KNSB推进剂最佳配比研究

凌一洲

KNSB推进剂是一种常用的固体火箭推进剂，它由硝酸钾（氧化剂）和山梨醇（可燃剂）组成。KNSB推进剂较另外两种硝糖推进剂，压强指数更小、可塑时间更长、比冲更大，因而被广泛使用。不同配比的KNSB推进剂的燃烧性能也各不相同。

KNSB推进剂较为常用的配方为65%硝酸钾和35%山梨醇或60%硝酸钾和40%山梨醇。但由于各种实际因素，KNSB的最佳配比需要根据实际情况而定。本文通过比较不同配比的KNSB推进剂实际燃烧情况，来确定它在不同情况下的最佳配方。

一、实验过程

1.KNSB推进剂样品的制备

实验需要的主要试剂为硝酸钾、山梨醇，主要仪器为粉碎机、筛子、电子称、烧杯、铁架台、酒精灯。KNSB推进剂的配方如表1所示。

2.推进剂的制作方法

（1）使用粉碎机将硝酸钾粉碎，用筛子筛除较大的颗粒。除去粉碎后硝酸钾中的水分。

（2）用电子称按配方称取一定质量的硝酸钾和山梨醇。

（3）将称好的山梨醇倒入烧杯，置于铁架台，用酒精灯加热至熔化。将称好的硝酸钾倒入熔融的山梨醇中，迅速搅拌均匀。

（4）将混合好的KNSB推进剂压入Φ20mm×1mm-L50mm的PVC管中，冷却成型。制成的KNSB推进剂药柱为白色固体，需用变色硅胶干燥并密封保存。

二、燃烧测试

1.实验仪器

上海市中小学数字化实验系统研发中心LW-6163 高温传感器、摄像机、计算机。

2.实验方法

将药柱水平固定，高温传感器探针顶部紧靠着药柱前段正中间，用两台摄像机分别拍摄推进剂燃烧的火焰情况和药柱燃烧进程。用卫生香点燃药柱前端，推进剂燃烧，计算机屏幕出现高温传感器“温度-时间”曲线，通过曲线可得知最高温度。

计算摄像机录像中，从药柱被点燃开始，到药柱后端开始出现火星结束的时间，可得出药柱的燃烧时间。用酸液清洗探针，并重复实验。

三、结果与讨论

1.实验数据

记录高温传感器最高温度和录像中推进剂的燃烧时间，并计算推进剂线性燃速。通过观察录像可分析燃烧产物和发火难度。实验结果数据如表2所示。

2.对线性燃速的影响

不同配比的KNSB推进剂常压燃速不同，KNSB推进剂配比与线性燃速的关系如图1所示。

由图1可明显看出，KNSB推进剂配比对燃速的影响很大，当硝酸钾含量为67.5%时，线性燃速达到最大值。硝酸钾含量为65%时的线性燃速略微超过含量为60%的情况，但差异不大。由此可见，能通过增加硝酸钾含量来提高燃速。

3.对燃烧产物的影响

当硝酸钾含量小于62.5%时，KNSB推进剂氧平衡值小于-28.1%。贫氧燃烧后残渣呈灰黑色，含有大量的碳，说明燃烧不充分。在这种情况下，生成气体中一氧化碳含量增大，应注意防护，避免吸入。

当硝酸钾含量为65%至67.5%时，KNSB推进剂负氧平衡，氧平衡值为-14.3%至-10.5%，山梨醇完全燃烧，硝酸钾也刚好用完。在这种情况下，KNSB推进剂能产生最多的气体。

当硝酸钾含量超过70%时，KNSB推进剂氧平衡值大于-6.6%。推进剂燃烧时，山梨醇完全燃烧，多余的硝酸钾熔化后变为大量残渣，不能产生推力，不利于KNSB推进剂的燃烧。并且，残渣过多不方便清洗，不利于发动机的重复使用。

4.对火焰温度的影响

不同配比的KNSB推进剂燃烧温度不同。理论上，随着硝酸钾含量的增加，燃烧温度也会随之增加。但在实际情况中，过量的硝酸钾受热分解，变为残渣，温度不会继续上升。实验结果为，当硝酸钾含量为65%至67.5%时火焰温度最高，接近1000℃。当硝酸钾含量为60%时，火焰温度仅为600℃。

由此可见，KNSB燃烧温度低于钢熔化的温度，但超过了铝的熔点。铝材质的发动机适合使用硝酸钾含量为60%的推进剂，否则就需要根据实际情况设置隔热层。钢材质的发动机可选用硝酸钾含量为65%至67.5%的推进剂来提高比冲。

5.对其他因素的影响

随着推进剂配比改变，制作难度也有较大变化。由于KNSB的制作方法是将硝酸钾加入到熔融的山梨醇中并搅拌均匀，硝酸钾含量过多会造成可塑时间变短。正因为如此，当硝酸钾含量大于67.5%时，KNSB推进剂的制作难度较大。

KNSB推进剂的发火温度高于300℃，常温下较为稳定，不会因撞击、震荡而引燃。KNSB推进剂中，硝酸钾含量为62.5%至70%时点火较容易。硝酸钾或山梨醇含量过多都会造成推进剂难以点燃。当山梨醇含量过多时，卫生香使部分山梨醇熔化后才能勉强点燃药柱。

不同配比的KNSB推进剂对隔热要求也不同。实验中，硝酸钾含量超过70%或小于57.5%时，由于燃速过慢，燃烧时间过长，PVC管受到了严重的侵蚀，管体受损。硝酸钾含量为67.5%时，由于火焰过于猛烈，PVC管也因此变形。当硝酸钾含量介于60%和65%之间时，KNSB推进剂对隔热层的要求最低。

综上可得出结论：

（1）不同配比的KNSB推进剂燃烧效果不同，需根据实际情况确定KNSB推进剂的配方。

（2）在不受其他条件限制的情况下，KNSB推进剂的最佳配方为67%硝酸钾和33%山梨醇。用这一配方制成的KNSB推进剂具有燃烧温度高、线性燃速快、残渣量少、可塑时间长、点火方便、对隔热要求不高等特点。

（3）若采用铝材质的发动机，KNSB推进剂适合的配方为60%硝酸钾和40%山梨醇。（指导老师：王明立 常建强）