超级铝热剂对双基推进剂燃烧性能的影响①

安 亭，赵凤起，裴 庆，仪建华，郝海霞，徐司雨，谭 艺

(西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室，西安 710065)

0 引言

固体推进剂的燃烧性能是影响火箭发动机弹道性能的重要因素，燃速的高低决定着发动机的工作时间和飞行速度。推进剂的燃烧性能是指推进剂燃烧速度的规律性和燃烧过程(内弹道性能)的稳定性，包括稳态和非稳态燃烧［1］。燃烧性能参数是表征燃烧过程稳定性的数量界限，即当这些参数在某一范围时，推进剂装药在火箭发动机中燃烧所产生的p-t与r-t曲线能符合人们的设计要求。否则，上述曲线将会出现异常，严重时会使发动机熄火(压力下降为零)或爆炸(压力增至很大)，从而使发动机不能工作［2］。

固体推进剂燃烧过程是一个复杂的传热传质过程，其本质是一个复杂的高温、瞬时、高压的放热化学反应，化学反应速度、传热传质速度决定了推进剂的燃速［1－2］。总体来讲，推进剂的燃速不仅受压力、初温及气流速度等外部环境因素的影响，而且还受火药内在因素的左右。内在因素影响即火药的物理化学性能对燃速的影响，包括推进剂的组分及组成、推进剂的密度和热传导系数等。上述因素直接影响发动机工作性能的稳定性。因此，控制和调节推进剂燃烧性能对满足各种火炮和火箭武器的设计要求是十分重要的［3］。

目前，含能纳米材料是推进剂燃烧催化剂的一个重要发展方向，已开展了相关的应用研究［4－9］。超级铝热剂已成为国防科技领域的研究热点，但对其研究主要集中于制备表征和基础特性方面［10－21］。国内外对超级铝热剂于推进剂中的应用尚未开展系统研究，因此有许多问题值得探索，如含超级铝热剂的推进剂与传统推进剂燃烧特性有何区别?含超级铝热剂的推进剂的燃烧规律及其性能调控等一系列问题。为了初步探索并解决上述问题，本文研究了数种超级铝热剂对双基推进剂燃烧性能的影响，并初步分析了超级铝热剂对催化效果的影响。

1 实验

1.1 原料及推进剂配方设计

在燃烧性能影响的实验中，所采用的双基推进剂的基础配方(质量分数)为双基粘合剂89.0%，二号中定剂(C2)2.0%，其他助剂9.0%，所用材料都为工业品，均由西安近代化学研究所提供。

药料按500 g配料，催化剂为外加量，加入量为2.5%;对照组空白推进剂样品不含催化剂，其他组分和含量相同。催化剂的具体组成如表1所示，表1中m表示微米级铝热剂，n表示纳米级铝热剂，下文同。所用催化剂的制备及表征见文献［10－11］。为作对比分析，还加入了曾经做过的含纳米金属氧化物双基推进剂的燃烧性能研究结果，见文献［4］。

表1 双基推进剂配方中的催化剂Table 1 Catalysts in double-base propellant

1.2 推进剂配方制备工艺

固体推进剂样品采用“吸收-驱水-放熟-压延-切成药条”的常规无溶剂压伸成型工艺制备。为防止纳米催化剂在推进剂样品制备工艺的吸收过程中流失，将超级铝热剂与增塑剂经物理混合形成混合体系，然后一起加入到吸收锅中。由于其他组分不像NG，事先与NC充分吸收制成双基粘合剂，而是直接引入的，因此，吸收过程必须保证有足够的吸收时间，以使NC和其他各组分能充分且均匀混合。

1.3 测试仪器及实验方法

燃速测定采用靶线法，在西安电子科技大学和燃烧与爆炸技术重点实验室联合研制的AE/BX-2006多功能固体推进剂燃速测试系统上进行。

测定试样燃速时，先将推进剂样品制成φ5 mm×150 mm药条，并经表面粗化处理，然后在其侧面用聚乙烯醇溶液浸渍包覆并晾干，如此反复6次，按GJB 770A方法706.1“燃速-靶线法”，在充氮调压式燃速仪中测定燃速。环境温度为20℃，压强为2～20 MPa。

2 结果与讨论

按上述实验方法及内容，推进剂的燃速测试结果见表2。为作对比研究，表2中同时也列出了文献［4］中含纳米金属氧化物双基推进剂的燃速测试结果。

表2 含不同超级铝热剂的双基推进剂的燃速Table 2 Burning rate of double-base propellant containing different super thermites

为了比较不同催化剂的催化效果，计算了不同催化剂的催化效率ηr(ηr=uc/u0，uc为含催化剂的推进剂燃速，u0为不含催化剂的推进剂燃速，下文同)，计算结果如表3所示。

表3 含不同超级铝热剂的双基推进剂中催化剂的催化效率Table 3 The catalytic efficiency of double－base propellant containing different super thermites

2.1 Al/PbO对双基推进剂燃烧性能的影响

图1和图2分别给出了含超级铝热剂Al/PbO双基推进剂燃速及催化剂催化效率与压强的关系曲线。

图1 含Al/PbO双基推进剂的燃速-压强曲线Fig.1 Burning rates of DB propellant containing super thermites Al/PbO

图2 超级铝热剂Al/PbO的催化效率-压强曲线Fig.2 ηr-p curves of super thermites Al/PbO

从表2、表3和图1、图2可看出，超级铝热剂Al/PbO的加入，可明显改善双基推进剂的燃烧性能。与纳米氧化铅相比，超级铝热剂Al/PbO使得推进剂具有更高的燃速，2～20 MPa压强范围内，燃速的增幅较为明显，但同时压强指数有所恶化，这可能与复合的纳米铝粉有关;10～16 MPa压强范围内，含纳米PbO双基推进剂的燃速低于空白配方，对燃烧性能起到负催化作用。

含2.5%纳米Al/PbO复合物的双基推进剂在2～20 MPa燃速出现显著提高，并在8～14 MPa范围内出现低压强指数区。该催化剂在2～8 MPa的催化效率ηr分别为2.54、2.12、1.77 和 1.59，尤其是 2 MPa 时的催化效率较高(即在2 MPa推进剂的燃速增加了2.54倍)，双基推进剂的燃速提高了154%，具有“超速燃烧”的特点，在2～20 MPa压强范围内，ηr始终在1.30以上。

微米Al/PbO复合物在低压和高压下能较好地提高双基推进剂的燃速，并在中低压范围内出现低压强指数区，但其优化效果不如纳米级Al/PbO，该催化剂在2 ～6 MPa的催化效率 ηr分别为 2.60、1.86 和1.41，尤其是在2 MPa下，双基推进剂的燃速提高了160%，显现了“超速燃烧”的特点，在4～20 MPa范围内，ηr始终在 1.20 以上。

可见，纳米级超级铝热剂Al/PbO能显著提高双基推进剂燃速，尤其是低压下具有“超速燃烧”的特点，并在中压范围内可明显降低燃速压强指数;微米级Al/PbO也能改善双基推进剂的燃烧性能，但其效果较纳米级较差，可在低压和高压下较好地提高双基推进剂的燃速，且在中低压范围内出现低压强指数区，在低压下也具有“超速燃烧”的特点;实验结果表明，纳米级Al/PbO的催化效果明显优于微米级Al/PbO。因此，可认为超级铝热剂Al/PbO是一种对双基推进剂燃烧催化效果优良的催化剂。

2.2 Al/CuO对双基推进剂燃烧性能的影响

图3和图4分别给出了含超级铝热剂Al/CuO的双基推进剂的燃速及催化剂催化效率与压强的关系曲线。

图3 含Al/CuO双基推进剂的燃速-压强曲线Fig.3 Burning rates of DB propellant containing super thermites Al/CuO

图4 超级铝热剂Al/CuO的催化效率-压强曲线Fig.4 ηr-p curves of super thermites Al/CuO

从表2、表3和图3、图4可看出，纳米超级铝热剂Al/CuO可使双基推进剂在2～20 MPa燃速提高，尤其在中低压下的改善效果更明显，该催化剂在2～8 MPa的催化效率 ηr分别为 1.45、1.42、1.30 和 1.28，在2 MPa时双基推进剂的燃速提高45%;微米Al/CuO也可改善双基推进剂的燃烧性能，但效果欠佳且较特别，其对低压和高压下燃速的提高贡献较大，如在2 MPa时双基推进剂的燃速提高近22%，20 MPa下燃速提高20%，而在中压段的催化效率相对较低。

综上分析，超级铝热剂Al/CuO可改善双基推进剂的燃烧性能，但燃速提高幅度不大，压强指数优化不明显。含纳米级Al/CuO的双基推进剂改善效果更佳，其在中低压下的催化作用效果较好，而微米级Al/CuO在低压和高压下能较好地提高双基推进剂的燃速。因此，综上分析结合实验结果表明，超级铝热剂Al/CuO对双基推进剂燃烧性能具有一定的催化作用，但没有Al/PbO的催化效果明显。

2.3 Al/Bi2O3对双基推进剂燃烧性能的影响

图5和图6分别给出了含超级铝热剂Al/Bi2O3的双基推进剂的燃速及催化剂催化效率与压强的关系曲线。

图5 含Al/Bi2O3双基推进剂的燃速-压强曲线Fig.5 Burning rates of DB propellant containing super thermites Al/Bi2O3

图6 超级铝热剂Al/Bi2O3的催化效率-压强曲线Fig.6 ηr-p curves of super thermites Al/Bi2O3

从表2、表3和图5、图6可看出，将纳米Bi2O3加入双基推进剂中，燃速增加较小，催化效率也较低，对燃烧性能的改善几乎没有贡献。相比纳米Bi2O3，超级铝热剂Al/Bi2O3在低压下对燃速的提高并不明显，但随着压强逐渐升高，推进剂燃速增加非常明显，在中高压下具有较高的燃速，纳米Al/Bi2O3表现的尤为明显，其在12～18 MPa甚至超过了含纳米Al/PbO的推进剂燃速，且该区间内的催化效率纳米Al/Bi2O3超过了纳米Al/PbO。

含超级铝热剂 Al/Bi2O3的双基推进剂在2～20 MPa燃速提高，在该压强范围内纳米Al/Bi2O3的催化效率ηr较为理想，始终保持在1.34以上，尤其是2 MPa下双基推进剂的燃速提高了62%，增加幅度较大;微米Al/Bi2O3复合物也可改善双基推进剂的燃烧性能，但其优化效果不如纳米级 Al/Bi2O3，在2～20 MPa范围内，该催化剂的催化效率 ηr保持在1.17以上，2 MPa下双基推进剂燃速提高了51%。

由图可见，纳米Bi2O3可降低双基推进剂在中高压10～14 MPa范围内的压强指数，在此区间压强指数较低为0.559 0，相关系数为 0.999 8，而纳米 Al/Bi2O3则可改善双基推进剂高压区的燃烧性能，其在16～20 MPa范围内出现低压强指数区。总体来讲，纳米Al/Bi2O3在改善推进剂压强指数方面效果并不显著。

可见，纳米级超级铝热剂Al/Bi2O3可明显有提高双基推进剂的燃速，改善双基推进剂高压区的燃烧性能，降低双基推进剂在中高压范围内的压强指数，催化效率ηr也较为理想;微米级Al/Bi2O3复合物也可改善双基推进剂的燃烧性能，但其催化效果不如纳米级Al/Bi2O3;纳米级Al/Bi2O3的催化效果优于微米级Al/Bi2O3。综上实验结果及分析表明，超级铝热剂Al/Bi2O3对双基推进剂燃烧催化具有明显积极的作用，其效果要优于超级铝热剂Al/CuO，但综合催化效果比超级铝热剂Al/PbO差。

3 结论

(1)超级铝热剂Al/PbO可显著改善双基推进剂的燃烧性能。含纳米Al/PbO的双基推进剂燃速明显提高，尤其是在低压下出现了“超速燃烧”的现象，并在中压范围内可明显降低燃速压力指数;微米级Al/PbO也能改善双基推进剂的燃烧性能，但其效果较纳米级稍差。

(2)超级铝热剂Al/CuO可改善双基推进剂的燃烧性能，但燃速提高幅度不大，压强指数优化不明显。含纳米级Al/CuO的双基推进剂改善效果更佳，其在中低压下的催化作用效果较好，而微米级Al/CuO可在低压和高压下提高双基推进剂的燃速。

(3)纳米Al/Bi2O3可明显提高双基推进剂的燃速，降低双基推进剂在中高压范围内的压强指数，催化效率ηr也较为理想;微米Al/Bi2O3也可改善双基推进剂的燃烧性能，但其催化效果不如纳米级Al/Bi2O3。

(4)纳米级超级铝热剂对双基推进剂燃烧性能的催化作用明显优于微米级的，超级铝热剂对双基推进剂的催化作用顺序为Al/PbO＞Al/Bi2O3＞Al/CuO，这是由于各金属氧化物活性不同，纳米铝粉与金属氧化物复合后组成的超级铝热剂的反应性有差异，即铝热反应程度或强度不同，以及在推进剂中应用时催化效果的不同所造成的。

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