过渡金属催化剂对低燃温双基推进剂性能的影响

秦 能，贾延斌

（西安近代化学研究所，陕西西安710065）

引 言

低燃速低燃温推进剂在燃气发生器领域已获得广泛应用。随着导弹武器系统的发展，对该类推进剂提出了更高的要求［1］，如具有更低的燃温与燃速等。降低双基系推进剂的燃速、燃温，通常是在推进剂中加入固体或液体降速降温剂，而这些物质的加入会引起推进剂燃烧性能、点火性能的恶化。为实现该类推进剂的工程化应用，开展其综合性能的研究十分必要。

采用不同催化剂的组合或改变金属（催化剂）粒度来调节推进剂的燃烧性能是较常用的方法［2－6］。研究发现［1］，在低燃温推进剂中常规铅铜盐催化剂对燃烧性能的改善不明显，为降低压强指数而加大催化剂用量，则导致推进剂燃烧残渣量增加，使推进剂在某些燃气发生器中的应用受到限制。而铅对人体有害，同时对生态系统造成严重污染［7］。目前催化剂的发展趋势是采用非铅盐催化剂代替铅（盐）催化剂［8］。王峰等［9］研究了非铅催化硝胺改性双基低燃速低燃温推进剂，采用多种催化剂，但催化剂种类多、用量大，对降低燃烧残渣不利。

本实验采用过渡金属催化剂来调节低燃温双基推进剂的燃烧、点火性能，并降低其燃烧残渣；研究了3种不同粒径及粒度级配的催化剂对燃烧性能的影响；获得了综合性能优良的低燃速低燃温双基推进剂，为工程化应用提供参考。

1 实 验

1．1 实验配方

基础配方（L－113）组成（质量分数）：NC＋NG 67%，Ⅱ号中定剂1．5%，凡士林1%，降速降温剂28%，采用催化剂为过渡元素金属粉。上述原料均为工业品。含单一粒度催化剂的配方见表1，含不同粒度级配催化剂的试验按L16（45）五因素四水平正交试验表分成20份，其中16份用于正交试验，4份用于重复验证试验，见表2。

1．2 样品制备及性能测试方法

用传统螺旋压伸成型工艺制备测试药柱。采用恒压静态燃速仪，按照GJB770B－2005 方法706．1“燃速－靶线法”测定燃速。根据Vieille燃速方程r＝apn，通过线性回归方法求出压强指数n和系数a。推进剂的爆热、密度、甲基紫变色时间、摩擦感度、撞击感度、发动机内弹道性能等按照GJB770B－2005 火药性能测试方法中规定的方法进行测试。

表1 单一粒度催化剂的含量Table 1 The content of catalyst with single granularity

表2 不同粒度级配催化剂的含量Table 2 The content of catalysts with different granularity gradation

2 结果与讨论

2．1 催化剂粒度对推进剂燃烧性能的影响

含不同催化剂粒度推进剂的燃速－压强曲线，结果见图1，压强指数的计算结果见表3。

2．1．1 1μm 催化剂的影响

由图1（a）可看出，催化剂含量对推进剂燃烧性能有影响。L－113 配方不含催化剂，2～3MPa下测试燃速时点火困难，加入质量分数0．5%的催化剂后，可以点火。继续提高催化剂含量，2和3MPa下，燃速不升反而降低。由表3 可见，催化剂的质量分数为1%时，2～5MPa的压强指数最小；质量分数为1．5%和2%时，高压区燃速提升幅度大于低压区，压强指数升高。催化剂的质量分数为2．5%时，对应的高压区的压强指数也较高；质量分数为3%时，各压强点的燃速均降低，且高压区的降幅较大，因此压强指数降低。对于不同配方，当催化剂的质量分数相同时，2～5MPa下的压强指数小于4～10MPa。总体来看，压强指数仍偏大，仅个别配方低压区能够降至0．4。

图1 含不同催化剂粒度推进剂的燃速－压强曲线Fig．1 The r－pcurves of propellant with different particale sizes of catalysts

表3 不同配方压强指数计算结果Table 3 The calculation results of pressure exponent

2．1．2 3μm 催化剂的影响

当催化剂粒度为3μm、质量分数1%时，推进剂在低压2MPa下燃速测试时点火困难，质量分数提高至2%时，2MPa下能正常点火。由图1（b）可看出，3和4MPa下推进剂燃速均有不同程度提高，分别为26．47%和5．4%；5MPa以后，燃速开始降低，5、7和10MPa分别下降6．0%、5．47%和8．52%。由表3可见，当催化剂的质量分数从1%提高至2%时，一方面压强指数有降低趋势，4～10MPa从0．93降至0．80；另一方面有利于提高低压下点火的可靠性。

2．1．3 5μm 催化剂的影响

随催化剂含量的增加（从1%增至3%），燃速降低，压强指数有降低的趋势。按此趋势，质量分数为0．5%时，各压强点的燃速均应高于其他含量下相应压强点的燃速。但实际却并非如此，2～4MPa时，燃速比其他含量时的低；5MPa时，燃速稍高于质量分数1%时的燃速；大于6MPa时，燃速低于质量分数1%的燃速。

从以上试验发现，随着催化剂粒度的增大，燃速提高；对于同种粒度的催化剂（3或5μm），随着质量分数的提高（从1%提高到2%），推进剂燃速在5MPa以后逐渐降低。可以看出，在4～10MPa压强指数随着催化剂粒度及含量的增加而逐步降低。

2．2 催化剂粒度级配对燃烧性能的影响

对催化剂粒度进行级配，20个配方的燃速测试结果见表4。由表4可见，L－1、L－5、L－7、L－9、L－13、L－15配方的压强指数相对较小。L－17配方不含催化剂，2和3MPa时点火困难，说明该配方临界燃烧压强较高，且压强指数较高，无法达到工程应用要求。其他配方含过渡金属催化剂，均能在2MPa下稳定燃烧。可见过渡金属催化剂具有降低临界燃烧压强的作用，能显著降低压强指数；同时也表明，其催化效率较高，4～7MPa时燃速可提高100%以上，并有效降低推进剂的压强指数，将高于1的压强指数降低到0．5～0．6。

L－5、L－7、L－9配方含单一催化剂，其压强指数较低，该结果与单一粒度催化剂的试验结果基本吻合。催化剂粒度级配后，推进剂压强指数降低较少，没有起到互补协同的作用。L－19号配方是重复L－5号配方试验，2～3MPa催化效果不一致，其余压强区间的重复性较好。L－20号配方的压强指数较低。

由以上分析可知，不同粒度催化剂宜单独使用，不宜级配，且质量分数不能超过1．5%。

表4 不同配方燃烧性能试验结果Table 4 The test results of combustion performance for different formulations

2．3 综合性能

选取L－5 配方进行放大试验（放大配方为L－5D）。采用螺旋压伸成型工艺制备药柱测试其性能，结果见表5和表6。

表5 L－5D推进剂燃速测试结果（20℃）Table 6 The burning rate of the L－5Dpropellant（20℃）

表6 L－5D推进剂的主要性能Table 7 The main performances of the L－5Dpropellant

由表5 和表6 可见，该配方的燃速较低（10MPa，2．94mm／s），燃烧残渣少（质量分数小于3%）。采用Φ50mm 标准发动机对L－5D 药柱进行地面静止试验，结果见图2。

图2 不同温度下Φ50标准发动机p－t试验曲线Fig．2 p－t curves obtained byΦ50standard motor test at different temperatures

图2表明，L－5D 药柱在高、低、常温下均能正常、稳定燃烧。该配方不含铅铜盐催化剂，减少了对环境及人体的危害，配方综合性能良好，经过发动机地面静止试验考核，燃烧稳定、可靠，可推广到工程应用。

3 结 论

（1）过渡元素金属粉能有效降低推进剂的临界燃烧压强，推进剂在2MPa下均能稳定燃烧。

（2）不同粒度过渡金属催化剂的催化作用压强区间不一致，粒度级配后，未能产生协同互补作用，即有效扩大低压强指数区间的范围。

（3）在基础配方（L－113）基础上，加入质量分数为1．5%、粒度3μm 的过渡金属催化剂，可获得一种综合性能优良的低燃温、低燃速、低残渣的推进剂，10MPa下理论燃烧温度小于1 200K；燃速小于3mm／s，2～10MPa的压强指数小于0．4；燃烧残渣质量分数小于3%。

［1］ 秦能，汪亮，王宁飞．低燃速低燃温双基推进剂燃烧性能的调节［J］．火炸药学报，2003，26（3）：16－19．QIN Neng，WANG Liang，WANG Ning－fei．Adjustment on the combustion performance of low flame temperature and low burning rate DB propellant［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2003，26（3）：16－19．

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