燃料组分对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

推进剂的配方从 本 质 上 决 定 着 其 燃 烧 性 能， 含硼
收稿日期：2011 -10 -08 ；修回日期：2012 -02 -19 基金项目：武器装备预研基金项目﹙ 9140 c520107110 c52 ﹚ 作者简介：刘林林﹙ 1984 − ﹚ ， 博士研究生， 主要从事含硼富 燃 料 推 进 剂 工艺与燃烧机理研究。 e -m ail ：viola7788521 @ yahoo . com . cn
4. 3
硼对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响 由表 1 、 表 2 中 3 # ~ 5 # 样 品 可 见， 配方组成相同
Table 2
sample 1# 2# 3# 4# 5# 6#
时， 硼粉粒径对推 进 剂 爆 热 等 性 能 的 影 响 不 同。 与 硼 粉粒度 为 130 ~ 150 μ m 的 3 # 样 品 或 50 ~ 70 μ m 的 粒 度为 90 ~ 110 μ m 的 4 # 样品 的 爆 热 及 5 # 样品相比， 燃烧温度较高， 成气率较低。即当硼粉粒度适中时， 推 进剂的爆热值及燃烧温度均较高但成气率较低。这主 要是因为硼粉的熔点较高， 含硼富燃料推进剂燃烧时， 硼粉的燃烧反应主要是凝聚相反应， 反应速率较低， 而 且硼的表面包覆着一 层 硼 的 氧 化 物， 使硼粉的燃烧变 得比较困难。当硼粉 的 粒 度 较 粗 时， 硼粉的比表面积 较小， 而燃面的弧厚 却 较 大， 当 推 进 剂 燃 烧 结 束 后， 参 与燃烧反应的硼粉 比 例 较 低， 从而造成推进剂爆热值 和燃烧温度均较低， 由于参与反应的硼的比例降低， 使 得推进剂 中 的 氧 元 素 能 更 多 地 与 其 它 组 分 发 生 反 应 ﹙ 特别是 HTPB﹚ ， 从而使成气率升高。 由于硼粉表面 需 包 覆 一 定 量 的 氧 化 剂， 以避免因 硼粉与粘结剂体系相 容 性 较 差 而 造 成 的 工 艺 困 难， 因 此当硼粉的粒度较细时， 硼的比表面积较大， 包覆硼粉 所用的氧化剂含量也较高， 当氧化剂总含量一定时， 分 散在推进剂中孤立的氧化剂含量便相应地减少。推进 剂燃烧时， 一方面， 虽然更多的硼粉接触到氧化剂使硼 粉的氧化程度得以 提 高， 但由于推进剂的燃烧温度较 低， 硼粉总的氧化程度依然较低， 硼粉反应程度的提高 对推进剂的放热 量 提 升 效 果 有 限。 另 一 方 面， 分散于 推进剂中的氧化剂含量的减少对推进剂其它组分的燃 烧反应有较大的影 响， 尤其会使镁铝合金的燃烧更加 不完全， 促使推进 剂 的 燃 烧 温 度 及 爆 热 下 降。 两 种 影 响叠加使含粗粒度硼的富燃料推进剂的爆热和燃烧温 度均较低。另外， 这两方面因素也使留在推进剂 中 AP 分解产物的量减少， 使成气率升高。 由 3 # 和 6 # 试样的实验结果可知， 当含 硼富燃 料推 进剂中硼粉的含量高﹙ 氧化剂 AP 的含量低 ﹚ 时， 爆热、 成气率较低， 而燃 烧 温 度 较 高。 这 是 因 为 硼 粉 含 量 增 加， 虽然推进剂潜在的总能量随之增大， 但由于氧化剂 含量随之减少， 从而 使 推 进 剂 潜 在 的 能 量 得 不 到 有 效 发挥， 降低了其它各 组 分 氧 化 程 度， 因 此 爆 热、 成气率 均较小。由于硼的燃 烧 温 度 较 高， 故当硼的含量增大 时， 推进剂的燃烧温度有所升高。
固体火箭冲压 发 动 机 以 富 燃 料 推 进 剂 作 为 能 源， 而含硼富燃料推进剂 作 为 富 燃 料 推 进 剂 的 一 种， 以其 高质 量 能 量 密 度 ﹙ 58 . 74 kJ ・ g − 1 ﹚ 和体积能量密度 ﹙ 137 . 45 kJ・ cm
−3
﹚ ， 使添加了硼的含硼富燃料推进
3 −5］ 。 燃烧性能进行研究具有重要意义 ［
2
试样准备
当前， 含硼富燃料推进剂 中的 硼粉含量 约为 25 %
~ 35 % ， 是含硼富燃料推进剂中含量最高的金属燃 料。因此研究硼对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的 影响非常重要。另外， 为了改善含硼富燃料推进剂的 点火及燃烧性能， 要加入其它燃烧温度较高且燃烧较 容易的金属燃料， 一般选择镁、 铝或镁铝合金。镁虽然 燃烧热值较低， 但其 具 有 较 高 燃 烧 温 度 及 良 好 的 点 火 性 能， 且单位质量的镁燃烧完全所需氧的质量较低 ﹙ 即耗氧量较低﹚ ， 能够使推 进 剂 中 本 来 就 极 为 缺 乏 的 氧元素发挥最大 作 用。 虽 然 铝 的 燃 烧 温 度 较 低， 点火 性能较差， 而且单位质量铝的耗氧量比镁高， 但铝比镁 的燃烧热值高。考虑 到 镁 和 铝 各 自 的 优 缺 点， 更多情 况下含硼富燃料推进剂中添加镁铝合金来改善其燃烧 性能。为了说明金属组分对含硼富燃料推进剂燃烧性 能的影响， 制备了 6 种含硼富燃料推进剂的配方， 各配 方的组分见表 1 。
CH INESE J O URNAL O F ENERG ETIC M ATERIALS
含能材料
2012 年
第 20 卷
第4 期
（ 475 − 478 ）
476 表1 样品组分 Com ponent of the sam ple
HTPB AP /% /% 29 29 29 29 29 29 33 33 33 33 33 29 B /% 33 33 33 33 33 37 Al /% 5 0 0 0 0 0 Mg /% 0 5 0 0 0 0 Mg-Al /% 0 0 5 5 5 5 grain size of boron / μ m 130 ~ 150 130 ~ 150 130 ~ 150 90 ~ 110 50 ~ 70 130 ~ 150
燃料组分对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响
网络出版时间：2012-07-23 09:18 网络出版地址：/kcms/detail/.20120723.0918.008.html
475
文章编号：1006 -9941 ﹙ 2012 ﹚ 04 -0475 -04
N ote ：m agnaliu m ﹙ Mg Al = 1 1 ﹚ .
3
3. 1
含硼富燃料推进剂一次燃烧参数的测试
爆热 Q v 采用 改 进 型 的 GR3500 型 热 量 仪 进 行 燃 烧 热 测
试， 其主要由恒温系统、 点火系统、 氧弹系统、 数据采集 处理系统四大部 分 组 成。实 验 时， 称取 3 g 左右的含 硼富燃料推进剂试样 置 于 坩 埚 中， 在对试样缠绕点火 丝后装配好氧弹， 然后对氧弹连续充放 3 次氩气， 以排 出氧弹内的空气。点 火 后， 对采集到的温度信息采用 精确度高的冷却校正 原 理 进 行 处 理， 得到试样的爆热 值。每个试样最少进行 5 次 平 行 实 验， 以每次实验结 果的平均值作为试样的实测爆热值。 3. 2 燃烧温度 Tf 对含硼富燃料推进剂的燃烧温度采用在推进剂中 埋置钨铼热电偶的方法进行测试。将含硼富燃料推进 剂 切成尺寸为 7 m m × 7 m m × 30 m m 的长方体药条， 并使用专用刀具将已焊接好的钨铼热电偶埋置于试样 内， 具体方 法 可 参 考 文 献 ［ 6］ 。将埋置好热电偶的药 条侧面用包覆液﹙ 聚乙烯醇缩 丁醛 8 % ， 乙 醇 92 % ﹚ 进 行包覆， 然后置于密 闭 燃 烧 器 中 并 充 入 一 定 压 强 的 氮 气﹙ 本研究充入氮气为 1 MPa ﹚ ， 点 燃 药 条。将 测 得 的 电压值按热电偶分度 表 转 换 为 温 度 值， 并取最高温度 作为试样的燃烧温度。 3. 3 成气率 η 所谓成气率， 即推进剂燃烧后气相物质的质量占 燃烧前推进剂 质 量 的 百 分 比， 记 为 η。 本 研 究 所 用 的 成气率测试装置如图 1 所 示。 此 装 置 由 点 火 部 分、 燃 烧器部分及过滤 部 分 组 成。 过 滤 器 内 装 有 过 滤 物 质， 其功能是阻止燃烧生 成 的 固 相 产 物 通 过， 而使气相产 物可以顺利排出， 实验时可综合实验情况确定过滤器 的个数， 为保证过滤效果又提高测试的准确度， 一般选 择三个过滤器为宜， 每个过滤器间置有带孔的挡板以 阻止各过滤器内的过 滤 物 质 移 动， 同时形成不同的过
剂的能 量 达 到 30 kJ・ g − 1 以 上， 而有望成为未来固体
1 −2］ 火箭冲压发动机的最佳能源 ［ 。
固体火箭冲压发动机由燃气发生器、 进气道、 补燃 室、 冲压喷管等部件组成， 含硼富燃料推进剂在燃气发 生器中进行一次燃烧， 由于燃气发生器中几乎无氧， 因 此一次燃烧是含硼富燃料推进剂依靠自身的氧来维持 其燃烧。由于含硼富 燃 料 推 进 剂 的 氧 系 数 较 小 ﹙ 一般 为 0. 2 ~ 0. 3﹚ ， 因此一次燃烧是推进剂的不完全燃烧， 生成的大多数都是燃烧的中间产物。一次燃烧产物经 一次喷射进行入到补燃室中与发动机吸入的压缩空气 反应， 形成含硼富 燃 料 推 进 剂 的 二 次 燃 烧。 由 含 硼 富 燃料推进剂的燃烧过 程 可 知， 含硼富燃料推进剂的一 次燃烧是其二次燃烧 的 基 础， 同时为二次燃烧提供燃 料和初始燃烧条件， 因此对含硼富燃料推进剂的一次
13 — propellant ，14 — back plate
4
4. 1
实验结果与讨论
实验结果 含硼富燃料推进剂燃烧的实验结果见表 2 。
燃料组分对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响
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表2
各推进剂样品燃烧实验结果 Experim ental results of com bustion of the propellant
1
引
言
富燃料推进剂组分 较 多， 每种组分都不同程度地影响 着推进剂燃烧的燃 烧 性 能， 而对于配方特别是金属组 分对一次燃烧的影响， 到目前为止尚未有文献进行系 统的报道。本研究从 配 方 的 角 度 出 发， 通过测定不同 金属组分推进剂的一 次 燃 烧 各 参 数， 较为系统地探索 了金属组分对含硼 富 燃 料 推 进 剂 一 次 燃 烧 ﹙ 以下简称 燃烧﹚ 性能的 影 响， 结果可以为含硼富燃料推进剂配 方的选择及燃烧规律的研究提供帮助与参考。