GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响因素

周晓杨，唐 根，庞爱民，徐星星

(湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003)

2016-09-13；

2017-02-27。

周晓杨(1990—)，男，硕士，主要从事高能推进剂研究。E-mailzxy20103165@163.com

GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响因素

周晓杨，唐 根，庞爱民，徐星星

(湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003)

采用水下声发射法测试了推进剂静态燃速，用线性回归法计算了推进剂燃速压强指数；研究了GAP/CL-20高能固体推进剂中增塑比及固体组分AP、CL-20、Al粉粒度等配方组成因素对燃烧性能的影响。研究结果表明，增塑比一定范围内的变化不会对推进剂燃烧性能产生显著影响，其燃速和燃速压强指数基本不变；CL-20粒度减小或AP粒度增加均会导致燃速不同程度的降低，Al粒度减小也会使燃速减小，但在达到一定程度后，燃速又增加；推进剂燃速压强指数随CL-20、Al粉粒度减小和AP粒度增加而减小，并对其燃烧性能的影响机制进行了简单分析。

高能固体推进剂；增塑比；粒度级配；燃速；燃速压强指数

0 引言

能量水平一直是固体推进剂综合性能中最为重要的指标之一[1]，固体推进剂经历了双基推进剂、HTPB复合推进剂、NEPE推进剂等体系的发展，而新型高能量密度材料的出现和发展为进一步提高推进剂能量水平提供了有效途径。CL-20是迄今为止能量和密度最高的单质炸药，GAP也是一种能量高、热稳定性好的含能聚合物；将CL-20和GAP同时引入到能量和力学性能优异的NEPE推进剂中，对该高能固体推进剂能量的提高是一个极大推动，这已成为当前高能固体推进剂的研究热点之一[2-5]；在此背景下，通过含能材料CL-20取代HMX，含能聚合物GAP取代非含能的PEG，形成了新一代GAP/CL-20高能固体推进剂配方体系。

本文主要是研究GAP/CL-20高能固体推进剂中增塑比、固体组分粒度等对燃烧性能的影响，简要分析其影响机制，为后续推进剂燃烧机理研究和燃烧性能调控提供技术基础。

1 实验

1.1 主要原材料和仪器设备

1.1.1 原材料规格及生产厂家

CL-20(ε型)为75、60、20、16 μm，375厂；AP为Ⅱ类、Ⅲ类、IV类，大连北方氯酸钾厂；粘合剂体系GAP/NG/BTTN，湖北航天化学技术研究所；Al粉为Q1(29±3)μm、Q3(13±2)μm、Q4(6±1.5)μm、Q5(2±1)μm，西安航天化学动力厂。

1.1.2 仪器设备

VKM-5型立式捏合机；固体推进剂燃速测控仪。

1.2 推进剂样品制备及燃速测试

1.2.1 推进剂基础配方

实验所用GAP/CL-20高能固体推进剂基础配方组成见表1。

表1 GAP/CL-20高能固体推进剂基础配方组成

1.2.2 样品制备及燃速测试

(1)样品制备：根据固体推进剂配方设计要求，准确称量原材料，进行预混、混合、浇注、固化等工序，制备的具体操作参见《复合固体推进剂》。

(2)燃速测试：按QJ 1113《复合固体推进剂性能测试用试样》进行燃速测试用标准药条的制备，参照GJB 770B—2005《火药试验方法》进行燃速测试；测试温度为25 ℃，每批样品选取4个压强点，每个压强点下的测试不少于3根药条，求出推进剂的平均燃速；再根据维耶里燃速方程rp=bpn，用线性回归法求出燃速压强指数。

2 结果与讨论

2.1 GAP/CL-20高能固体推进剂的基础燃速

GAP/CL-20高能固体推进剂的燃速和燃速压强指数见表2，同时还列举了PEG/HMX高能固体推进剂的燃速和燃速压强指数与之进行对比。由表2可知，GAP/CL-20高能固体推进剂燃速和燃速压强指数均高于PEG/HMX高能固体推进剂；推进剂燃速压强指数为0.74；7 MPa下燃速为16.94 mm/s。

分析认为[6-7]，HMX热分解中，N—NO2均裂降低了C—N键断裂的能垒，而CL-20热分解中N—NO2均裂后的分子骨架可通过自由基重排而形成多重键，从而使C—N键稳定化。因此，CL-20热分解气相产物中NO2的比例高，N2O的比例少。由于NO2对硝酸酯分解有自催化作用，所以含硝酸酯推进剂的燃速高；且压力升高，自催化作用加剧，中高压下CL-20固体推进剂的燃速增幅要高于低压下的燃速增幅，所以含CL-20固体推进剂的燃速压强指数高。另外，不同于非含能的PEG，GAP为含能聚合物，具有高的生成热，分解时释放的热量高；故GAP和CL-20两者的共同作用使得GAP/CL-20高能固体推进剂具有高于NEPE推进剂的燃速及燃速压强指数。

表2 GAP/CL-20和PEG/HMX高能固体推进剂的基础燃速和压强指数

2.2 增塑比对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响

增塑比对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能的影响见表3。

表3 增塑比对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响

由表3可知，增塑比一定范围内的变化不会对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能产生显著影响，其燃速及燃速压强指数均没有较大变化。说明在GAP/CL-20高能固体推进剂中，含能粘合剂GAP与硝酸酯增塑剂NG/BTTN对推进剂的燃速影响是一致的。

2.3 固体组分粒度对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响

2.3.1 Al粉粒度

国内外研究[8-9]都表明，金属粉粒径是决定其在固体推进剂中作用效果的关键因素之一，影响着固体推进剂燃烧性能。

Al粉粒度对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响见表4。由表4可知，随Al粒度减小，GAP/CL-20高能固体推进剂的燃速压强指数一直下降，由0.71下降到0.66；而推进剂的燃速先下降、后升高，7 MPa下，燃速由16.26 mm/s下降到14.39 mm/s后，又升高到16.71 mm/s。

表4 Al粒度对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响

Al粉粒度在微米尺度变化时，粒度减小，其在燃面的凝聚程度增加，表面形成的铝滴增大，燃烧时间增加，燃烧不完全损失增加，燃烧效率降低，燃速下降。当粒度继续减小到接近纳米尺寸(<3 μm)而具有纳米效应时，此时粒度减小会导致比表面积急剧增大，增加了与气态反应物发生反应的机会，使得其氧化反应更加完全。因此，对推进剂燃面的热反馈增大，从而导致推进剂燃速升高。使用Q5时，推进剂燃速压强指数下降的原因是具有纳米效应的Q5的燃烧发生在距离燃烧表面较近区域，不同压力下，其向燃烧表面的热反馈相差不大，即压强对推进剂高低压下燃速变化的影响很小，因而其燃速压强指数较小。

2.3.2 AP粒度

AP粒度对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能的影响见表5。

表5 AP粒度对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响

由表5可知，随AP粒度减小，GAP/CL-20高能固体推进剂的燃速压强指数下降，由0.72降到0.68，特别是IV类AP的降指效果明显；推进剂的燃速升高，7 MPa下的燃速由13.21 mm/s升高到27.32 mm/s。

AP粒度减小导致比表面积增大，有利于AP热分解产生的氧化性气体与粘合剂热分解产生的还原性气体的反应以及凝相放热反应的进行。因此，AP在推进剂燃烧表面附近的放热量增加，反馈给燃面附近的热量也随之增加，从而使燃速升高；细粒度AP含量增加时，随着压力升高，AP对燃速的影响逐渐减小，因而导致了推进剂燃速压强指数的下降。

2.3.3 CL-20粒度

CL-20粒度对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能的影响见表6。

表6 CL-20粒度对GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响

由表6可知，随CL-20粒度减小，GAP/CL-20高能固体推进剂燃速压强指数下降，由0.76降到0.66；推进剂燃速也下降，7 MPa下，燃速由16.56 mm/s降到13.56 mm/s。

一般地，硝铵粒度增大会使推进剂的间隙增大，从而使推进剂燃烧表面的凹凸程度增加，而燃面变化越大，推进剂的燃速越高。此外，由于推进剂燃烧时，粘合剂体系受热后会熔化，而CL-20粒度小的，粘合剂体系的熔化液会更容易流动到其表面对其进行覆盖，从而造成局部熄火，使燃速降低。因此，粗粒度CL-20的燃速较细粒度CL-20的燃速高。由于被粘合剂体系熔化液覆盖后的CL-20颗粒的热分解受压强的影响减小，故推进剂的燃速压强指数下降。

2.4 GAP/CL-20推进剂燃速主导作用GDF模型分析

根据复合固体推进剂燃烧形态的粒状扩散火焰(GDF)模型，复合固体推进剂的燃速也可由式(1)进行计算：

p/r=a+bp2/3

(1)

式中p为压强；a为化学反应时间参数，反映化学反应速率对推进剂燃速的控制程度，与推进剂的性质，特别是初始温度T0有关；b为扩散混合时间参数，反映扩散混合速度对推进剂燃速的控制程度，主要与氧化剂的粒度有关。

根据表4～表6中测试所得的数据，计算各配方的p/r和p2/3值，并利用线性回归拟合的方法，求得相应的a、b值及相关系数R，并计算a/b值，列于表7。

配方p/rp2/3=2.080p2/3=2.92p2/3=3.659p2/3=4.327aba/bRAl(Q1)0.3360.3940.4310.4600.2270.0554.1270.994Al(Q3)0.3410.3920.4330.4720.2210.0583.8100.999Al(Q4)0.3550.4360.4860.5080.2120.0713.6670.969Al(Q5)0.3140.3990.4190.4600.1960.0623.1770.971APd50=210μm0.4200.5020.5300.5760.2910.0674.3430.985APd50=140μm0.3670.4010.4760.4970.2330.0623.7580.979APd50=96μm0.2990.3180.3800.4040.1870.0503.7400.974APd50=52μm0.2350.2530.3080.3390.1260.0492.5710.977APd50=7μm0.1990.2080.2560.2850.1040.0412.5370.970CL-20d50=75μm0.3310.3620.4230.4310.2290.0484.7710.971CL-20d50=60μm0.3360.3810.4340.4710.2060.0613.3770.998CL-20d50=20μm0.3670.3920.4780.5230.2000.0732.7400.973CL-20d50=16μm0.3710.4170.5160.5380.1990.0802.4880.976

由表7中p/r与p2/3的计算数据及对所得到的数据进行线性拟合的结果，可得出如下结论：

(1)GAP/CL-20高能固体推进剂的p/r与p2/3呈线性关系，且线性回归相关系数R值很高，a值均为正，表明GAP/CL-20高能固体推进剂的燃烧机理能较好符合GDF理论。

(2)Al粉、AP及CL-20粒度减小时，a/b均降低，表明三种固体粒度减小时，均是扩散混合速度对推进剂燃速起主要作用。

3 结论

(1)GAP/CL-20高能固体推进剂的增塑比在一定范围内的变化，不会对其燃烧性能产生显著影响，其燃速和压强指数均基本保持不变。

(2)GAP/CL-20高能固体推进剂中AP粒度增加、CL-20粒度减小，均使燃速有不同程度的下降，Al粉粒度减小也会使燃速下降，但在超过一定程度后又升高，且下降和升高的幅度均很小；推进剂的压强指数在AP粒度增加及CL-20、Al粒度下降时一直下降。以上结果表明，在GAP/CL-20高能推进剂中，AP和CL-20的粒度变化是影响其燃烧性能的主要因素。

(3)GAP/CL-20高能固体推进剂中，AP、CL-20、Al粉固体颗粒的粒度减小时，扩散混合的速度均对推进剂的燃速起主要作用。

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StudyoncombustionperformancesofGAP/CL-20high-energysolidpropellants

ZHOU Xiao-yang，TANG Gen，PANG Ai-min，XU Xing-xing

(The Institute of Aerospace Chemistry and Technology，Xiangyang 441003，China)

The effect of the main formation factors,such as the plasticized ratio,the particle sizes of Al,CL-20,AP on the combustion performances of GAP/CL-20 based high-energy solid propellants was studied by determination of burning rates and the calculation of the pressure exponents.Results show that they have little effect on the combustion performance when the plasticized ratio changes within a certain range.Decrease of the particle size of CL-20 or increase of the particle size of AP would decrease the burning rate at different degrees. By decreasing of the particle size of Al,the burning rate decrease first as well,and increases when the size overpasses a certain range.The pressure exponent decreases with the decreases of the particle size of Al,CL-20 and the increase of the particle size of AP.The inherent mechanisms of combustion performance was also simply analyzed.

high-energy solid propellant；plasticized ratio; particle size；burning rate；pressure exponent

V512

A

1006-2793(2017)05-0592-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.05.010

(编辑：刘红利)