添加剂种类及添加比例对KNDX推进剂燃烧性能的影响

摘要：研究了常压下9种添加剂对KNDX推进剂燃烧性能的影响，并从中挑选出3种效果较好的添加剂。模拟固体火箭发动机工作时推进剂的燃烧情况，研究了选出的3种添加剂的添加比例对KNDX推进剂燃烧性能的影响。结果表明，不同添加剂和添加比例对KNDX推进剂燃烧性能都有明显影响，添加5%镁粉或1%草酸亚铁的KNDX推进剂燃速、温度和比冲等性能最佳。

关键词：改性KNDX推进剂 添加剂 燃烧性能

引言

硝酸钾-葡萄糖复合推进剂（KNDX）是由硝酸钾（KN）和葡萄糖（DX）为主要原料制成的推进剂。因为其原料价廉易得、制作简单方便、贮存安全稳定，并且有较完备的推进剂性能参数可用于内弹道模拟和火箭设计，所以被广泛应用。然而KNDX推进剂比冲不高，可以通过添加少量添加剂来有效调节该推进剂的燃烧性能。针对这种情况，本文通过实验测试并分析了各种添加剂和添加比例对KNDX推进剂燃烧性能的影响。

1.实验

KNDX推进剂样品的制备：将硝酸钾和葡萄糖固体分别粉碎并过筛，按质量比65：35称取硝酸钾和葡萄糖，并混合均匀，再次过筛，用变色硅胶干燥推进剂，并密封保存。

常压下推进剂燃烧实验：将碳酸钙和9种添加剂分别添加3%和5%在KNDX推进剂中制成20种改性KNDX推进剂（其中添加碳酸钙的2种为对照组）。将20种改性KNDX推进剂和未改性的KNDX推进剂分别燃烧，测试其燃速、温度、燃面和残渣量等数据。

一定压强下推进剂燃烧实验：将草酸亚铁、二茂铁和镁粉3种添加剂分别添加1%、2%、3%、4%和5%在KNDX推进剂中制成15种改性KNDX推进剂。将15种改性KNDX推进剂和未改性KNDX推进剂装入自行设计的燃烧装置中，模拟发动机工作时推进剂的燃烧情况，测试其燃速、温度和比冲等性能数据。

2.结果与讨论

（1）添加剂种类对KNDX推进剂燃烧性能的影响。结果表明，添加二茂铁、镁粉、草酸亚铁、乙酸铅、升华硫、氧化铁和氧化铜可以有效地改善推进剂燃烧性能，使推进剂在燃烧时温度更高、燃速更快、残渣更少；添加铝粉和碳粉对KNDX推进剂的燃烧无明显改变；添加碳酸钙会降低推进剂的燃烧性能。添加不同种类的添加剂，性能改善的情况也不同，燃速调节剂（例如草酸盐、二茂铁和铅、铜的氧化物及其盐）主要提高推进剂的燃速，金属可燃剂（例如镁粉、铝粉等）主要提高推进剂的燃温和比冲。

（2）添加比例对KNDX推进剂燃烧性能的影响。本文测试了不同添加比例的草酸亚铁、二茂铁和镁粉的改性KNDX推进剂的燃烧性能。实验结果表明，同一种添加剂的添加比例对KNDX推进剂燃烧性能影响较大。

（3）草酸亚铁对KNDX推进剂燃烧性能的影响。KNDX推进剂的性能随草酸亚铁添加比例的不同而有不同程度的改变，实验数据见表1。结果表明，添加1%时，发动机模拟装置性能取得最大改善，随着草酸亚铁添加比例的增加，发动机平均推力、最大推力和推进剂比冲都有下降的趋势。添加1%草酸亚铁的推进剂线性燃速增加了70%以上，在燃烧时质量流量更加稳定，但后期仍有轻微喘燃现象。添加1%草酸亚铁的KNDX推进剂燃烧温度明显升高，喷管出口处的气体温度从未改性的420℃上升到了620℃。

（4）二茂铁对KNDX推进剂燃烧性能的影响。实验数据见表2。结果表明：在常压下添加二茂铁对KNDX推进剂产生了良好的燃速调节效果，但在模拟发动机工作的较高压强下，添加二茂铁的效果并不理想，有明显的喘燃现象。发动机模拟装置的各项性能随二茂铁添加比例的增加而有所改善，在所测的5种添加比例中，添加5%的KNDX推进剂取得了最好的效果，但相对于其他添加剂仍不理想。添加5%二茂铁后，推进剂线性燃速增加了60%以上，发动机推力和推进剂比冲都随着二茂铁添加比例的增加有相对较大的改善。

（5）镁粉对KNDX推进剂燃烧性能的影响。实验数据见表3。结果表明：改性KNDX推进剂各方面的性能都随着镁粉添加比例的增加而稳步提高。在1%-5%的添加比例范围内，镁粉的添加比例越大，对KNDX推进剂的改善效果就越明显。当添加5%镁粉后，发动机质量流量和推力明显稳定，几乎没有喘燃现象，线性燃速增加了一倍多。因为镁粉燃烧放热量大，能量输出高[1]，推进剂燃烧温度和亮度有了大幅度的提高，所以添加镁粉可以为火箭发动机提供闪亮的尾焰。但随着燃气温度的增高，所需防热层也越厚[2]，在本文实验中，发动机模拟装置的燃烧室会因高温而受损。

3.结论

（1）不同的添加剂和不同的添加比例对KNDX推进剂燃烧性能有较大影响，并与燃烧环境压强的大小有关。

（2）在常压开放环境下，添加比例为3%或5%的添加剂对KNDX推进剂的改善效果为：二茂铁>镁粉>草酸亚铁>乙酸铅>升华硫>氧化铁>氧化铜>铝粉>碳粉>不添加>碳酸钙。二茂铁、镁粉和草酸亚铁对KNDX推进剂燃速、温度、燃面和残渣量有较大改善。

（3）在发动机模拟装置工作的一定压强下，添加剂对KNDX推进剂的改善效果为：5%镁粉>1%草酸亚铁>5%二茂铁>不添加。

参考文献：

[1] 潘功配.高等烟火学[M].哈尔滨工程大学出版社，2007.63-64

[2] 方兰，冯祖钺，付全如，等.探空火箭设计[M].宇航出版社，1993.298-299

[3] 陆殿林，樊学忠，孙玉坤，等.XXLDB推进剂燃烧性能研究[J].火炸药学报，2001，（4）：50-51

（本文作者为江苏省南菁高级中学在读学生，业余火箭爱好者）endprint