固体推进剂和矩形试件的磁性能试验研究

郭 涛，吕 洋，王 宁，赵宝杰，解社娟

（1.西安交通大学航天航空学院，西安，710049；2.电磁兼容与防护全国重点实验室，北京宇航系统工程研究所，北京，100076；3.航天化学动力技术重点实验室，襄阳，441003；4.首都航天机械有限公司，北京，100076）

0 引言

固体推进剂是各类固体发动机的动力源，也是固体火箭发动机的关键工质，其性能直接影响固体发动机的性能和可靠性。常用复合固体推进剂是一类由黏合剂、氧化剂（含炸药）、燃料和功能组分等组成的含能复合材料，在制造、运输、贮存和使用过程中，可能发生燃烧、爆炸事故，造成人身伤亡、设备或建筑设施毁坏等严重后果，因此国内外学者重点开展了热、机械撞击和摩擦、静电场以及冲击波等外界激源下固体推进剂安全机理和评估研究［1］。然而，随着固体推进剂制造过程的自动化和使用过程中磁环境影响的形势变化［2-3］，需要评估固体推进剂和发动机在不同电磁场环境下的安全性。

YVES［4］建立了电磁辐射试验装置，测试了壳体/绝热层/衬层/推进剂夹芯结构试件的电磁-热效应规律，结合试验和仿真分析了电磁场环境下固体火箭发动机的低易损性。中国也针对外加磁场对发射药和推进剂燃烧气体产物的影响进行研究［5-6］，应用磁场控制等离子体流速和分布从而减少内膛表面烧蚀。目前暂没有针对磁场对固体推进剂磁性能、力学性能和安全性能等的影响研究，而对固体发动机相关材料的磁性能有一定研究。江涌等［7］制备了改性Fe3O4/NR/EPDM 磁性橡胶，其中包含天然橡胶（Natural Rubber，NR）和三元乙丙橡胶（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM），研究表明以NR/EPDM 并用胶为基体制备的磁性橡胶耐热老化性能、耐臭氧老化性能、耐酸碱性能和耐油性能均高于以NR 为基体的磁性橡胶。于天成［8］利用试验和仿真方法，研究了电磁感应加热碳纤维复合材料的工艺原理，分析了电磁感应加热温度场变化规律，有助于碳纤维复合材料壳体结构发动机磁热效应研究。此外，其他领域非含能材料电磁感应的试验、数值模拟和机理研究较多，其中的方法也可以借鉴［9-13］。

本文主要以固体发动机部组件材料为研究对象，重点分析了准静态磁场下端羟基聚丁二烯（Hydroxyl Terminated PolyButadiene，HTPB）推进剂和硝酸酯增塑聚醚（Nitrate Ester Plasticised Polyether，NEPE）推进剂以及相关矩形试件的磁性能变化规律，为分析弱磁场环境对固体发动机的磁性能和综合性能影响提供基础。

1 试验样品和试验方法

1.1 试验样品制备

固体推进剂采用减压-捏合工艺混合，浇注至专用模具并固化。试件按照《固体推进剂性能测试用试样》标准要求制备。

以固体推进剂和构成推进剂的典型组成元素如Al和Cr 为研究对象，制作了圆柱形的NEPE 推进剂药柱、6061 铝合金柱（简称6061 铝柱）、GCr15 高碳铬轴承钢柱（简称GCr15 钢柱）、大方形HTPB 推进剂药柱、小方形HTPB 推进剂药柱，尺寸分别为Ф24 mm×27 mm、Ф35 mm×15 mm、Ф10 mm×10 mm、50 mm×50 mm×50 mm、25 mm×25 mm×25 mm。结合《弱磁材料磁导率测量方法》标准制样方法和模拟发动机部件实际厚度，制作了HTPB推进剂、NEPE 推进剂、EPDM 绝热层、T700 碳纤维复合材料（简称T700）、D406A合金钢（简称D406A）等条状试件，尺寸分别为20 mm×12 mm×5 mm、100 mm×7 mm×2 mm、200 mm×10 mm×7 mm 和90 mm×15 mm×7 mm。不同材料的实物如图1所示。

图1 不同种类和形状的材料Fig.1 Different type and shape of materials

矩形试件由钢件、绝热层、衬层和推进剂组成，参照《固体火箭发动机燃烧室界面粘接强度测试方法第1部分：矩形试件扯离法》标准制作试件。为研究推进剂厚度对矩形试件磁性能的影响规律，钢壳体和绝热层-衬层等部件尺寸不变，HTPB推进剂厚度分别为0 mm 和22 mm，记 为HTPB-0 和HTPB-22，而NEPE推进剂厚度分别为3 mm和22 mm，记为NEPE-3和NEPE-22。矩形试件中间的HTPB 和NEPE 推进剂药条厚度分别为13 mm 和10 mm。矩形试件实物如图2 所示，其中HTPB 矩形试件钢材料为45#钢，NEPE矩形试件钢材料为20#钢。

图2 HTPB和NEPE推进剂矩形试件Fig.2 Rectangular specimen of HTPB and NEPE propellant

1.2 测试方法

试验研究中采用亥姆霍兹线圈（型号PS-1HM252）和高精度可编程线性直流电源（型号PS3010D）产生所需要的均匀磁场，其中亥姆霍兹线圈工作空间内磁场均匀度为99%，直流电源恒流模式下电流稳定性优于0.05%。采用高斯计（型号TD8620）进行磁感应强度测量，准确度1 级（精度±1%），最小分辨力0.01 mT。试验设备如图3所示。

在亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场中，为获得待测样品不同位置感应磁场强度规律，平行和垂直于磁场方向分别放置不同类型的材料和矩形试件，试验测试部位如图4 和图5 所示。为排除高斯计探头与试件之间的距离对测量结果的影响，如不特殊说明，下文磁感应强度数据均为探头紧贴试件表面的测量结果。

图4 平行于和垂直于磁场方向的推进剂试验方法Fig.4 Propellant test methods through parallel and perpendicular to the direction of the magnetic field

图5 平行于磁场方向的矩形试件试验方法Fig.5 Rectangular specimen test methods in the parallel direction of the magnetic field

2 结果与讨论

2.1 固体推进剂磁感应性能

为考察不同材料在亥姆霍兹磁场中是否表现出磁性能，以GCr15 钢柱、6061 铝柱、NEPE 推进剂圆柱和HTPB推进剂药块为研究对象，分别开展了平行于磁场方向的不同材料表面磁性能试验，其结果列于表1 和表2 中。亥姆霍兹线圈产生的磁场强度取决于线圈自身固有参数及通过的电流大小，试验中通过改变电流大小来控制产生的磁场强度，故表1中均以电流为自变量，研究不同样品表面产生的磁感应强度。

表1 平行于磁场方向时不同材料表面磁性能(单位：mT)Tab.1 Surface magnetic properties of different materials parallel to the magnetic field direction(Unit：mT)

表2 平行于磁场方向时HTPB药块的表面磁性能(单位：mT)Tab.2 Surface magnetic properties of HTPB propellant parallel to the magnetic field direction(Unit：mT)

由表1 和表2 数据可知，与线圈中不放置试件时测得的磁感应强度相比，6061 铝柱、NEPE 圆柱、HTPB 小药块和HTPB 大药块表面的磁感应强度均没有明显变化，而GCr15 钢柱的表面磁感应强度则显著增加，且增强程度随着外界磁场强度的增加而逐步变大。试验结果表明，6061 铝和不同类型、不同尺寸推进剂对外加磁场无影响，自身未表现出磁性；GCr15 钢对外加磁场有所增强，表现出了一定的铁磁性。

表3和表4给出了GCr15钢柱、6061铝柱、NEPE圆柱垂直于磁场方向的表面磁性能试验结果。

表3 电流7.2A时垂直于磁场方向的不同材料表面磁性能Tab.3 Surface magnetic properties of different materials perpendicular to the magnetic field direction at 7.2A

表4 不同电流时垂直于磁场方向的GCr15钢柱表面磁性能Tab.4 Surface magnetic properties of steel perpendicular to the magnetic field direction at different currents

由表3可知，和线圈中不放置试件时测得的磁感应强度相比，6061铝柱、NEPE圆柱表面磁感应强度均没有明显变化，而GCr15钢柱表面磁感应强度则显著增加。由表4可知，当外界磁场强度增加时，垂直于磁场方向的GCr15钢柱表面的磁感应强度也逐渐增加。

无论是平行于磁场，还是垂直于磁场，GCr15钢柱表面磁感应强度变化和外界磁场强度变化的线性相关性均超过0.999。相比平行于磁场方向，试件垂直于磁场方向时表面的磁感应强度量值较小且磁场变化规律与平行方向一致，故下文只开展试件平行于磁场方向时表面的磁感应性能试验。

HTPB和NEPE推进剂的主要成分包括C、H、N、O、Al和Cl等六种元素，不同功能用途的功能助剂还有少量金属元素，如Fe、Cu、Co 等。根据推进剂组成可知，在外界磁场下固体推进剂可能会显现一定的弱磁性。然而目前准静态磁场试验中HTPB 和NEPE推进剂表现出极弱或没有磁性，表明固体推进剂研制生产过程中不用考虑纯磁场环境下的安全性。

2.2 壳体材料的磁感应性能

目前固体发动机壳体材料主要分为钢壳体和复合材料壳体两种［14］，因此选取典型材料开展外界磁场条件下的固体发动机壳体材料磁感应性能研究。

表5 给出了EPDM 绝热层、T700 复合材料以及D406A三种材料平行于磁场方向的表面磁性能试验结果。和HTPB 及NEPE 推进剂类似，EPDM 绝热层、T700 复合材料在不同强度外界磁场作用下表面的磁感应强度也没有明显变化。D406A表面磁感应强度呈现一定的异常，当外界磁场强度较低时，D406A表面的磁感应强度小于外界磁场强度，而当外界磁场强度不低于4.09 mT 时，D406A 表面磁感应强度大于外界磁场强度，而且外界磁场强度越大，D406A表面磁感应强度增加越显著，呈非线性增大趋势，此现象是由D406A自身剩磁大小及其方向在外界磁场作用下逐步发生变化所致。

表5 平行于磁场方向的壳体材料表面磁性能(单位：mT)Tab.5 Surface magnetic properties of case materials parallel to the magnetic field direction(Unit：mT)

2.3 矩形试件的磁感应性能

目前测试的小尺寸推进剂在磁场中表现为极弱磁性或没有磁性，考虑发动机结构因素，开展矩形试件的磁感应性能研究。两种推进剂矩形试件平行于磁场方向的表面磁性能试验结果列于表6中。

表6 平行于磁场方向的矩形试件表面磁性能(单位：mT)Tab.6 Surface magnetic properties of rectangular specimen parallel to the magnetic field direction(Unit：mT)

由表6可知，和线圈中不放置试件时测得的磁感应强度相比，HTPB 试件和NEPE 试件表面的磁感应强度没有明显变化，进一步验证了前文HTPB 和NEPE推进剂磁性极弱或没有磁性的结论。

和线圈中不放置试件时测得的磁感应强度相比，45#钢制成的HTPB 钢制矩形试件和20#钢制成的NEPE 钢制矩形试件表面磁感应强度均有所增加。随着外界磁场强度的增加，钢制矩形试件表面的磁感应强度增加量在逐渐降低。在试验磁场范围内，HTPB钢制矩形试件和NEPE钢制矩形试件表面磁感应强度分别比线圈中不放置试件时线圈中测得的磁感应强度增加6.1%和5.6%。

对比表1、5 和表6 的数据可知，在外界磁场中GCr15钢和D406A磁感应强度均表现出非线性增强的趋势，而45#钢和20#钢磁感应强度则表现出较弱的增强趋势。通过进一步的试验可知，当外界磁场消失时，经过磁场试验的45#钢、20#钢试件平行于磁场方向的表面磁场强度为0，而GCr15 钢、D406A 的表面磁感应强度为0.5～0.7 mT。下文通过对比不同类型钢材的成分，进一步分析差异产生的原因。

依据《复合固体推进剂安全性能试验方法第7部分：落锤撞击感度》标准，GCr15钢常作为各项感度试验中的击柱，是一种高碳铬轴承钢，按《高碳铬轴承钢》标准可知，主要化学成分依次为Cr、C、Ni、Mn 和Si 等，Cr 和C 的含量分别为1.40%～1.65%、0.95%～1.05%。D406A 作为发动机壳体材料，是一种低合金超高强度钢，主要化学成分依次为Si、Cr、Mn、C 和Ni 等，Si 和Cr 的含量分别为1.4%～1.7%、1.0%～1.3%。两者成分有相似之处。45#钢和20#钢常用于制作矩形试件。45#钢是一种含碳量为0.42%～0.5%的优质碳素结构钢，还含有Mn、Si、Ni、Cr 和Mo等，Ni等过渡金属含量不大于0.30%。20#钢是一种低碳钢，含碳量为0.2%，还含有Mn 等元素，Mn的含量为0.8%～1.2%。由此可见，产生这种变化的主要原因是矩形试件钢制材料成分的差异造成，跟过渡金属类型和含量相关。

以4 A电流产生的5.47 mT均匀外界磁场为基础，研究了高斯计离开样品试件表面不同距离时平行于磁场方向的磁感应强度变化规律。不同试件测得的相对磁感应强度和距离的关系如图6所示。

图6 离开推进剂表面不同距离的磁感应强度变化规律Fig.6 Magnetic induction intensity at different distance away from the the propellants' surface

由图6可知，不论哪种类型或厚度的推进剂，磁感应强度均随着距离增大而减小，当距离超过5 mm时，磁感应强度比不放置试件时测得的磁感应强度高出约0.1 mT。由前文可知HTPB 和NEPE 推进剂磁性极弱或没有磁性，故对磁感应强度影响最大的因素是高斯计探头与钢材之间的距离，并且45#钢对磁感应强度的影响略大于20#钢，进一步验证了前文的试验结果。

3 结论

通过典型固体推进剂及矩形试件磁性能试验研究，得出以下主要结论：

a）准静态磁场试验中HTPB 和NEPE 推进剂、6061 铝、EPDM 绝热层、T700 复合材料均表现为极弱或没有磁性，固体推进剂研制生产过程中不用考虑准静态磁场环境下的安全性。

b）不同钢在外界磁场环境中磁性能差异较大，主要跟过渡金属类型和含量相关。当外界磁场消失时，GCr15钢、D406A试验后存在剩磁，磁感应强度约0.5～0.7 mT，而20#钢和45#钢则不存在剩磁。

c）随着外界磁场强度增加，矩形试件的磁感应强度随之增加。当离开推进剂表面一定距离或推进剂厚度增加，矩形试件的磁感应强度迅速衰减，距离超过5 mm时，趋近于外界背景磁场。