面都具有較高的安全性。雖然HAN 基電控固體推進(jìn)劑具有比沖高、產(chǎn)物無毒以及電控性能好的優(yōu)點，但存在斷電后不能完全熄滅，長期儲存性能下降的缺點，且當(dāng)環(huán)境壓力≥1.4 MPa 時，其燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)樽跃S持進(jìn)行［13］，失去了電控特性。

高氯酸鹽基ECSP 是在HAN 基ECSP 基礎(chǔ)上發(fā)展的新一代電控固體推進(jìn)劑，具有更好的電控特性及熱穩(wěn)定性。目前，尚未見有關(guān)含高氯酸鹽ECSP 感度特性研究的文獻(xiàn)報道。本研究采用高氯酸鹽為氧化劑，制備了高氯酸鹽基電控固體推進(jìn)劑，探究了鋁粉含量及粒徑對高氯酸鹽基ECSP 撞擊感度、摩擦感度、靜電火花感度以及火焰感度的影響，以為高氯酸鹽基ECSP 的安全性評價提供依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 試樣制備

本研究中所采用的電控固體推進(jìn)劑組成主要包括高氯酸鋰（LiClO4）、硝酸銨（AN）、聚乙烯醇（PVA）、鋁粉（粒徑分別為0.05，5，25，65，105 μm），交聯(lián)劑和增塑劑等。以電控固體推進(jìn)劑配方為基礎(chǔ)，采用澆注工藝制備了推進(jìn)劑樣品，即將高氯酸鋰、硝酸銨、聚乙烯醇、鋁粉和其它助劑加入到溶劑中混合攪拌40 min，然后將漿液澆注至模具中，于35～50 ℃下固化5～7 天，脫模后即可得到ECSP 固體推進(jìn)劑。含不同Al 粒徑的高氯酸鹽基ECSP 樣品的具體配方為：LiClO455%，AN 5%，PVA 15%，Al 15%，其它10%。固定LiClO4和鋁粉總含量為70%，其它各組分的含量保持不變，通過改變LiClO4與鋁粉的相對含量制備得到鋁粉含量為0%，5%，10%，15%，20% 的ECSP 樣品。由于Al 含量過高會降低高氯酸鹽基電控固體推進(jìn)劑漿液的流動性，不利于推進(jìn)劑的澆鑄成型；高鋁含量還會降低推進(jìn)劑配方組分混合均勻度，導(dǎo)致推進(jìn)劑干燥成型后產(chǎn)生裂紋，燃燒性能降低。因此，本研究中推進(jìn)劑的Al 含量≤20%。

2.2 感度測試

撞擊感度：參照GJB772A-1997 方法601.2［14］，用WL-1 型撞擊感度儀測試推進(jìn)劑試樣的撞擊感度。測試條件：落錘重量2 kg；樣品質(zhì)量30 mg。撞擊感度以樣品50%爆炸特性落高H50（cm）表示。

摩擦感度：參照GJB772A-1997 方法602.1［14］，用WM-1 型摩擦感度儀測試推進(jìn)劑試樣的摩擦感度。測試條件：擺角66°，樣品質(zhì)量20 mg，壓強(qiáng)2.45 MPa。摩擦感度以樣品爆炸概率P（%）表示。

靜電火花感度：參照GJB5891.27-2006 方法6.1［15］，先向500 pF電容器充電至10 kV，試驗30發(fā)。繼而采用方法6.2，依次選用四個不同電極間隙和電阻，向10000 pF電容器充電至10 kV，試驗30發(fā)。電極間隙為0.12，0.18，0.25 mm 和0.50 mm，環(huán)境溫度24 ℃，濕度40%，單次用藥量25 mg。采用JGY-50II靜電火花感度儀進(jìn)行測試，并以樣品50%發(fā)火電壓V50（kV）表示。

火焰感度：參照GJB772A-1997 方法604.1［14］，采用導(dǎo)火索法測試推進(jìn)劑試樣的火焰感度。測試條件：常溫常壓下用7 cm 導(dǎo)火索進(jìn)行點火試驗，底火殼為7.62 槍彈通用底火殼?；鹧娓卸纫詷悠?0%發(fā)火高度h50（cm）表示。

3 結(jié)果與討論

3.1 Al 含量對高氯酸鹽基ECSP 推進(jìn)劑的感度影響

不同Al 含量高氯酸鹽基ECSP 的撞擊感度（H50）、摩擦感度（P）以及靜電火花感度（V50）測試結(jié)果見表1。

表1 Al 含量對高氯酸鹽基ECSP 感度的影響Table 1 Effects of Al content on the sensitivities of perchlorate-based ECSP

由表1 可知，含Al 高氯酸鹽基ECSP 與非金屬高氯酸基ECSP（Al%=0）相比，含20% Al（5 μm）推進(jìn)劑H50值降至56.2 cm，P增至4 %；含20% A（l105 μm）推進(jìn)劑H50值降至100.0 cm，P增至4%。當(dāng)Al 含量由5%增至20%時，高氯酸鹽基ECSP 的H50值減小而P增大，且Al粒徑為5 μm 時，該變化趨勢比A（l105 μm）明顯。這說明Al 含量的增加導(dǎo)致推進(jìn)劑撞擊感度和摩擦感度增大，且撞擊感度增加的幅度較摩擦感度大。不同Al 含量的高氯酸鹽基ECSP 在10 kV 條件下均未發(fā)生反應(yīng)現(xiàn)象，其靜電火花感度變化規(guī)律不明顯。

分析認(rèn)為氧化劑LiClO4和AN 在推進(jìn)劑干燥成型過程中隨溶劑的揮發(fā)而析出并填充于PVA 交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，在受到外界刺激時具有高比熱容的PVA 與氧化劑作用需要吸收更多的熱量形成“熱點”，因此，非金屬系高氯酸鹽基ECSP 具有較低的撞擊感度和摩擦感度。Al 的加入降低了推進(jìn)劑體系的比熱容［16］，且Al 與氧化劑以及Al 顆粒之間的碰撞、破碎幾率隨Al 含量的增加而增大，導(dǎo)致在受到外界刺激時推進(jìn)劑內(nèi)部更易形成“熱點”，推進(jìn)劑的撞擊感度增大。此外，Al 含量的增加導(dǎo)致推進(jìn)劑各組分之間通過摩擦形成的“熱點”增加，推進(jìn)劑摩擦感度增大，但是增幅較低。分析認(rèn)為聚合物基質(zhì)PVA 的黏彈性降低了Al 顆粒及其它固體填料之間的摩擦作用，因此高氯酸基ECSP 摩擦感度較低。

在10 kV 的發(fā)火電壓及0.12～0.5 mm 電極間隙條件下，不同Al 含量的高氯酸鹽基ECSP 均未發(fā)生明顯的發(fā)火現(xiàn)象，這說明高氯酸鹽基ECSP 靜電火花感度較低，但是Al 含量對其靜電火花感度的影響規(guī)律不明顯。分析認(rèn)為微納米Al 顆?；驁F(tuán)聚顆粒填充于PVA交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中并被PVA 包覆，導(dǎo)致推進(jìn)劑電阻增加，導(dǎo)電性較低，從而表現(xiàn)出較低的靜電火花感度。

3.2 Al 粒徑對高氯酸鹽基ECSP 推進(jìn)劑的感度影響

含不同Al 粒徑高氯酸鹽基ECSP 樣品的撞擊感度（H50）、摩擦感度（P）、靜電火花感度（V50）以及火焰感度（h50）測試結(jié)果見表2。

表2 Al 粒徑對高氯酸鹽基ECSP 感度的影響Table 2 Effects of particle size of Al power on the sensitivities of perchlorate-based ECSP

由表2 可知，當(dāng)Al 粒徑由納米級（0.05 μm）增至微米級65 μm 時，H50值由33.9 cm 增至97.7 cm；當(dāng)Al 粒徑增至105 μm 時，H50值增至125.8 cm 以上，這說明高氯酸鹽基ECSP 的撞擊感度隨Al 粒徑的增大而降低。分析認(rèn)為Al 粒徑越小，比表面積越大，活性越高［17］，增大了推進(jìn)劑中顆粒間的碰撞摩擦幾率，導(dǎo)致推進(jìn)劑撞擊感度增大。粗粒徑Al 粉的應(yīng)用增大了顆粒間距，間隙中PVA 的填充降低了Al 顆粒之間的摩擦作用，從而導(dǎo)致推進(jìn)劑的撞擊感度降低。

Al 粒徑為0.05～65 μm 時高氯酸鹽基ECSP 的摩擦感度變化不明顯，而當(dāng)Al 粒徑增至105 μm 時，其摩擦感度P降低了4%，這說明Al 粒徑的增大降低了高氯酸鹽基ECSP 的摩擦感度，但降幅平緩。分析認(rèn)為顆粒間的擴(kuò)散距離隨Al 粒徑的減小而減小，增大了摩擦面積，導(dǎo)致推進(jìn)劑內(nèi)部組分間的反應(yīng)活性增加，產(chǎn)生的熱量增加，因而推進(jìn)劑的摩擦感度增大。

當(dāng)Al 粒徑由0.05 μm 增至5 μm 時，高氯酸鹽基ECSP 的h50值降低了66.67%，說明其火焰感度隨Al 粒徑的增大而降低。當(dāng)Al 粒徑由25 μm 增至105 μm時，推進(jìn)劑經(jīng)導(dǎo)火索測試表現(xiàn)為不燃不爆，但變化規(guī)律不明顯。非金屬系高氯酸鹽基ECSP 具有良好的火焰鈍感特性，而具有高表面活性的Al 粉加入提高了推進(jìn)劑的火焰敏感度，在受到外界高溫刺激時，推進(jìn)劑表面更容易發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生放出熱量，造成局部溫度過高導(dǎo)致推進(jìn)劑燃燒或爆炸，導(dǎo)致高氯酸鹽基ECSP 的火焰感度增大。

綜上所述，高氯酸鹽基ECSP 表現(xiàn)出較低的感度特性，Al 含量及粒徑變化對其撞擊感度的影響比對摩擦感度、靜電火花感度及火焰感度的影響大。本研究結(jié)果為高氯酸鹽基ECSP 感度研究奠定了基礎(chǔ)，但存在一定的局限性，通過改進(jìn)實驗方法可對高氯酸鹽基ECSP的感度特性展開進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

研究了不同鋁粉含量及粒徑對高氯酸鹽基電控固體推進(jìn)劑的撞擊感度、摩擦感度、靜電火花感度和火焰感度的影響，得到如下結(jié)論：

（1）高氯酸鹽基ECSP 的撞擊感度隨Al 粉含量的增加而增大，隨Al 粉粒徑的增大而減小。含納米級Al粉高氯酸鹽基ECSP 的撞擊感度比含微米級Al 粉的高。

（2）高氯酸鹽基ECSP 的摩擦感度隨Al 粉含量的增加而增大，但是增加趨勢平緩；其摩擦感度隨Al 粒徑的增大呈降低的趨勢，且Al 粒徑變化越大，該變化趨勢越明顯。

（3）高氯酸鹽基ECSP 的火焰感度隨Al 粒徑的增大而降低。

（4）高氯酸鹽基ECSP 具有較低的靜電火花感度，不同Al 含量與粒徑的高氯酸鹽基ECSP 發(fā)火電壓V50均大于10 kV 以上。