改性双基推进剂辐射点火及燃烧性能研究

刘高亮，吴浩然，王月丽，王 斌，许进升

(1.山西北方兴安化学工业有限公司， 太原 030008； 2.中国航发沈阳发动机研究所， 沈阳 110074; 3.南京理工大学 机械与工程学院， 南京 210094)

1 引言

随着武器装备系统不断发展，武器装备需要在环境更加复杂、多变、恶劣的条件下执行任务，从而对推进系统的可靠性与适用性的要求不断提高。高空环境下的固体姿轨控发动机以及多脉冲固体火箭发动机的二次点火，会遇到发动机低压点火问题，氧含量和低气压等因素均会对固体推进剂的点火过程与燃烧特性产生影响，甚至造成如点火失效、点火时间长、燃烧火焰不稳定、熄火和燃烧不充分影响射程等问题[1]。目前改性双基推进剂广泛应用于战术武器中，为满足该推进剂在极端环境下执行任务的需求，对低温低压下改性双基推进剂点火燃烧过程的研究显得十分重要和迫切。

国外Ohlemiller T J等[2-3]研究了含能材料在不同环境压强、氧气浓度和激光热流密度下的点火性能与燃烧过程。Kim等[4]研究了在不同激光热流密度下硝铵推进剂的点火与燃烧特性。实验结果表明推进剂点火存在能量阈值，即必须达到某个最低点火阈值才能使推进剂完成点火过程。张小兵等[5]通过激光点火的方式点燃炸药、烟火剂、火药等敏感含能材料，对激光点火在大口径火炮中的应用提出了方案。Dulcie等[6]为了研制更可靠、更环保的直接起爆推进剂激光点火器，对使用二极管激光器进行了弹性体改性铸造双基推进剂的激光点火实验研究。南京理工大学的朱国强[7]，相恒升[8]，赖华锦[9]等通过研究了铝镁贫氧推进剂在不同环境氧含量、环境压强、不同激光热流密度等试验条件下的激光点火与燃烧过程，分析得到了点火延迟时间与燃速随不同环境变量变化的关系曲线，为铝镁贫氧推进剂在固体燃料冲压发动机中的应用提供了理论基础。与此同时，王鸿美[10]，相恒升[11]等采用相似的方法对NEPE推进剂的点火性能与燃烧性能进行了实验测试及理论分析得到了不同因素对NEPE燃烧温度、燃烧速度、火焰结构、点火延迟时间的影响。

近年来，关于激光点火的研究从对推进剂本身的点火特性逐渐转移到对作为推进剂添加剂的金属颗粒的点火研究中。杨建刚[12]采用激光点火器和光纤光谱仪结合的实验方法，研究了不同环境气体组分条件下铝粉的点火及燃烧特性。实验结果表明：铝粉的点火特性受气体组分和铝颗粒粒径影响很大，受初温影响较小。张帆[13]通过测量单颗氢化铝燃烧过程、点火温度变化和火焰结构变化得到单颗氢化铝存在多个燃烧阶段。Weiqiang Pang等[14]研究氢硼酸铁化合物在AP/HTPB/Al复合固体推进剂中的反应机理以及对推进剂燃烧性能的影响。实验结果表明：含氢硼酸铁化合物的HTPB固体推进剂在不同压力下的火焰呈现多火焰结构，并且火焰温度、锋面随压力的变化和变化并且含氢硼酸铁化合物有修正推进剂燃烧行为的作用。

综上所述，国内外研究人员通过大量的实验验证，得到了各种环境因素和推进剂光学敏感度等方面对推进剂点火和燃烧方面的影响，得到了不同条件下推进剂的燃烧参数，为优化推进剂结构设计，优化火箭发动机装药设计问题奠定了基础[15]。但是大多数都是通过更改热通量和推进剂本身参数来进行研究，没有模拟低温低压下推进剂的燃烧环境，通过本文对低温低压下改性双基推进剂的激光试验来预测火箭发动机在复杂多变的天气中的燃烧情况有着重要意义。

2 试验方法

2.1 式样制备

本文试验所使用的改性双基推进剂主要配方包括NC 20%、NG 20%、HMX 50%、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)6%、N-甲基-4-硝基苯胺(MNA)1%、弹稳定剂1.5%和催化剂1.5%，如表1所示。样品尺寸为φ4 mm×5 mm，为了方便观测火焰形状，样品侧面涂有耐高温的硅橡胶，以防止推进剂燃烧时试件侧向燃烧，影响观测。

表1 改性双基推进剂质量分数

1.2 试验系统及方法

本文利用了一种环境压强、环境气体组分、激光热流密度可以调节的小尺度激光点火燃烧实验系统，用于研究固体推进剂在不同条件下的点火燃烧特性。该系统主要由激光控制系统、CO2激光器、光学系统、燃烧室和数据采集系统等组成，其示意图如图1。

图1 激光点火试验系统结构示意图

点火前，首先通过控制系统调节激光功率和加载时间，接着使用激光功率计对激光功率进行标定。在常温常压，燃烧室内为空气的条件下，对2种固体推进剂试件进行点火实验，激光加载时间为1 270 ms，小于推进剂试件的燃烧时间。当激光开始加载时，光电二极管将采集到的光信号转化为电信号，并经过放大电路输出给发光二极管，发光二极管发光并被高速摄像机捕捉到后，此时刻记为实验开始时刻t=0 ms。另一个光电二极管对推进剂的初始火焰信号进行采集，并转化为电压信号显示在计算机上。在推进剂的点火过程中电信号的变化过程如图2所示，因此，由于本文试验测试不同环境条件下推进剂的点火与燃烧过程，采用气相点火模型，点火的判定标准是当气相区火焰的发光强度大于某一临界值时，确认点火。

图2 点火过程中电信号变化曲线

实验在相同压力及温度条件下进行，每组实验重复5次保证数据准确性。为模拟火箭发动机在高空低温低压的环境，对推进剂的点火延迟时间tig以及燃速r进行测量。推进剂点火延迟时间tig定义为激光产生到推进剂点燃产生火焰的时间间隔，推进剂燃速r定义为推进剂长度除以高速相机拍摄到第一张火焰图像到火焰熄灭图像的间隔时间。激光热流密度q范围为0.159～1.131 W/mm2，环境压强P范围为0.01～0.1 MPa，环境温度范围-40～25 ℃。每次试验激光加载时间为1.83 s，详细的试验参数见表2。

表2 试验参数设置

3 结果与讨论

3.1 改性双基推进剂火焰传播过程

固体火箭推进剂的燃烧过程表现为燃烧表面的回归，一般认为改性双基推进剂的燃烧波由5个区域组成，基于固体推进剂的稳态燃烧模型，建立了改性双基推进剂激光点火燃烧模型，如图3所示。

图3 改性双基推进剂点火、燃烧物理模型示意图

初始瞬态过程从推进剂表面施加激光开始，首先进行激光加载，当冷凝相的温度足够高时，固相开始融化和冷凝相开始分解，接着开始蒸发并进入气相区与空气混合。当冷凝相持续吸收能量、分解和蒸发时，气相区积累了大量活性物质，时间足够长，温度足够高时，气相中的物质发生反应，形成着火现象。这通常发生在远离凝结相表面的地方，一经点燃推进剂迅速靠近凝结相表面，这种现象称为“吹离效应”，如图3(b)所示，随着质量对流通量和热反馈逐渐达到平衡，燃烧趋于稳定。

不同压强下，相同温度和氧气浓度下的一些典型的拍摄图像如图4所示。图像表明，当环境压强不同时，火焰的初始位置有显著差异。这是由于随着压强降低，热解气体向环境四周扩散，气相反应区位置上移，初始火焰的位置随之改变。从图3可以看出：在点火过程形成前期，推进剂不断吸收激光能量，并受热分解产生热解气体，热解气体逐渐扩散至推进剂表面上方及四周，如图3(b)所示。

图4 不同压强下改性双基推进剂的火焰结构图像

推进剂表面颗粒吸收激光能量产生火星，火星达到足够温度并接触表面热解气体形成初始火焰。在不同压强下，火焰形状大小以及亮度都不同。常温常压下火焰明亮呈圆柱状初始火焰，火焰饱满充实，点火瞬时没有明显“吹离效应”现象，负压条件下该现象很明显。在压强为0.08 MPa时，初始火焰为圆柱状，火焰中存在未充分燃烧的火星，火焰亮度较常压下有明显下降；在压强为0.06 MPa时，形成火焰前期有较长时间推进剂产生火星，燃烧过程较短，火焰较不明亮，火焰形状不稳定；在压强为0.04 MPa时,初始火焰较难形成，火焰亮度较暗；在压强为0.02 MPa时，初始火焰及后续火焰均不稳定，推进剂能够自持燃烧但是火焰反复跳跃容易熄灭，初始火焰很小不够明亮。

3.2 低压对改性双基推进剂点火延迟时间的影响

实验在激光热流密度分别为0.283 W/mm2和1.132 W/mm2条件下，在不同环境压强下对改性双基推进剂式样的点火延迟时间进行测量。在0.01 MPa、0.02 MPa、0.04 MPa、0.06 MPa、0.08 MPa和0.1 MPa环境压强下，点火延迟时间的试验数据如图5所示。

图5 点火延迟时间随环境压强变化曲线

由图可以看出，点火延迟时间随着压强的增加而减小。在激光热流密度为0.283 W/mm2时，当压强变化范围从0.02 MPa升高到0.04 MPa时，点火延迟时间大约从160 ms减少到10 ms。随着热通量增加到2 W/mm2，压强对点火延迟的影响越来越小，当压强从0.04 MPa升高到0.1 MPa时，点火延迟时间大约从100 ms减少到60 ms。众所周知，压强的降低会增加热解产物向周围环境中扩散的速度，并降低分子间的碰撞频率以及化学反应速率，从而使化学反应区域远离推进剂表面。同时当放热反应区向远离推进剂表面移动时，推进剂表面所能得到的热反馈会减少，从而导致较长的点火延迟时间。

2.3 低温对改性双基推进剂点火延迟时间的影响

试验在激光热流密度分别为0.283 W/mm2和1.132 W/mm2时，就推进剂初始温度对点火延迟时间的影响进行了实验研究。在推进剂初始温度分别为-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、25 ℃时，测得的点火延迟时间实验数据如图6所示。

图6 点火延迟时间随环境温度变化曲线

由图6可以看出：在激光热流密度为0.283 W/mm2时，推进剂初始温度从-40 ℃升高至25 ℃，点火延迟时间大约从180 ms减少到80 ms。但随着激光热流密度的增加，初始温度对点火延迟的影响越来越小。在激光热流密度升高至1.132 W/mm2时，推进剂初始温度从-40 ℃升高到25 ℃，点火延迟时间大约从150 ms减少到60 ms。结果表明，初始温度对点火延迟时间的影响受激光热流密度的影响较大。激光热流密度越大，初始温度对点火延迟时间的影响越小。

4 结论

1) 改性双基推进剂在低压环境下点火时，压强影响了推进剂热解气体的扩散，造成了初始火焰形状和明亮度的差异。压强越低，火焰高度越小，亮度越差；当压强降低至0.06 MPa时这种现象更加明显。

2) 随着压强的降低，推进剂点火延迟时间增加，当降低到0.02 MPa时，推进剂很难点火。当激光热流密度增加后，压强对点火延迟时间的影响减弱。由于外界热通量增加，推进剂热解速率加快，能更快的补充气相区域扩散掉的热解产物，达到点火所需气体浓度。通过实验数据的拟合和理论分析得到点火时间与压强的平方成反比，并且随着热流密度的升高，压强对点火延迟时间的影响越来越大。

3) 随着推进剂初温的降低，点火延迟时间略有增加，初温对推进剂点火延迟时间的影响远小于压强对推进剂的影响。通过实验数据的拟合分析得到高热流密度下，点火延迟时间与初始温度为线性关系。