高湿环境装药对某型发动机性能影响分析

杜振宾

(海军装备部， 西安　710025)



高湿环境装药对某型发动机性能影响分析

杜振宾

(海军装备部， 西安710025)

相比普通固体推进剂,高燃速推进剂具有燃速高、能在短时间内提供大推力的特点,近年来被广泛应用于各类型固体发动机。针对某型固体火箭发动机采用细氧化剂含量较高的高燃速推进剂在高湿环境进行装药的可行性,通过不同湿度环境和贮存条件的细氧化剂对燃速影响的测试和发动机在三种不同燃速条件下的试车,得出高湿环境装药对该推进剂燃速有较大影响,会使燃速偏低,从而对发动机的内弹道性能产生影响。

固体火箭发动机;高燃速;内弹道性能

0　引　　言

固体火箭发动机由于结构简单、 可靠性高、 免维护等特点， 被广泛应用于助推发动机、 姿态控制发动机以及导弹用发动机中。随着对发动机内弹道性能要求的不断提高， 越来越多的发动机开始采用高燃速推进剂。高燃速推进剂配方中含有大量的燃速催化剂和细氧化剂(AP)， 生产过程中的燃速波动控制是高燃速推进剂生产中的难题。

研究发动机的内弹道性能一般采用试验法和数值仿真法[1-5]， 本文使用试验法研究某型发动机推进剂燃速与内弹道性能的关系。通过燃速测试研究某型高燃速推进剂(配方中细AP含量≥20%)在不同环境条件下贮存对其燃速的影响， 分析不同燃速推进剂装药的发动机试车得到的内弹道性能， 对发动机在高湿环境(湿度≥13 g水/kg干空气)装药的可行性进行了分析， 所得结果可为该发动机高湿环境装药提供参考。

1　高燃速推进剂燃速测试

1.1不同环境条件下细AP贮存对燃速的影响

1.1.1贮存24 h内对燃速的影响

不同湿度条件下粉碎细AP， 分别放置在真空(真空罐压力为3～6 kPa)、 高温烘料(烘房温度为60±10 ℃)、 干燥桶(密封塑料桶内放置干燥剂)贮存， 贮存时间≤24 h， 选取该高燃速推进剂配方， 相同条件下重复两锅装药， 结果如表1所示。表中锅间差为参数、 材料相同时第一锅燃速与第二锅燃速的差值。

表1　粉碎细AP贮存24 h内燃速的差异

由表1可以看出， 高湿环境相比低湿度条件贮存24 h内锅间差更大。 高温烘料贮存方法的燃速锅间差小于真空贮存和干燥桶贮存；细AP粉碎后在真空和高温烘料贮存24 h内第一锅燃速值接近， 但重复的第二锅燃速差异大， 得出细AP离开贮存环境后其状态会发生变化。 从燃速数据分析， 真空和高温贮存的细AP状态相对于干燥桶比较稳定， 细AP在高湿环境高温烘料的贮存方法有利于保持细AP状态。

1.1.2高湿环境贮存11 d和16 d后的燃速

高湿环境细AP在不同条件下贮存11 d 和16 d后的两锅推进剂燃速如表2所示。比较高温烘料和真空贮存不同时间燃速的差值， 高温烘料贮存比真空贮存条件燃速波动小，证明高湿环境贮存16 d时高温烘料较好地保持了细AP状态。从表1～2真空贮存下燃速可以看出， 真空贮存重复装药的第二锅燃速基本比第一锅燃速低， 高温烘料的燃速变化不大。

表2　贮存11 d和16 d的燃速波动

1.1.3高湿环境贮存25 d和30 d后的燃速波动

高湿环境细AP在不同条件下贮存25 d和30 d后的两锅推进剂燃速如表3所示。可以得出， 与贮存1 d相比， 贮存25 d和30 d后， 各贮存条件燃速均有明显降低， 其中高温烘料燃速降低最小， 自然贮存燃速降低最大。结果表明， 贮存25 d后， 各贮存条件均不能较好保持细AP状态。

表3　贮存25 d和30 d的燃速波动

1.1.4低湿度下贮存对燃速影响情况

畜禽粪便中四环素类抗生素的残留及危害……………………………………………………………………… 于晓雯，索全义（83）

低湿度(约2～3 g水/kg干空气)下， 细AP在不同条件下贮存不同时间对燃速的影响如表4所示。结果显示， 两种贮存方式燃速差异不大， 燃速波动相近， 高温烘料贮存方式的推进剂燃速高， 表明高温烘料能较好保持细AP的状态以使推进剂保持较高燃速。

表4　低湿度下不同条件下贮存的燃速情况

1.1.5中低湿度下高温烘料贮存对燃速影响情况

中低湿度(约4～8 g水/kg干空气)下， 根据在高湿度和低湿度条件下的研究结果， 进行了高温烘料贮存的两批细AP燃速随时间变化大小的测试， 结果见表5。两批细AP在高温烘料贮存60 d内燃速波动约为±1.2 mm/s， 燃速变化不大。

表5　中低湿度下高温烘料贮存不同时间的燃速情况

1.2细AP处理环境对燃速的影响

全尺寸推进剂装药与配方调试时的细AP处理环境湿度与暴露时间不同。 配方调试时， 因细AP用量小， 可在有环境控制条件的工位(湿度≤13 g水/kg干空气)进行过筛和称量， 细AP暴露时间最多5 min； 尺寸装药时， 细AP用量大， 过筛、 称量、 加料等工序的设备和厂房等条件不同， 约有30 min处于湿度不受控制的环境中， 因此全尺寸装药时细AP容易受外界环境影响。

模仿全尺寸装药的处理环境进行细AP暴露不同湿度、 不同时间的影响测试， 如表6所示。由表6可知， 同样的材料和装药工艺， 仅仅因细AP处理的环境不同， 可造成约3 mm/s的燃速差异， 再加上混合、 浇注等工艺的影响， 全尺寸装药燃速与配方调试的预期结果相比， 会产生较大差异。与中低湿度环境相比， 高湿环境对全尺寸装药燃速影响最大。

表6　细AP处理环境对燃速的影响

1.3燃速与内弹道性能的关系

已知某高燃速推进剂的三种不同燃速， 通过地面试车得到该发动机在不同燃速下的内弹道曲线， 如图1所示。其中： 燃速1为48.25 mm/s； 燃速2为43.08 mm/s； 燃速3为37.55 mm/s。

由图1可以看出， 该发动机在推进剂不同燃速下的内弹道性能差别较大。随着燃速的降低， 发动机内出现最大压强峰的时间滞后， 工作压强降低， 工作时间增加。燃速越低， 发动机的内弹道性能越差。

图1推进剂不同燃速下发动机内弹道曲线

2　测试结果分析与讨论

细AP在贮存过程中实际上处于软团聚状态[6]， 贮存环境和时间的不同会对其状态产生影响。 细AP的直径、 表面平均直径变化均会对燃速产生较大影响，表面平均直径越大， 燃速越低[7]。不同的团聚状态造成混合后细AP在推进剂药浆中的分散状态不同， 分散均匀， 燃速高， 反之燃速变低。因此， 贮存的温度和时间会影响其状态， 高温烘料下短时间贮存有利于保持细AP的状态。这与国外的高温保存细AP的方法一致。

从氧化剂结块机理上分析， AP粉体的单个颗粒多为晶粒， 颗粒上有大量新生成的尖锐棱角， 两棱或多棱相接触时极易形成盐桥， 并进而形成团聚和结块。细AP结块有着颗粒吸湿、 干燥、 结晶的循环过程， 在大颗粒之间产生新的晶体， 结晶体在大颗粒间起到架桥作用， 使颗粒结块。高温下进行烘料贮存细AP时， 因环境水份含量小， 可减少颗粒吸湿现象。相反， 高湿环境下， 刚粉碎的细AP在几小时内就可发生软团聚， 使得粒度增大。同时， 高温环境不利于颗粒结晶放热过程。 因此， 理论上高温贮存可以防止初始盐桥的形成， 从而起到防结块的效果。

通过发动机在推进剂不同燃速下试车得出的内弹道曲线， 可知燃速降低对内弹道的性能影响比较显著。对高燃速推进剂来说， 其燃速随环境不同容易产生较大波动， 尤其是高湿环境对细AP的状态影响很大， 各种储存条件均不能很好保持细AP状态， 会使燃速降低较显著。在高湿环境装药时， 细AP在环境中暴露对燃速也有较大影响。由此可以得出该发动机在高湿环境装药会使推进剂燃速明显降低， 将对发动机的内导弹性能产生较大影响。

3　结　　论

通过对某发动机高燃速推进剂进行的一系列燃速测试和发动机在推进剂三种不同燃速下的试车， 得出如下结论：

(1) 高燃速推进剂燃速受环境湿度影响较大， 在高湿环境下各种贮存条件均不能保持推进剂中细AP状态， 随着贮存时间的增加， 燃速会有明显降低；

(2) 高温烘料贮存条件保存细AP贮存状态比真空、 干燥容器、 自然贮存等条件好， 其贮存细AP装药燃速的波动小于其他贮存方法；

(3) 燃速对该发动机内弹道性能影响较大， 随着燃速的降低， 发动机内出现最大压强峰的时间滞后， 发动机工作时间增加， 内弹道性能下降；

(4) 高湿环境装药会使高燃速推进剂燃速明显下降， 这会进一步导致发动机内弹道性能降低， 因此采用高燃速推进剂的发动机应避开高湿环境装药。

[1] 曹任刚.无喷管固体火箭发动机内弹道计算[J].航空兵器, 2006(1): 57-60.

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Analysis of the Effect of High Humidity Environment Charge on the Performance of Certain Solid Rocket Motor

Du Zhenbin

(Equipment Department of the Navy， Xi’an 710025， China)

Compared with ordinary solid propellant, high burning rate propellant can provide a large thrust in a short time, which has been used in various types of solid motors in recent years. For analyzing the feasibility of high humidity environment charge for a certain solid rocket motor using high burning rate propellant with high content of fine oxidant, the effects of fine oxidant in different humidity and storage conditions on burning rate are tested, and the motor is tested under three different burning rate conditions. The test results show that high humidity environment charge has great impact on the burning rate of used propellant, which will lead to low burning rate and influence the interior ballistic performance of motor.

solid rocket motor； high burning rate； interior ballistic performance

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.005

2015-11-07

杜振宾(1987-)， 男， 湖北天门人， 硕士， 助理工程师， 研究方向为航空宇航科学与技术。

V435

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1673-5048(2016)03-0022-04