基于MEMS微型发动机的装药选择

陈 静，胡松启，杨 文，吴 昊



基于MEMS微型发动机的装药选择

陈 静1，胡松启2，杨 文1，吴 昊1

（1.陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061；2.西北工业大学 燃烧、流动和热结构国家级重点实验室，陕西 西安，710072）

TG）和差示扫描量热法（DSC）对不同配比的斯蒂芬酸铅（LS）/硝化棉(NC)、二硝铅(LD)/硝化棉(NC)的热分解特性进行了研究；采用高速摄影系统和电源系统完成了基于MEMS微型发动机的点火试验，测得了不同配比的LS/NC和LD/NC的点火功率。研究结果表明：NC对LD的热敏性与能量的影响并不明显，而NC能够提高LS的热敏感性与能量；配比为5:5的LS/NC推进剂的最小点火功率为2.16W，点火响应速度较快且放热量高，适合作为微推进器装药。

微型发动机；装药；热分解特性；点火性能

基于MEMS的固体微推力器(MEMS-based solid propellant microthruster，MEMS-SPMT)具有尺寸小、结构简单、无可动部件、微冲量精度高、集成性好的特点，在微小卫星姿轨控技术中具有广阔的应用前景[1-2]。微型固体推进剂装药与常用推进剂有很大区别，要求具备高热敏特性、较短的点火延迟时间和好的装填性能。2001年Rossi等[3]使用了GAP类推进剂，研究发现其装填过程中工艺性能好，燃烧产物无毒无害，且点火需要的功率较低。2005年Kaili Zhang等[4]使用黑火药作为MEMS-SPMT的推进剂。其配方为90 %黑火药（75 %硝酸钾，15 %炭，10 %硫）、6%AP、3%Al、1%Fe2O3。2006年南京理工大学肖贵林等[5]研究了装药分别为硝酸肼镍和斯蒂酚酸铅的微推进器的推进性能。斯蒂芬铅较硝酸肼镍有更好的电热敏性，瞬间微推力和总冲较大，流动性能较差，适用于药室直径很小、推进器单元集中程度较高的阵列。而硝酸肼镍装药则适用于药室直径在毫米级、所需微推力和总冲较小的阵列。2007年Rossi等[6]以双基推进剂和黑火药按比例混合配置用于MEMS-SPMT推进剂。当点火功率600mW时，双基推进剂不能被点燃，而含10 %、20 %和30 %黑火药的双基推进剂都能被顺利点燃，点火延迟在150 ms左右，其平均燃速分别为（3.1±0.1）mm/s、（3.4±0.1） mm/s、（4.6±0.2）mm/s。

基于MEMS的微型发动机装药与常用装药有很大区别，要求装药具备高热敏感特性、较短的点火延迟时间、放热量高等特点，装药选择直接决定着微型发动机的工作过程。本文以基于MEMS的微型发动机阵列为研究对象，选用斯蒂芬酸铅（LS）/硝化棉(NC)、二硝铅(LD)/硝化棉(NC)为装药，通过热重法（TG）和差示扫描量热法（DSC）对不同配比的LS/ NC、LD/ NC的热分解特性进行了研究，采用高速摄影系统和电源系统完成基于MEMS微型发动机点火试验，研究不同配比的LS/NC和LD/NC的点火性能，从而筛选出适合微型发动机的装药。

1 装药热解特性研究

1.1 实验仪器

MettlerHP DSC827e高压DSC热分析仪；梅特勒·托利多TG/DSC同步热分析仪；坩埚；Telodo AB 135-s天平。

1.2 实验条件

实验压强：常压，0.1MPa；升温范围：DSC升温范围设定为50~500℃，TG升温范围设定为50~1 000℃；升温速率：DSC和TG的升温速率均设为15℃/min；试样量＜1mg，样品用量0.5~0.7mg；实验气氛，N2。

1.3 各组分的物理化学性质

斯蒂芬酸铅（2,4,6-三硝基间苯二酚铅，C6H(NO2)3O2Pb•H2O）是一种起爆能力较低的单质起爆药，密度3.02 g/cm3，熔点260～310 ℃（爆炸），爆发点282 ℃（5 s），爆燃点275 ～280 ℃[7-8]。通常由硝酸铅溶液与斯蒂芬酸（2,4,6-三硝基间苯二酚）的钠盐或镁盐溶液反应制得。二硝铅（2,4-二硝基间苯二酚铅，C6H2(NO2)2O2・Pb）为黄色或橙色针状离散结晶，密度为 3.2g／cm3，爆热1.126kJ/g，爆发点265℃。硝化棉为白色或微黄色棉絮状，分子式为[C6H7O2(OH)3-(ONO2)]，其中为纤维素的聚合度（通常取4），表示纤维素单个链节上羟基被硝酸酯基所取代的数量[7-8]。本文选用的硝化棉含氮量为12.75 %。

1.4 实验方案

为了分别比较不同配比LS/NC、LD/NC热分解性能，设计了不同配比的LS/NC配方和LD/NC配方，如表1所示。通过比较LS/NC配方，考察添加不同比例的硝化棉后，斯蒂芬酸铅热敏感性的变化规律。同时比较LD/NC推进剂配方，考察加入不同比例的硝化棉后，二硝铅的热敏感性的变化规律。

表1 LS/NC和LD/NC配方

Tab.1 The formulation of LS/NC and LD/NC

推进剂配方配比 wLS/wNC5:56:47:3 wLD/wNC5:56:47:3

1.5 实验结果分析

3种配比的LS/NC的DSC曲线如图1所示。表2是对应图1中3条曲线的特征温度和放热量。LS的热分解峰温为277.5°C[9]，NC的热分解峰温为211°C，结合图1、表2看出，3种配比的LS/NC的第1峰温为NC的热分解峰温，第2峰温为LS的热分解峰温，添加NC后LS热分解峰温下降了19°C左右，说明NC能提高LS的热敏感性。

3种配比的LS/NC随着NC含量的降低，放热量是呈下降趋势的，说明NC分解产物与LS反应的放热量较大。两种组分的放热量之和随着NC含量的增加而提高，因此可以看出添加NC能提高LS/NC装药分解放热量。

3种配比的LD/NC的DSC曲线如图2所示。表3是对应图2中3条曲线的特征温度和放热量。

表2 3种LS/NC的DSC特征值

Tab.2 DSC characteristic value of three kinds of LS/NC

装药配比Tf1/°CΔHf1/(J·g-1)Tf2/°CΔHf2/(J·g-1)ΔHf1+ΔHf2/(J·g-1) LS/NC5:5210.33895.83259.87782.061 677.89 6:4209.12719.61258.15676.971 396.58 7:3210.20409.58257.45527.74937.32

注：表中值均为多次试验平均值

表3 3种LD/NC的DSC特征值

Tab.3 DSC characteristic value of three kinds of LD/NC

装药配比Tp1/°CQP1/(J·g-1)TP2/°CQP2/(J·g-1)QP1+QP2/(J·g-1) LD/NC5:5212.2`1 158.88263.61 045.452 204.33 6:4212.5820.80264.91 372.482 193.28 7:3212.6736.48266.41 449.802 186.28

注：表中值均为多次试验平均值

LD的热分解峰温为266.9°C[9]，结合图2、表3可见，3种配比的LD/NC的第1峰温为NC的热分解峰温，第2峰温为LD的热分解峰温，其中添加NC后LD热分解峰温无明显变化。比较不同配比的LD/NC发现，随着NC含量的增大，第2峰温是降低趋势，但是幅度不大，这是由于药剂的分解环境是流速缓慢的惰性气体，NC的分解产物部分会随着流动的气氛流出，但由于两个温峰相距较近，仅会残留少量的NC的分解产物与LD反应放热，使得LD的分解峰温略有下降。因此可得出结论：NC对提高LD热敏感性效果并不明显。

3种配比的LD/NC随着NC含量的降低，放热量略微降低但并不明显。两种组分的放热量之和随着NC含量的增加没有明显变化，因此可以看出NC含量对LD/NC装药分解放热量影响不大。

2 微型发动机点火试验研究

2.1 点火方式

基于MEMS微型发动机常见的点火方式主要为桥膜电阻丝加热点火。微型发动机能否正常工作主要取决于点火电路的可靠性和点火功率，因此电路中最关键的部位是点火电阻。本文采用的点火电阻丝结构如图3所示。

图3 点火电阻丝结构

2.2 试验方案

本试验采用挤压式微药柱成型装置制作不同配比的LS/NC药柱和LD/NC药柱，配方如表4所示，药柱为圆柱形，直径约0.8mm，长度为0.8mm。点火试验采用MEMS固体微型发动机阵列进行，该结构如图4所示。

图4 微型发动机阵列

表4 装药配方

Tab.4 The formulation of charge

编号w斯蒂芬酸铅/%w二硝铅/%w硝化棉/% 1-1-5050 1-2-6040 1-3-7030 1-4-8020 2-150-50 2-260-40 2-370-30 2-480-20

2.3 试验结果

微型发动机在工作时，电源提供恒压信号，这样可以节省电源体积，易于控制，采用恒压电源对推进器进行通电测试。同时采用高速摄影系统记录点火装置工作过程，摄影频率为8 000帧/s。点火试验结果如表5所示。由表5可见，1-1和2-1两个试样，含有相同的粘结剂硝化棉，1-1的最低点火功率为2.43W，2-1的最低点火功率为2.16W，说明以斯蒂芬铅为氧化剂的装药点火性能优于以二硝铅为氧化剂的装药，分别对比1-2和2-2，1-3和2-3，1-4和2-4，也能得出相同的结论。

表5 点火试验结果

Tab.5 The ignition test result

点火功率/W2.162.432.612.803.003.203.41 1-1未点火点火点火---- 1-2未点火未点火点火点火--- 1-3未点火未点火未点火未点火点火-- 1-4未点火未点火未点火未点火未点火点火- 2-1点火点火点火---- 2-2未点火未点火点火---- 2-3未点火未点火未点火点火--- 2-4未点火未点火未点火未点火点火--

比较试样1-1、1-2、1-3、1-4，可见随着二硝铅含量的增大，所需的点火功率也增大，说明随着二硝铅的含量增加，点火性能会降低；比较试样2-1、2-2、2-3、2-4，可见随着斯蒂芬铅含量的增大，所需的点火功率也增大，说明随着斯蒂芬铅的含量增加，点火性能会降低。通过表5的点火试验结果可知，当装药中斯蒂芬酸铅和硝化棉的配比为5:5时较小的点火功率就能使推进剂成功点火，且点火响应速度较快，能稳定燃烧，没有熄火现象，力度大，响声清脆。采用高速摄影系统拍摄了微型固体发动机的点火燃烧过程。整个工作过程约在0.3ms内完成，最小点火功率为2.16W，如图5所示。

图5 微型发动机阵列点火试验过程

3 结论

添加硝化棉能够提高斯蒂芬酸铅热敏感性与能量，硝化棉含量越多，LS/NC装药分解放热量越大，添加硝化棉提高二硝铅热敏感性与能量的效果并不明显；点火试验表明随着装药中硝化棉含量的减少，微型发动机阵列需要的点火功率增大；对比相同配比的LS/NC和LD/NC，以LS作为氧化剂的推进剂所需的点火功率更小，更加容易点火；配比为5∶5的LS/NC装药点火功率为2.16W，小于其他配比的装药，能稳定燃烧，没有熄火现象，点火响应速度较快且热敏感性好，放热量高，适合作为微推进器装药配方。

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Study on the Charge Selection of Micro-motors Based on MEMS

CHEN Jing1，HU Song-qi2，YANG Wen1，WU Hao1

(1.Shaanxi Applied Physics and Chemistry Reasearch Institute, Xi’an, 710061；2. National Key Laboratory of Combustion, Flow and Thermo-structure，Northwestern Polytechnical University, Xi’an, 710072)

Thermal decomposition characteristics of different proportions of lead styphnate(LS) / nitrocelluloset(NC), lead dinitramide(LD) / nitrocellulose(NC) were studied by thermogravimetry (TG) and differential scanning calorimetry (DSC).The ignition and combustion process of different proportions of LS / NC and LD/NC were investigated in packaged combustion chamber, by using high-speed camera system, as well as the ignition power of LS/NC and LD/ NC with different proportions was measured. Results indicated that the heat-sensitivity and energy of LD was not improved obviously by adding nitrocellulose, while the heat-sensitivity and energy of LS was increased. When the proportion of LS/NC is 5:5, the lowest ignition power of the charge is 2.16W, the ignition response rate is fast, and the release heat is high, which show the charge is suitable as micro-thruster charge.

Micro-motors；Charge；Characteristic of thermal decomposition；Ignition property

TJ450.3+2

A

2016-03-09

陈静（1990-），女，助理工程师，主要从事火工品设计研究。