楊立波，周 瑞

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065）

引 言

低燃速推進(jìn)劑主要用于各類燃?xì)獍l(fā)生器，用于各類制導(dǎo)武器的控制系統(tǒng)，隨著遠(yuǎn)程打擊、精確制導(dǎo)發(fā)展的需求，要求燃?xì)獍l(fā)生器工作時(shí)間長，燃?xì)鉂崈簦細(xì)鉁囟鹊停?－2］。雙基低燃速推進(jìn)劑具有壓強(qiáng)指數(shù)小、燃?xì)鉂崈?、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，可用于各類燃?xì)獍l(fā)生器。燃?xì)獍l(fā)生器對(duì)推進(jìn)劑的燃燒性能要求高［3－5］，因此燃燒性能調(diào)節(jié)技術(shù)顯得十分關(guān)鍵。

降低雙基推進(jìn)劑燃速可以通過在配方中加入降速劑實(shí)現(xiàn)，最常用的降速劑有共聚甲醛（POM）、蔗糖八醋酸酯（SOA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、RDX 和HMX 等。國內(nèi)外在低燃速推進(jìn)劑配方中多采用一種降速劑，主要采用燃燒催化劑來降低壓強(qiáng)指數(shù)，對(duì)既能降低燃速又能降低壓強(qiáng)指數(shù)的復(fù)合降速劑研究較少。本試驗(yàn)通過研究兩種降速劑POM和SOA的配比對(duì)低燃速推進(jìn)劑燃燒性能的影響，實(shí)現(xiàn)了在其他組分不變的情況下，采用兩種降速劑就可以調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的燃速、壓強(qiáng)指數(shù)及能量（燃溫），并取得了較好的效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 材料及儀器

恒壓燃速測試儀，西安航天遠(yuǎn)征流體控制有限公司；DSC910s差示掃描量熱儀，美國TA 公司；JSM－5800掃描電鏡，日本電子公司；牛津LINK ISIS能譜儀聯(lián)合分析系統(tǒng)。

硝化棉（NC）、硝化甘油（NG）、增塑劑（TA）、安定劑（C2）、凡士林（V）、催化劑（Ct）、共聚甲醛（POM）、蔗糖八醋酸酯（SOA）等均為市售。

1．2 推進(jìn)劑樣品的制備

推進(jìn)劑由硝化棉、硝化甘油、增塑劑、安定劑、凡士林、催化劑和降速劑組成，配方見表1。其中降速劑為蔗糖八醋酸酯（SOA）和共聚甲醛（POM），總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%。采用雙基推進(jìn)劑無溶劑壓伸工藝，經(jīng)過吸收、驅(qū)水、放熟、壓延等工序，制成5mm×5mm×120mm 藥條。

1．3 性能測試

將燃速藥條用聚乙烯醇溶液浸漬包覆晾干后制得燃速試樣，使用充氮?dú)夂銐喝妓贉y試儀，按照GJB770B－2005方法706．1 燃速－靶線法測試推進(jìn)劑燃速。

采用差示掃描量熱儀測試推進(jìn)劑配方恒壓熱分解性能，氮?dú)饨橘|(zhì)，試驗(yàn)用量2．0mg，升溫速率10℃／min。分別研究了3MPa和6MPa推進(jìn)劑吸熱峰變化。

采用接觸導(dǎo)熱法（銅柱法）獲得熄火試樣，燃燒熄火在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行，分別在3MPa和6MPa進(jìn)行熄火，用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀聯(lián)合分析系統(tǒng)觀測樣品熄火表面的形貌，測試表面成分。

表1 推進(jìn)劑配方Table 1 Formulation of propellant

2 結(jié)果與討論

2．1 復(fù)合降速劑對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響

在其他組分和含量不變的情況下，按照表1的配方調(diào)整降速劑的配比。20℃下，推進(jìn)劑燃速的實(shí)測值和爆熱理論計(jì)算值見表2，不同壓強(qiáng)區(qū)間的壓強(qiáng)指數(shù)見表3。

表2 推進(jìn)劑燃速的實(shí)測值和爆熱的計(jì)算值Table 2 Tested burning rates and calculated heat of detonation of propellants

表3 不同壓強(qiáng)范圍下推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)Table 3 The pressure exponents of propellant in different pressure ranges

從表2和表3可以看出，單獨(dú)采用SOA作為降速劑時(shí)，推進(jìn)劑在4MPa 的燃速大幅度提高，與11MPa燃速相當(dāng)，同時(shí)降低了6～7MPa的燃速，4～6MPa下的壓強(qiáng)指數(shù)大幅度降低。與SOA相比，采用POM作降速劑時(shí)，除了4MPa外，6～15MPa的燃速均有提高，只是在6～7MPa的壓強(qiáng)范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓強(qiáng)指數(shù)，4～7MPa出現(xiàn)平臺(tái)效應(yīng)?？梢钥闯觯琒OA降速劑具有明顯的降低低壓區(qū)壓強(qiáng)指數(shù)的作用。

在降速劑總量不變的情況下，隨著SOA含量的減少和POM含量的增加，4MPa燃速逐漸降低，4～6MPa的燃速逐漸提高，麥撒燃燒效應(yīng)向6～7MPa移動(dòng)，并逐漸轉(zhuǎn)為平臺(tái)燃燒效應(yīng)，從而使平臺(tái)效應(yīng)的壓強(qiáng)區(qū)域加寬。結(jié)果表明，降速劑SOA與POM存在一個(gè)最佳比，當(dāng)POM與SOA的質(zhì)量比為0．5～2時(shí)，推進(jìn)劑的燃速最低，且燃速變化不大。

由表2還可以看出，隨著SOA含量的降低，推進(jìn)劑的爆熱呈增加趨勢，其原因是在對(duì)推進(jìn)劑爆燃貢獻(xiàn)方面，POM的β值（－20．01J／g）高于SOA的β值（－43．98J／g）。因此，采用SOA與POM兩種對(duì)能量影響不同的降速劑，可以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑燃速、壓強(qiáng)指數(shù)、平臺(tái)范圍和爆熱的調(diào)節(jié)。

2．2 推進(jìn)劑的熱分解性能

采用DSC法研究了降速劑對(duì)推進(jìn)劑熱分解性能的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 降速劑及推進(jìn)劑樣品的DSC曲線Fig．1 DSC curves of decelation agents and propellant samples

從圖1（b）可以看出，POM的熔程在155～180℃，168．83℃的峰是POM的熔化峰，由于POM相對(duì)分子質(zhì)量不均勻，在240～410℃形成了較寬的分解溫度區(qū)間，378．74℃為POM吸熱分解的主峰。SOA的熔點(diǎn)為85．04℃，285．34℃和314．62℃是SOA的分解吸熱峰。從圖1（b）還可以看出，SOA的熔點(diǎn)低，POM的熔程較高，POM對(duì)SOA的熔 化吸熱峰影響不大，但SOA溶化后，使POM的熔點(diǎn)峰值下降到151．63℃。338．36℃是兩者共同形成的分解吸熱峰，對(duì)于POM來說，峰值前移，對(duì)于SOA來說，峰值后移。兩者的配比改變了吸熱峰值，影響推進(jìn)劑的燃燒性能。

從圖1（a）上看不到POM和SOA的熔化和分解吸熱峰，主要原因如下：一是與硝化棉和硝化甘油相比，降速劑的含量少，二是硝化甘油的分解放熱掩蓋了POM和SOA的熔化和分解吸熱峰［6］，硝化棉在常壓下分解溫度為192．6℃，在降速劑熔化和分解吸熱的影響下，推進(jìn)劑的分解峰值后移到200℃以上，降低了推進(jìn)劑的燃速；從圖1（a）還可以看出，R1中SOA含量較高，兩個(gè)放熱峰之間的距離近；R6配方中POM含量較高，兩個(gè)放熱峰之間的距離增加，兩者的配比變化實(shí)際上是改變放熱分解峰的位置，在此過程中，推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)發(fā)生了變化。

2．3 推進(jìn)劑燃燒熄火表面分析

將R1、R3、R6樣品燃燒后分別在3MPa 和6MPa下熄火，用SEM對(duì)樣品進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖2。用能譜儀對(duì)推進(jìn)劑樣品燃燒熄火表面成分進(jìn)行分析，元素組成見表4。

表4 推進(jìn)劑熄火表面元素組成Table 4 Element of quenched surface of different propellants

由圖2可以看出，燃燒熄火表面有很多空洞，在空洞外面形成網(wǎng)狀和熔融狀的結(jié)構(gòu)，熔融狀與降速劑熔化分解有關(guān)。Pb、Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0．016%和0．005%。由表4可知，熄火表面元素中Pb、Cu元素的含量遠(yuǎn)高于其在推進(jìn)劑中配方中的含量，說明燃燒表面是催化劑的密集區(qū)，并形成鏈狀、短枝狀，成為催化中心，對(duì)推進(jìn)劑的燃燒起催化作用［7－8］。降速劑的熔化分解影響燃燒表面溫度，在不同的壓強(qiáng)下，形成的球體大小分布不同，熄火表面元素（特別是催化劑）含量也不同。因此，上述因 素都會(huì)影響推進(jìn)劑的燃燒性能。

圖2 推進(jìn)劑燃燒熄火表面形貌（×500）Fig．2 Morphology of quenched surface of propellants

3 結(jié) 論

（1）改變POM和SOA兩種降速劑的配比，可以降低雙基低燃速推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)，調(diào)整推進(jìn)劑的燃速。當(dāng)POM與SOA質(zhì)量比為0．5～2．0時(shí)，推進(jìn)劑燃速最低，且變化不大。利用降速劑能量影響不同，可以通過配比調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的能量。

（2）兩種降速劑的熔化和分解吸熱作用，影響了推進(jìn)劑中含能組分的起始分解溫度，改變了推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)。

（3）燃燒熄火表面形成熔融狀的圓顆粒和多孔的網(wǎng)狀骨架，表明催化劑在燃燒熄火表面大量富集，降速劑品種和含量與催化劑的共同作用使推進(jìn)劑的燃燒性能發(fā)生改變。

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