基于AP预处理技术的粉末推进剂性能

武冠杰, 任全彬,2, 胡春波, 马少杰, 刘林林

(1. 西北工业大学燃烧、流动和热结构国家级重点实验室, 陕西 西安 710072; 2. 中国航天科技集团公司第四研究院, 陕西 西安 710025)

1 引 言

粉末火箭发动机作为一种新概念火箭发动机[1-2],其氧化剂和燃料均采用高能量密度的固体颗粒,分别储存在各自的储箱内,具有能量管理灵活、可多次启动和关机、结构简单、发射周期短等优势,可应用于对精度和性能调节要求较高的动力装置。

美国Bell航空公司的Loftus[3]对Al/高氯酸铵(AP)粉末火箭发动机进行点火试车实验,验证了粉末发动机的可行性,得到发动机比冲效率最高达到88%,但实验中出现低频振荡燃烧现象,最小振荡幅度为±12%。西北工业大学的胡春波[4-5]等对Al/AP粉末发动机的点火及燃烧流动特性开展了实验研究和数值模拟,发现减小粉末粒径和选用恰当的燃烧室特征长度,有利于提高Al/AP的燃烧效率和缓解燃烧室内的压强振荡。但在实验中发现,小粒径粉末不利于流化输运,对粉末火箭的推进剂供给系统带来了一定难度,同时超细AP长期储存容易吸湿结团,影响粉末的使用性能。

本研究通过对AP粉末进行包覆团聚改善AP颗粒的表面特性,研究预处理AP的装填密度、吸湿性、热分解特性以及Al/AP的点火燃烧特性,为粉末火箭发动机的长期贮存和推进剂使用性能的提高奠定基础。

2 AP粉末预处理研究

2.1 预处理材料选择

拟选用端羟基聚丁二烯(HTPB)、缩水甘油叠氮聚醚(GAP)和硝化棉(NC)三种材料对AP粉末进行预处理[6-7],在保证长期储存的前提下,使其能够更好地满足粉末推进剂的性能要求,预处理材料与AP的质量比为5%、10%和15%。通过理论计算,筛选出最优预处理材料和最佳配比。

采用吉布斯最小自由能法[8],对Al/AP粉末发动机进行热力学计算。计算条件: 初始温度为300 K,燃烧室工作压强为3.44 MPa[3],喷管扩张面积比Ae/At=70,燃料和氧化剂分别为Al和预处理AP。通过比较不同组分下的燃料能量特征参数,筛选出符合要求的配方体系,计算得到不同预处理配方的理论比冲Is,如图1所示。

由图1可知,三种预处理材料对Al/AP粉末发动机的理论比冲均有一定提升作用,大小关系依次为HTPB>GAP>NC; 在HTPB含量10%且氧燃比O/F=3∶1时,Al/AP粉末发动机的理论比冲最高达262.1 s,比未经预处理(含量0%)的理论比冲提高了15.1 s,能量特性得到很大提升。

图1Al/AP粉末发动机理论比冲与预处理材料用量的关系

Fig.1The relationship between Al/AP powder rocketIsand contents of pretreatment materials

因此,考虑到预处理材料的能量特性,选用HTPB对AP进行预处理,但10%的HTPB含量只是由热力计算获得的最佳配比,而实验预处理的效果还与选用的添加剂及工艺流程等因素有关,所以还需对HTPB预处理进行实验研究。

2.2 AP粉末的HTPB预处理实验

采用5%、10%和15%的HTPB对粒径1 μm的超细AP进行预处理实验,考虑到超细AP的吸湿性,需要先对AP表面包覆再进行团聚处理。

将HTPB和甲苯二异氰酸酯(TDI)依次加入到四氢呋喃有机溶剂中充分搅拌,待完全溶解后加入超细AP粉末,恒温60 ℃搅拌使四氢呋喃缓慢蒸发,HTPB会与有机溶剂发生相分离并包覆在AP颗粒表面。待有机溶剂蒸发完后,将包覆好的AP进行滚圆处理得到球形度较好的AP团聚颗粒。放入真空环境恒温72 ℃使HTPB与添加的TDI进行缩聚反应,将AP颗粒牢牢包裹在HTPB内,经过过筛处理,即得到所需粒径的预处理AP颗粒。

2.3 密度测试

固体颗粒密度的表征分为真实密度ρ和装填密度ρ′两种,固体颗粒的真实密度可以利用密度瓶法[9]来进行测定,而装填密度是粉末颗粒在储箱中经过振实处理后的堆集密度。为了保持AP粉末推进剂试样和测定装置的温度,测试在(20±0.5) ℃的恒温室内进行,在0%、5%、10%和15%的HTPB预处理条件下,相同粒径AP(100 μm)的真实密度和装填密度与HTPB的关系如图2和图3所示。

由图2可以看出,HTPB对AP的团聚作用导致颗粒密度降低,并随着HTPB用量的增大,预处理AP的密度不断下降,15%HTPB预处理后AP的密度比纯AP粉末密度降低了7.9%。

图2AP真实密度与HTPB含量的关系

Fig.2The relationship between AP real density and HTPB content

图3AP装填密度与HTPB含量的关系

Fig.3The relationship between AP loading density and HTPB content

由图3可知,AP颗粒的装填密度随HTPB含量的增加而增加,这是因为AP颗粒在经过团聚后,单个颗粒的球形度得到改善,随着HTPB用量的增加,AP团聚颗粒表面更光滑,球形度更好,使堆积颗粒间的空隙率更低,在含量为0～15%时,随着HTPB用量的增加,AP颗粒的装填密度也有所提高。

2.4 吸湿性测试

采用吸湿率法[10]对预处理前后粉末的吸湿性进行测试,把待测样品放在相对湿度为90%的环境中让其充分吸收水分,直到测试样品所含水分达到平衡,计算公式为:

(1)

式中,W表示样品的吸湿性,%;G表示样品的原始质量,g;G1表示样品充分吸收水分后的质量,g;B表示样品原始含水百分比,%,经过干燥处理后的推进剂试样的原始含水百分比为0。

粉末推进剂中的吸湿性主要表现为氧化剂AP的吸湿作用,因此,在0%,5%,10%和15%的HTPB预处理条件下,相同粒径AP(100 μm)的吸湿性测试结果如图4所示。

图4AP吸湿性与HTPB含量的关系

Fig.4The relationship between AP hygroscopicity and HTPB content

由图4可以看出,经HTPB预处理后的AP颗粒的吸湿性较未经过处理的AP(HTPB含量0%)颗粒的吸湿性大幅下降; 而且随着包覆量的增加,预处理AP颗粒的吸湿性逐渐减小。其中采用5%HTPB预处理的AP颗粒的吸湿性已经降低至未处理的AP颗粒吸湿性的41%; 10%与15%的HTPB预处理得到的AP颗粒的吸湿性均降低至未处理的55%以下; 而且可以看出采用10%HTPB预处理得到的AP颗粒的吸湿性与采用15%预处理得到的AP颗粒的吸湿性相差不大。

随着HTPB含量的增加,AP粉末的表面包覆层增加,吸湿性能得到很大改善,但当HTPB含量增加到一定值后,包覆材料已经能够均匀包裹AP颗粒,再增加包覆量对吸湿性的改善已经非常有限,同时考虑添加过量HTPB影响粉末火箭发动机的性能,所以选用10%HTPB预处理AP进行相关实验研究。

2.5 颗粒表面特性

利用电镜扫描,对比预处理前后AP颗粒表面的形貌变化,分析HTPB预处理对AP表面特性的影响。电镜扫描的原始AP和10% HTPB预处理AP的SEM图,如图5所示。

a. unpretreated APb. pretreated APc. part of pretreated AP

图5AP粉末预处理前后的SEM照片

Fig.5SEM images of AP powder before and after pretreatment

由图5可以看出,未处理AP的晶粒外形大多呈现不规则的形状,颗粒上有大量棱角存在,颗粒间易形成盐桥造成轻微的结团; 预处理AP颗粒是由大量的表面光滑的AP经过团聚得到的,团聚颗粒表面较为平整,球形度较好; HTPB在超细AP颗粒表面都形成了一层透亮的有机物薄膜,使得放大后相区内的颗粒形态比未处理的更加清晰; 超细AP颗粒之间粘结紧密严实,无裂纹跟孔洞等缺陷。

通过SEM图可以发现,HTPB紧紧包裹每个超细AP,避免AP与空气的直接接触,可以有效降低AP粉末的吸湿性。同时,HTPB使得单个AP颗粒表面更加光滑,通过滚圆得到的团聚AP颗粒球形度也很高,在很大程度上提高了AP粉末的装填密度,从而提高AP粉末的使用性能。

2.6 热分解特性

利用热重分析仪(TG)和差示扫描量热仪(DSC)对HTPB预处理前后AP粉末的热分解特性进行测试。测试条件为: 试样质量约1.6 mg; 氩气气氛,流速为30.0 mL·min-1; 温度区间为50～500 ℃,升温速率为20.0 ℃·min-1。未处理AP和10%HTPB预处理AP的DSC-TG曲线如图6所示。

由图6可以看出,两种AP颗粒在100～270 ℃,TG曲线均没有发生明显变化,这说明270 ℃之前两种AP颗粒都是稳定的,不发生分解反应; 在250 ℃左右,这两种AP颗粒的DSC曲线均有一个吸热峰,这是AP由斜方晶向立方晶转变的结果,对比图6a和图6b可以明显看出,经过HTPB预处理后大大减小了AP晶体转变的吸热; 10%HTPB预处理使AP的低温放热峰后移20 ℃,高温放热峰前移19 ℃,使得AP的放热分解更加集中,低温放热峰值更高。

a. unpretreated AP

b. pretreated AP

图6AP粉末预处理前后的DSC-TG曲线

Fig.6DSC-TG curves of AP powder before and after pretreatment

10%HTPB对AP预处理后能够明显降低AP的吸热峰,这样可以减小粉末推进剂的点火能量,同时预处理使AP放热能量更加集中,最高放热峰值明显提升,能够提高粉末推进剂的燃烧性能。

3 Al/预处理AP粉末推进剂点火燃烧性能

3.1 实验方案

通过密闭燃烧器法[11]模拟粉末推进剂在发动机中的点火燃烧情况,选用10%HTPB预处理的AP(粒径100 μm)与100 μm的Al粉进行粉末推进剂燃烧性能测试。研究氧燃比、装填量等因素对粉末推进剂的燃温、成气量及特征速度等能量特性参数的影响规律,具体实验工况见表1。

3.2 实验装置

密闭燃烧器法实验测试系统主要由密闭燃烧器、采集测试系统及点火系统三部分组成。其中,密闭燃烧器包括密闭燃烧器壳体、盛粉器、排气阀、压力和温度测试底座及点火底座; 采集测试系统包括压力传感器、温度传感器及信号采集板卡; 点火系统包括电爆点火头和24 V直流点火电源。实验系统如图7所示。

表1密闭燃烧器实验工况

Table1Experimental conditions of closed burner

No．O/FmAP/gmAl/g1#2#3#1∶11122334#5#2∶121426#7#3∶1314．51．5

Note:O/Fis the ratio of oxidizer and fuel,mAPis the packing quality of oxidizer AP,mAlis the packing quality of fuel Al.

图7密闭燃烧器实验测试系统图

Fig.7System schematic of closed burner experiment

3.3 结果与分析

根据表1实验方案进行密闭燃烧实验,测试点火过程中密闭容器内的压力变化,待完全燃烧1 h后,对密闭容器的冷却温度和冷却压力再次进行测试。根据热损失修正法[12]对实验测得的数据进行计算,得到粉末推进剂的能量特性参数,测试结果和特性参数见表2。

由表2可以得到,对比3#、5#、7#可知,在装填总量都为6 g的情况下,O/F从1到3,燃温增加了18%,成气量增加了19.5%,特征速度增加了20%,而且粉末推进剂的点火时间变短,粉末推进剂的燃烧更加迅速; 相同氧燃比下,单位质量粉末推进剂完全燃烧的气体生成量基本相同,但燃烧温度和特征速度随着粉末推进剂装填量的增加而增加,这是因为粉末装填量的增加使生成气体的总量增大,造成密闭容器内压力升高,促进粉末推进剂的燃烧。

表2测试结果与粉末推进剂能量特性参数

Table2Measurement results and energy characteristic parameters of powder propellant

No．measurementp/MPapv/MPaTv/Ktig/scalculationTf/KVg/L·kg-1C∗/m·s-11#1．740．268309．80．1321828．5587923．92#3．820．427314．60．0902558．65771092．63#5．980．577303．80．0622864．25751169．64#2．870．280298．20．0663079．36241183．55#4．720．472304．10．0633245．16411236．26#5．470．499309．80．0373251．46721373．87#9．540．808311．20．0323403．56871404．1

Note:pis the peak of pressure,pvis the cooling pressure,Tvis the cooling temperature,tigis the ignition time,Tfis the burning temperature,Vgis the gas generating amount, C*is the characteristic velocity.

4 结 论

(1) 采用HTPB进行预处理,大大降低了AP粉末的吸湿性能,使粉末推进剂能够长期贮存,且提高了装填密度,有效改善粉末推进剂的使用性能;

(2) 考虑AP的预处理工艺和过量HTPB影响粉末火箭发动机的性能,综合得到HTPB的用量占预处理AP颗粒质量的10%时为最佳配比,10%HTPB预处理能够明显减小AP的吸热峰,并使AP的两次放热更加集中,有效降低粉末推进剂的点火能量,提高了粉末推进剂的点火燃烧性能;

(3) 在氧燃比O/F为1～3的情况下,随着氧燃比的增加,粉末推进剂的点火更快,各项能量特性参数均有所增大,且在相同氧燃比下,随着粉末装填量的增加,燃烧温度和特征速度也有所增加。

参考文献:

[1] Foote J P, Litchford J. Powdered magnesium carbon dioxide combustion for mars propulsion[R]. AIAA 2005-4469.

[2] Chao Li, Chunbo Hu, Xin Xin, et al, Experimental study on the operation characteristics of aluminum powder fueled ramjet[J].ActaAstronautica, 2016, 129: 74-81.

[3] Loftus H J, Montanino L N, Brynule K C. Powder rocket feasibility evaluation[R]. AIAA 1972-1162.

[4] Deng Zhe, Hu Chun-bo, Yang Jian-gang, et al. Analysis on the combustion characteristics of metal/AP mixtures by using emission spectroscopy[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2016, 39(1): 43-47.

[5] 李悦, 胡春波, 孙海俊, 等. 粉末火箭发动机燃烧室燃烧流动特性研究[J]. 固体火箭技术, 2014, 37(6): 792-796.

LI Yue, HU Chun-bo, SUN Hai-jun, et al. Study on flow and combustion characteristics in the thrust chamber of powder rocket[J].JournalofSolidRocketTechnology, 2014, 37(6): 792-796.

[6] 张教强, 庞维强, 张琼方, 等. AP包覆超细硼粉的改进方法[J]. 含能材料, 2007, 15(4): 382-386.

ZHANG Jiao-qiang, PANG Wei-qiang, ZHANG Qiong-fang, et al. Improvement for AP coating superfine boron powder[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2007, 15(4): 382-386.

[7] 杨荣杰, 刘百飞, 谭惠民. 包覆高氯酸铵及其燃烧特性研究[J]. 兵工学报, 1999, 20(4): 306-309.

YANG Rong-jie, LIU Yun-fei, TAN Hui-min. Studies of coated ammonium perchlorate particle and its combustion property[J].ActaArmamentarii, 1999, 20(4): 306-309.

[8] Dan V N, Susana G, Eduardo L. Multiphase equilibria calculation by direct minimization of Gibbs free energy with a global optimization method[J].ComputersandChemicalEngineering, 2002, 26(3): 1703-1724.

[9] 庞维强, 樊学忠. 不同粒径团聚硼颗粒的堆积密度研究[J]. 含能材料, 2010, 18(3): 304-308.

PANG Wei-Qiang, FAN Xue-zhong. Bulk density of different sizes of agglomerated boron particles[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2010, 18(3): 304-308.

[10] GB/T16913.6-1997, 粉尘物性试验方法 第6部分: 吸湿性的测定—吸湿率法[S].

GB/T16913.6-1997, Methods of dust character test—Part 6: Determination of hygroscopy—Hygroscopicity method[S].

[11] 刘宏成. 密闭燃烧器法的实验研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2003.

LIU Hong-cheng. Experimental study on closed burner method[D]. Xi′an: Northwestern Polytechnical University, 2003.

[12] 胡松启, 徐秋丽, 陆俊年, 等. 定容燃烧器法热损失影响因素研究[J]. 兵工学报, 2011, 32(12): 1540-1546.

HU Song-qi, XU Qiu-li, LU Jun-nian, et al. Effect of heat loss factors on constant volume burner method[J].ActaArmamentarii, 2011, 32(12):1540-1546.