收集方法对NEPE推进剂凝相燃烧产物特性的影响

胡 翔，庞爱民，汪 越，唐 泉，韩丽萍

(中国航天科技集团公司四院四十二所，襄阳 441003)

收集方法对NEPE推进剂凝相燃烧产物特性的影响

胡 翔，庞爱民，汪 越，唐 泉，韩丽萍

(中国航天科技集团公司四院四十二所，襄阳 441003)

采用燃烧室药条法、密闭容器法和密闭弹燃烧法收集NEPE推进剂凝相燃烧产物(CCP)，研究了收集方法对CCP粒度分布、表面形态及元素组成的影响。结果表明，3种收集方法所得CCP的D43、D50和W≥100 μm大小关系：燃烧室药条法>密闭弹燃烧法>密闭容器法。密闭容器法收集的产物颗粒表面粗糙，含C元素和其他杂质元素多，可能与其颗粒冷却方式有关；燃烧室药条法和密闭弹燃烧法得到的产物颗粒表面光滑，含C元素和其他杂质元素少。

推进剂；凝相燃烧产物；粒度分布；收集方法

0 引言

固体火箭发动机中含铝推进剂燃烧产生大量CCP颗粒，可引起二相流损失、绝热材料烧蚀和排气羽流特征信号等问题。燃烧室内CCP颗粒越大，二相流损失越严重，严重时可使发动机比冲损失3%～5%[1]。燃气中2 μm以下粒径CCP颗粒能引起排气羽流能见度显著增加，暴露飞行轨迹。高温燃气中的CCP颗粒对声振荡产生颗粒阻尼，约占维持发动机稳定工作所需总阻尼的30%[2]。颗粒阻尼大小与CCP粒度分布有关，而后者与铝粉的团聚和燃烧过程有关。CCP粒度分布、元素组成等特性与推进剂燃烧过程紧密相关，是研究推进剂燃烧性能与铝粉燃烧机理的重要途径[3]。因此，国内外对SRM燃烧室内CCP产生机理和特性进行了大量研究[3-5]。CCP收集是进行产物特性研究的基础，国内外已开发出多种收集方法，主要有密闭容器法、折管法、硬质盘法和带有颗粒采样器的飞行器法等[4-5]。不同收集方法所得CCP特性存在差异，如文献[5]中密闭容器法0°收敛角时收集的颗粒D43=5.721 μm，而折管法的为37.46 μm，两者差异明显。

本文以NEPE推进剂为测试对象，开展了3种收集方法实验研究，并利用激光粒度分析仪、扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)分别对CCP进行粒度分布、微观表面形态及元素组成分析，比较收集方法对CCP特性的影响。研究结果亦可为推进剂配方设计、燃烧模型研究、颗粒阻尼研究等提供有效原始数据。

1 实验

1.1 推进剂性能

使用3组性能不同的NEPE推进剂开展实验，3组推进剂的部分配方特性见表1。其中，推进剂B不含降速剂，使用的AP为粗、细二元级配，燃速最高。推进剂A和B均使用Q1铝粉(D50=30.14 μm)，而推进剂C使用Q3铝粉(D50=13.61 μm)。

表1 NEPE推进剂配方特性

注：1)r为20 ℃下的静态燃速，由WAE-2000C测试。

1.2 收集方法

3种收集方法燃烧室均为密闭容器，无喷管性回归得到了混合体系结构，可避免喷管对CCP粒度分布的影响，实验条件如表2所示。根据安全规定，密闭弹燃烧法只能进行初始压强小于3 MPa的收集实验。

表2 凝相燃烧产物收集实验条件

1.2.1 燃烧室药条法

静态燃速测试仪WAE-2000C结构改装后可收集CCP颗粒，收集实验系统如图1所示。工作过程中，蓄能瓶起到较好稳压作用，使得工作压力先略上升，再下降至平稳。实验方法参考标准GJB 770—2005方法706.2，且燃烧室采用高压N2填充，药条于药池中燃烧。高温燃烧产物自然冷却后，通过燃烧室底部导管缓慢通入无水乙醇中，可保证气相中的细微CCP颗粒被彻底收集。使用无水乙醇清洗药池和燃烧室内壁，收集洗液。所得乙醇混合液经沉降、离心、多次洗涤、干燥等处理后，得到CCP。

1.2.2 密闭容器法

采用西北工业大学航天学院的粒子收集装置，可对燃面上方指定距离处燃烧粒子进行冻结和收集，实验系统如图2所示[6]。推进剂药柱一端固定，另一端燃烧，并使用绝热材料包覆周边以减少热量损失。推进剂燃烧产生大量燃气的同时，冷却水从排水泄压装置流出。调整排水泄压装置出水孔板直径，使得排水流量与燃气体积产率相等，从而获得稳定压强。冷却水的深度保证了排水过程中只排出水，无CCP粒子损失。推进剂燃烧结束后，收集冷却水，并进行沉降、过滤、离心、无水乙醇洗涤、多次离心、洗涤、干燥等操作，得到CCP。

1.2.3 密闭弹燃烧法

采用GR-3500型氧弹式热量计中的氧弹收集CCP，且用高纯N2填充。4.0 g推进剂颗粒于耐高温金属坩埚中燃烧，热力学计算表明氧弹内最高压强不超过10 MPa。燃烧产物自然冷却、沉降后，收集、后处理，得到CCP。泄压时，可能存在少量细微CCP颗粒随气流逸出而损失。

选用基于全量程米氏光散射原理的TopSizer激光粒度分析仪进行CCP粒度分析，可测粒径范围为0.020 ～2 000 μm。粒度分析实验中，从CCP样品中多点取样，取样总量为0.3 ～1.0 g，并使用超声波分散技术促使板结状产物解聚，测试不少于3次，取平均值。选用Quanta650扫描电镜联用X射线能谱仪对CCP进行微观表面形态分析及表面元素组成分析。

2 实验结果与分析

2.1 粒度分析

采用密闭容器法进行了3、7 MPa工况的研究，所得凝相燃烧产物粒径分布曲线如图3所示。结果表明，2种压强下收集的CCP粒度分布差异小，与张明信等[7]采用激光全息法得到的结果一致。因此，将这2种工作压强对粒度分布的影响作等同处理。实验中，不再考虑3种收集方法之间压强差异对CCP粒度分布的影响。

图4为推进剂A、B和C在3种收集方法中所得CCP的粒度分布曲线。

由图4可见，推进剂A和C在燃烧室药条法和密闭弹燃烧法中所得CCP粒径均呈双峰分布，在密闭容器法中呈三峰分布；3组推进剂在燃烧室药条法中所得CCP最频粒径均大于100 μm，密闭容器法和密闭弹燃烧法中均小于20 μm；3种推进剂在燃烧室药条法中所得CCP粒度分布范围均最宽，密闭容器法中最窄，与大颗粒CCP粒径粒度有关。

表3给出了3组推进剂在不同收集方法中得到的CCP的粒径参数。可以看出，3种收集方法得到的粒度参数差异明显，但密闭弹燃烧法的粒径参数与密闭容器法的较接近。

编号W/%≤10μm10～100μm≥100μmD50/μmD43/μmABCⅠ17．9140．9241．1746．14147．6Ⅱ49．8936．8913．2210．0737．87Ⅲ28．1444．2827．5820．26100．4Ⅰ34．6739．3625．7026．7173．92Ⅱ76．1322．681．194．9689．657Ⅲ72．5423．154．312．23716．70Ⅰ14．4527．3058．25213．0331．5Ⅱ50．8234．9514．239．7046．07Ⅲ35．0247．6817．3015．1163．78

图5为表3中推进剂CCP粒径随收集方法的变化情况。

可见，3种收集方法所得同种推进剂CCP中10 μm及以下粒径颗粒含量大小关系：密闭容器法>密闭弹燃烧法>燃烧室药条法，且密闭容器法明显大于燃烧室药条法；100 μm及以上粒径颗粒含量大小关系：燃烧室药条法>密闭弹燃烧法>密闭容器法，燃烧室药条法明显大于密闭容器法；D50和D43大小关系基本与100 μm及以上粒径颗粒一致。实验表明，燃烧室药条法中推进剂燃烧生成的大颗粒CCP最多；密闭容器法中大颗粒最少，平均粒径最小。根据铝的燃烧理论，大颗粒CCP来自于铝凝团的燃烧。大颗粒CCP越多，表明推进剂中铝的团聚越严重。因此，燃烧室药条法中铝的团聚最严重。

2.2 表面形态分析

采用Quanta650扫描电镜对凝相燃烧产物颗粒进行了表面形态分析，选取了特征性较强的B推进剂CCP扫描电镜照片(图6)进行比较。由图6可看出，燃烧室药条法所得CCP颗粒大小分明，大颗粒表面完整，且易粘连细小颗粒，小颗粒表面光滑、多为规则球体，大、小颗粒容易聚集；密闭容器法所得CCP颗粒表面粗糙，形状不规则，大颗粒表面存在开裂等缺陷，颗粒间无规律聚合；密闭弹燃烧法所得CCP颗粒表面最光滑，大颗粒表面粘连少，小颗粒尺寸大小分布窄，片状物厚度为20～40 μm。分析认为，是由干燥过程中的小颗粒CCP在容器内壁上吸附并板结而成。

3种收集方法所得CCP表面形态与李疏芬等[8]研究结果相似，但3种收集方法得到的CCP存在形态差异，尤其是密闭容器法与另两者的差异明显。密闭容器法中CCP表面粗糙的原因可能与高温燃烧粒子表面和水的作用有关。燃烧室药条法和密闭弹燃烧法中CCP自然冷却，小颗粒在表面张力作用下形成表面光滑的规则球体。因此，燃烧室药条法和密闭弹燃烧法的CCP的表面形态接近。

2.3 表面元素组成

使用X射线能谱仪对3种收集方法所得推进剂A和B的CCP进行表面元素分析，元素组成如表4所示，主要含有Al、O、C，其他元素(主要为Fe、Cl、Cr等)总含量低于10%。元素含量与收集方法有关：密闭容器法所得CCP颗粒表面Al元素含量最低，C和其他元素含量最高；密闭弹燃烧法所得CCP颗粒表面Al元素含量最高，C和其他元素含量最低；3种收集方法中，密闭容器法所得CCP颗粒表面Al、O元素质量比Al/O最小，密闭弹燃烧法的最大，非常接近Al2O3中两元素比值1.125。

表4 推进剂A和B的CCP表面元素组成分析

骨架层理论指出，粘合剂在推进剂的凝聚相中，分解形成高熔点的碳骨架，碳骨架形成的孔洞结构能够吸附熔融铝，熔融铝聚集形成铝凝团[3,9]。密闭容器法中铝凝团在气相中滞留时间最少，燃烧最不充分，表面的碳骨架燃烧不充分而大量保留，因而所得CCP表面的主要元素中Al元素含量最低，C元素含量最高。密闭弹燃烧法中，铝凝团的燃烧最充分，所得CCP表面的主要元素中Al元素含量最高，C元素含量最低。

3 结论

(1)收集方法影响CCP的粒度分布、表面形态和表面元素组成等特性，各特性随收集方法变化而呈现不同变化规律。

(2)燃烧室药条法中铝粉团聚严重，得到的大颗粒CCP较多，粒度分布范围最宽，CCP的平均粒径最大；密闭容器法的小颗粒CCP较多，大颗粒CCP较少，平均粒径最小。

(3)密闭弹燃烧法收集的CCP颗粒表面最光滑，颗粒表面C元素含量少，Al元素含量高。

[1] Sippel T R,Son S F,Groven L J,et al.Exploring mechanisms for agglomerate reduction in composite solid propellants with polyethylene inclusion modified aluminum[J].Combustion and Flame,2015(162):846-854.

[2] 李上文,赵凤起,徐司雨.低特征信号固体推进剂技术[M].北京：国防工业出版社,2013.

[3] 唐泉,庞爱民,汪越.固体推进剂铝粉燃烧特性及机理研究进展分析[J].固体火箭技术,2015,38(2):232-238.

[4] 张宏安,叶定友,侯晓.固体火箭发动机凝聚相微粒分布研究现状[J].固体火箭技术,2000,23(3):25-28.

[5] 张胜敏,胡春波,徐义华.密闭容器法和折管法收集凝相颗粒对比分析 [C]//中国宇航学会固体火箭推进专业委员会第二十六届年会.2009.

[6] 赵志博,刘佩进,张少悦,等.NEPE高能推进剂凝相燃烧产物的特性分析[J].推进技术,2010,31(1):69-73.

[7] 张明信,魏剑维.影响Al2O3凝相尺寸分布因素的研究[C]//中国航天第三专业信息网第二十一届技术信息交流会.2000.

[8] 李疏芬,金荣超.固体推进剂燃烧残渣的粒度分析[J].固体火箭技术,1995,18(4):23-28.

[9] Babuk V A,Dolotkazin I N,Glebov A A.Burning mechanism of aluminized solid rocket propellants based on energetic binders[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2005,30(4)：281-290.

(编辑：薛永利)

Effects of collection methods on characteristics of condensed combustion products of NEPE propellant

HU Xiang,PANG Ai-min,WANG Yue,TANG Quan,HAN Li-ping

(The 42nd Institue of the Fourth Academy of CASC,Xiangyang 441003,China)

Condensed combustion products (CCP) of NEPE propellant were collected by three different collection methods.The collection methods include strand burner (using propellant strip),sealed container and closed bomb method.Effects of the collection methods on the particle size distributions,surface morphologies and the surface elemental compositions of CCP were studied.The relationships ofD43,D50andW≥100 μmof CCP obtained by the three collection methods could be found.The values obtained by strand burner method are the highest,while values obtained by sealed container method are the lowest.The surface of CCP obtained by sealed container method is rough with a higher content of C and other elements,which might relate to its cooling mode.Meanwhile,the surface of CCP collected by the other two methods is smooth with a lower content of C and other elements.

propellant;condensed combustion product;particle size distribution;collection method

2015-11-24；

2016-01-11。

胡翔(1990—)，男，硕士，研究方向为固体推进剂燃烧性能。E-mail：hxzgz1990@sina.com

V512

A

1006-2793(2017)01-0065-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.01.011