某產(chǎn)品低溫靜試燃燒時(shí)間超差原因分析與驗(yàn)證

陳曉錦,趙俊波,成愛(ài)珍,毛旭輝

(1.空軍裝備部駐太原地區(qū)軍事代表室,山西 太原 030006;2.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司,山西 太原 030008;3.晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 太原 030027)

1 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能是固體發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,其核心是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的規(guī)律,是固體發(fā)動(dòng)機(jī)獲得推力、燃燒室壓強(qiáng)、總沖量、比沖量、工作時(shí)間等一系列性能參數(shù)的可靠方法。固體發(fā)動(dòng)機(jī)只有按照設(shè)計(jì)的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線工作,才能達(dá)到既定的飛行技術(shù)指標(biāo)[1-3]。根據(jù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理,發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作過(guò)程的壓力-時(shí)間曲線可以分為3段,即壓力上升段、壓力接近平衡壓力的平衡段、燃燒結(jié)束的后效段。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)影響3段工作時(shí)間的因素主要表現(xiàn)在推進(jìn)劑的燃速、藥形尺寸、包覆情況以及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面[4-10]。

某產(chǎn)品采用XX-2雙基推進(jìn)劑,目前分外貿(mào)和國(guó)內(nèi)兩種配套方式。某年外貿(mào)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥(1101批發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥,以下簡(jiǎn)稱為“1101批”)各項(xiàng)性能均符合要求,國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥(1102批發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥,以下簡(jiǎn)稱為“1102批”)高溫曲線正常,但低溫靜試時(shí),第1發(fā)燃燒時(shí)間為1.77 s,第2發(fā)為1.79 s,均超出了指標(biāo)上限1.7 s的要求,出現(xiàn)了燃燒時(shí)間超差,而總沖、推力均符合指標(biāo)要求,曲線被整體拉長(zhǎng)的現(xiàn)象。本文從原材料及催化劑成分、燃速、藥形尺寸、包覆以及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析,通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,確定產(chǎn)品低溫靜試燃燒時(shí)間超差的原因。該研究解決了低溫靜試燃燒時(shí)間超差的問(wèn)題,進(jìn)一步明確了該產(chǎn)品后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的重點(diǎn)控制事項(xiàng),為產(chǎn)品的質(zhì)量保證提供了積極的指導(dǎo)作用。

2 原因查找分析

2.1 催化劑成分

XX-2雙基推進(jìn)劑配方組成與配比見(jiàn)表1。

表1 XX-2配方組成要求

燃速催化劑是影響雙基推進(jìn)劑燃燒性能的主要因素[11],催化劑批次、含量的不同,對(duì)推進(jìn)劑燃速結(jié)果存在較大影響。因而先從催化劑進(jìn)行分析,1101批和1102批吸收藥、催化劑(炭黑)、催化劑(鉛鹽)及配比情況見(jiàn)表2。

表2 裝藥化學(xué)成分及燃速分析對(duì)比情況

從兩批吸收藥分析可知,化學(xué)成分分析結(jié)果符合表1技術(shù)指標(biāo)要求,催化劑批次不同,配方加入量相同,測(cè)試結(jié)果有差異,因?qū)俅笊a(chǎn)工藝,該現(xiàn)象屬可接受偏差范圍。雖然含量有所差異,但對(duì)裝藥+50 ℃、6.9 MPa下燃速結(jié)果影響不大。

2.2 燃速分析

根據(jù)生產(chǎn)的正常程序,在產(chǎn)品批量生產(chǎn)之前應(yīng)對(duì)推進(jìn)劑物料進(jìn)行高溫燃速測(cè)試。將1101批裝藥和1102批裝藥用藥粒分別壓制φ18 mm藥柱樣品,按照GJB 770B—2005 方法706.1采用靶線法進(jìn)行燃速測(cè)試,測(cè)試條件均為+50 ℃、6.9 MPa,燃速測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2測(cè)試結(jié)果看,1101批+50 ℃、6.9 MPa下燃速為12.00 mm/s;1102批為12.04 mm/s。兩批高溫燃速測(cè)試結(jié)果接近,且在內(nèi)控指標(biāo)(11.5～12.4 mm/s)中上限。從測(cè)試結(jié)果可知,1102批裝藥的燃速略高于1101批,如果溫度系數(shù)接近,壓力指數(shù)差別不大,應(yīng)該二者低溫工作時(shí)間接近。然而,實(shí)際上1101批裝藥低溫內(nèi)彈道工作時(shí)間為1.68 s,1102批裝藥為1.79 s,1102批裝藥比1101批裝藥工作時(shí)間長(zhǎng)0.11 s,造成1102批裝藥低溫工作時(shí)間超出指標(biāo)。

對(duì)兩種裝藥低溫燃速出現(xiàn)明顯差異的原因進(jìn)行分析,一方面可能是系統(tǒng)誤差造成的,如燃速樣取樣是否均勻,壓制樣品的塑化成型質(zhì)量是否一致,樣品的水分和密度以及測(cè)試包覆時(shí)樣品的浸泡次數(shù)、間隔時(shí)間、晾干時(shí)間是否一致,以及壓力波動(dòng)、測(cè)試環(huán)境溫度等因素均會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成干擾;另一方面可能是原材料批次變動(dòng)引起的,特別是鉛鹽催化劑的水分、粒度的變化影響到吸收藥的燃速溫度系數(shù)和壓力指數(shù),均有可能使高溫燃速正常,低溫燃速偏低,從而使低溫燃燒時(shí)間較長(zhǎng)。

2.3 藥形尺寸

兩批裝藥采用的物料成分接近,其熱膨脹效應(yīng)接近,因而兩種裝藥藥形尺寸差別主要由壓藥模具決定。從兩者壓藥所使用的模具分析,1101批和1102批在壓藥時(shí)所用銅套和針均為φ108 mm/φ47.3 mm,故而排除了壓藥模具對(duì)藥形尺寸的影響。筆者直接對(duì)兩種裝藥的藥形尺寸進(jìn)行檢測(cè),對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 裝藥壓藥模具及藥形尺寸對(duì)比情況

從表3對(duì)比情況看,兩批藥形尺寸結(jié)果接近。若燃速接近,燃燒時(shí)間應(yīng)該接近,因此藥形尺寸不是影響燃燒時(shí)間的主要因素。

2.4 包覆情況

裝藥采用101聚氨酯膠將聚酯包覆片對(duì)藥柱進(jìn)行端面包覆。兩批裝藥采用的包覆片和包覆用101聚氨酯膠及包覆工藝情況見(jiàn)表4。

表4 裝藥包覆情況

從表4可以看出,兩批裝藥的包覆技術(shù)和手段一致,其中兩批裝藥包覆所用原材料如101膠甲乙組份及批次完全相同,1101批裝藥所用包覆片為10-W1批、10-W2批、10-W3批,1102批裝藥為10-N1批、10-N2批。盡管包覆片批次不同,但是兩批裝藥?kù)o試過(guò)程中燃燒曲線正常,說(shuō)明兩者包覆質(zhì)量合格,沒(méi)有對(duì)工作時(shí)間造成影響。

2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要由殼體、固體推進(jìn)劑裝藥、絕熱層、噴管和點(diǎn)火裝置組成。其中,殼體涂層的厚度、噴管的噴喉面積等方面,如果誤差較大,也會(huì)很大程度上影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡壓力和工作時(shí)間。

1101批裝藥?kù)o試試驗(yàn)工作正常,問(wèn)題發(fā)生后,為排除因1102批試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)引起低溫工作時(shí)間超差的原因,采用1101批試驗(yàn)用剩余發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)1102批藥柱進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,1102批工作時(shí)間為1.79 s,與之前1102批藥柱在1102批發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的工作時(shí)間(1.77、1.79 s)基本一致,故而可以排除1102批發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)裝藥工作時(shí)間的影響。

2.6 小結(jié)

綜上所述,原材料及催化劑成分對(duì)兩批裝藥高溫燃速性能無(wú)影響,但通過(guò)低溫內(nèi)彈道工作時(shí)間超差分析可知,兩批裝藥藥形尺寸、包覆情況及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)均不是造成低溫內(nèi)彈道工作時(shí)間超差的主要原因;因此,低溫工作時(shí)間超差的主要原因集中于催化劑對(duì)裝藥燃速的影響,本文將通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 裝藥燃速分析

加入燃速催化劑提高推進(jìn)劑燃速是目前最廣泛和最常用的一種方法,催化劑加入的量很少,卻能較大幅度地調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的燃速。鉛鹽、炭黑復(fù)合與鉛鹽單獨(dú)使用時(shí)比較,可普遍提高燃速,同時(shí)二者含量的不同對(duì)壓強(qiáng)指數(shù)的影響也不同[12]。

為驗(yàn)證裝藥中燃速催化劑對(duì)裝藥燃速的影響,對(duì)裝藥燃速性能進(jìn)行了進(jìn)一步分析,同時(shí)考慮裝藥高溫(+50 ℃)、低溫(-40 ℃)工作壓力區(qū)間的差異,分別取高溫壓力區(qū)間為5～9 MPa、低溫壓力區(qū)間為3～7 MPa,通過(guò)對(duì)成品藥柱加工成φ5 mm藥柱,采用GJB 770B—2005方法706.1對(duì)裝藥進(jìn)行了不同壓力條件下的高溫(+50 ℃)、低溫(-40 ℃)燃速和壓強(qiáng)指數(shù)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表6 低溫(-40 ℃)燃速測(cè)試結(jié)果

由表5和表6可知,兩種裝藥燃速在高溫時(shí)各壓力下燃速值相差不大,但1102批裝藥在3～7 MPa下燃速均低于1101批。由此可見(jiàn),造成1102批裝藥低溫燃燒時(shí)間超差的主要原因是該批裝藥低溫工作環(huán)境下燃速偏低。

3.2 燃速催化劑對(duì)燃速性能的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證影響裝藥低溫燃速的主要影響因素,對(duì)不同炭黑、鉛鹽含量(選取炭黑含量為0.4%、0.7%、0.1%,鉛鹽含量為2.5%、3.0%、3.5%)進(jìn)行了推進(jìn)劑的制備,并進(jìn)行了燃速性能的測(cè)試。燃速測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7和表8。

表7 高溫(+50 ℃)燃速測(cè)試結(jié)果

表8 低溫(-40 ℃)燃速測(cè)試結(jié)果

由表7和表8可知,炭黑、鉛鹽對(duì)裝藥燃速性能均有較大影響,根據(jù)裝藥燃速內(nèi)控要求(+50 ℃、6.9 MPa條件下11.8～12.45 mm/s),并考慮低溫工作時(shí)間的影響,炭黑、鉛鹽含量應(yīng)分別控制在0.1%～0.3%、3.0%～3.5%。

4 認(rèn)識(shí)與改進(jìn)效果

4.1 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制的認(rèn)識(shí)

通過(guò)上述分析與驗(yàn)證,可以認(rèn)為造成該產(chǎn)品低溫燃燒時(shí)間偏長(zhǎng)的主要原因是產(chǎn)品在低溫工作環(huán)境下燃速偏低,低溫下鉛鹽催化劑對(duì)燃速影響較大,其原始粒度分散性的大小基本上決定了催化活性的大小。

針對(duì)本產(chǎn)品出現(xiàn)的問(wèn)題,筆者認(rèn)為燃速測(cè)試時(shí)應(yīng)增加低溫低壓力區(qū)間內(nèi)多點(diǎn)測(cè)試,根據(jù)多年來(lái)的結(jié)果統(tǒng)計(jì),建議將內(nèi)控指標(biāo)修訂為+50 ℃、6.9 MPa條件下11.8～12.45 mm/s,同時(shí)測(cè)試-40 ℃時(shí)不同壓力點(diǎn)的燃速,燃速可控為-40 ℃、6.9 MPa條件下11.3 mm/s以上,并對(duì)藥柱低溫燃速進(jìn)行數(shù)據(jù)積累。

4.2 改進(jìn)效果

在1201批生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品的催化劑更換了批次并控制其配比,對(duì)燃速進(jìn)行了低溫多點(diǎn)測(cè)試。其中低溫-40 ℃、6.9 MPa條件下的燃速為11.39 mm/s,確保了產(chǎn)品性能符合技術(shù)指標(biāo)要求,內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9和表10。

表9 高溫(+50 ℃)試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)通過(guò)從原材料、催化劑成分、燃速、藥形尺寸、包覆情況以及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析及驗(yàn)證,認(rèn)為1102批裝藥低溫靜試燃燒時(shí)間超差的原因是受裝藥低溫燃速偏低的影響。

2)在產(chǎn)品批量生產(chǎn)前除了對(duì)高溫燃速進(jìn)行測(cè)試外,還需對(duì)低溫低壓區(qū)間內(nèi)燃速進(jìn)行控制,以確保內(nèi)彈道性能滿足指標(biāo)要求。

3)催化劑(炭黑、鉛鹽)是影響裝藥燃速性能的主要材料,對(duì)裝藥高、低溫燃速的控制是確保內(nèi)彈道性能合格的關(guān)鍵因素。