2. 中国航天科技集团公司第四研究院, 陕西 西安 710025
2. The Fourth Academy of CASC, Xi′an 710025, China
粉末火箭发动机作为一种新概念火箭发动机[1-2], 其氧化剂和燃料均采用高能量密度的固体颗粒, 分别储存在各自的储箱内, 具有能量管理灵活、可多次启动和关机、结构简单、发射周期短等优势, 可应用于对精度和性能调节要求较高的动力装置。
美国Bell航空公司的Loftus[3]对Al/高氯酸铵(AP)粉末火箭发动机进行点火试车实验, 验证了粉末发动机的可行性, 得到发动机比冲效率最高达到88%, 但实验中出现低频振荡燃烧现象, 最小振荡幅度为±12%。西北工业大学的胡春波[4-5]等对Al/AP粉末发动机的点火及燃烧流动特性开展了实验研究和数值模拟, 发现减小粉末粒径和选用恰当的燃烧室特征长度, 有利于提高Al/AP的燃烧效率和缓解燃烧室内的压强振荡。但在实验中发现, 小粒径粉末不利于流化输运, 对粉末火箭的推进剂供给系统带来了一定难度, 同时超细AP长期储存容易吸湿结团, 影响粉末的使用性能。
本研究通过对AP粉末进行包覆团聚改善AP颗粒的表面特性, 研究预处理AP的装填密度、吸湿性、热分解特性以及Al/AP的点火燃烧特性, 为粉末火箭发动机的长期贮存和推进剂使用性能的提高奠定基础。
2 AP粉末预处理研究 2.1 预处理材料选择拟选用端羟基聚丁二烯(HTPB)、缩水甘油叠氮聚醚(GAP)和硝化棉(NC)三种材料对AP粉末进行预处理[6-7], 在保证长期储存的前提下, 使其能够更好地满足粉末推进剂的性能要求, 预处理材料与AP的质量比为5%、10%和15%。通过理论计算, 筛选出最优预处理材料和最佳配比。
采用吉布斯最小自由能法[8], 对Al/AP粉末发动机进行热力学计算。计算条件:初始温度为300 K, 燃烧室工作压强为3.44 MPa[3], 喷管扩张面积比Ae/At=70, 燃料和氧化剂分别为Al和预处理AP。通过比较不同组分下的燃料能量特征参数, 筛选出符合要求的配方体系, 计算得到不同预处理配方的理论比冲Is, 如图 1所示。
|
图 1 Al/AP粉末发动机理论比冲与预处理材料用量的关系 Fig.1 The relationship between Al/AP powder rocket Is and contents of pretreatment materials |
由图 1可知, 三种预处理材料对Al/AP粉末发动机的理论比冲均有一定提升作用, 大小关系依次为HTPB>GAP>NC; 在HTPB含量10%且氧燃比O/F=3:1时, Al/AP粉末发动机的理论比冲最高达262.1 s, 比未经预处理(含量0%)的理论比冲提高了15.1 s, 能量特性得到很大提升。
因此, 考虑到预处理材料的能量特性, 选用HTPB对AP进行预处理, 但10%的HTPB含量只是由热力计算获得的最佳配比, 而实验预处理的效果还与选用的添加剂及工艺流程等因素有关, 所以还需对HTPB预处理进行实验研究。
2.2 AP粉末的HTPB预处理实验采用5%、10%和15%的HTPB对粒径1 μm的超细AP进行预处理实验, 考虑到超细AP的吸湿性, 需要先对AP表面包覆再进行团聚处理。
将HTPB和甲苯二异氰酸酯(TDI)依次加入到四氢呋喃有机溶剂中充分搅拌, 待完全溶解后加入超细AP粉末, 恒温60 ℃搅拌使四氢呋喃缓慢蒸发, HTPB会与有机溶剂发生相分离并包覆在AP颗粒表面。待有机溶剂蒸发完后, 将包覆好的AP进行滚圆处理得到球形度较好的AP团聚颗粒。放入真空环境恒温72 ℃使HTPB与添加的TDI进行缩聚反应, 将AP颗粒牢牢包裹在HTPB内, 经过过筛处理, 即得到所需粒径的预处理AP颗粒。
2.3 密度测试固体颗粒密度的表征分为真实密度ρ和装填密度ρ′两种, 固体颗粒的真实密度可以利用密度瓶法[9]来进行测定, 而装填密度是粉末颗粒在储箱中经过振实处理后的堆集密度。为了保持AP粉末推进剂试样和测定装置的温度, 测试在(20±0.5) ℃的恒温室内进行, 在0%、5%、10%和15%的HTPB预处理条件下, 相同粒径AP(100 μm)的真实密度和装填密度与HTPB的关系如图 2和图 3所示。
|
图 2 AP真实密度与HTPB含量的关系 Fig.2 The relationship between AP real density and HTPB content |
|
图 3 AP装填密度与HTPB含量的关系 Fig.3 The relationship between AP loading density and HTPB content |
由图 2可以看出, HTPB对AP的团聚作用导致颗粒密度降低, 并随着HTPB用量的增大, 预处理AP的密度不断下降, 15%HTPB预处理后AP的密度比纯AP粉末密度降低了7.9%。
由图 3可知, AP颗粒的装填密度随HTPB含量的增加而增加, 这是因为AP颗粒在经过团聚后, 单个颗粒的球形度得到改善, 随着HTPB用量的增加, AP团聚颗粒表面更光滑, 球形度更好, 使堆积颗粒间的空隙率更低, 在含量为0~15%时, 随着HTPB用量的增加, AP颗粒的装填密度也有所提高。
2.4 吸湿性测试采用吸湿率法[10]对预处理前后粉末的吸湿性进行测试, 把待测样品放在相对湿度为90%的环境中让其充分吸收水分, 直到测试样品所含水分达到平衡, 计算公式为:
| $W = \frac{{{G_1} - G}}{G} \times 100\% + B$ | (1) |
式中, W表示样品的吸湿性, %; G表示样品的原始质量, g; G1表示样品充分吸收水分后的质量, g; B表示样品原始含水百分比, %, 经过干燥处理后的推进剂试样的原始含水百分比为0。
粉末推进剂中的吸湿性主要表现为氧化剂AP的吸湿作用, 因此, 在0%, 5%, 10%和15%的HTPB预处理条件下, 相同粒径AP(100 μm)的吸湿性测试结果如图 4所示。
|
图 4 AP吸湿性与HTPB含量的关系 Fig.4 The relationship between AP hygroscopicity and HTPB content |
由图 4可以看出, 经HTPB预处理后的AP颗粒的吸湿性较未经过处理的AP(HTPB含量0%)颗粒的吸湿性大幅下降; 而且随着包覆量的增加, 预处理AP颗粒的吸湿性逐渐减小。其中采用5%HTPB预处理的AP颗粒的吸湿性已经降低至未处理的AP颗粒吸湿性的41%; 10%与15%的HTPB预处理得到的AP颗粒的吸湿性均降低至未处理的55%以下; 而且可以看出采用10%HTPB预处理得到的AP颗粒的吸湿性与采用15%预处理得到的AP颗粒的吸湿性相差不大。
随着HTPB含量的增加, AP粉末的表面包覆层增加, 吸湿性能得到很大改善, 但当HTPB含量增加到一定值后, 包覆材料已经能够均匀包裹AP颗粒, 再增加包覆量对吸湿性的改善已经非常有限, 同时考虑添加过量HTPB影响粉末火箭发动机的性能, 所以选用10%HTPB预处理AP进行相关实验研究。
2.5 颗粒表面特性利用电镜扫描, 对比预处理前后AP颗粒表面的形貌变化, 分析HTPB预处理对AP表面特性的影响。电镜扫描的原始AP和10% HTPB预处理AP的SEM图, 如图 5所示。
|
图 5 AP粉末预处理前后的SEM照片 Fig.5 SEM images of AP powder before and after pretreatment |
由图 5可以看出, 未处理AP的晶粒外形大多呈现不规则的形状, 颗粒上有大量棱角存在, 颗粒间易形成盐桥造成轻微的结团; 预处理AP颗粒是由大量的表面光滑的AP经过团聚得到的, 团聚颗粒表面较为平整, 球形度较好; HTPB在超细AP颗粒表面都形成了一层透亮的有机物薄膜, 使得放大后相区内的颗粒形态比未处理的更加清晰; 超细AP颗粒之间粘结紧密严实, 无裂纹跟孔洞等缺陷。
通过SEM图可以发现, HTPB紧紧包裹每个超细AP, 避免AP与空气的直接接触, 可以有效降低AP粉末的吸湿性。同时, HTPB使得单个AP颗粒表面更加光滑, 通过滚圆得到的团聚AP颗粒球形度也很高, 在很大程度上提高了AP粉末的装填密度, 从而提高AP粉末的使用性能。
2.6 热分解特性利用热重分析仪(TG)和差示扫描量热仪(DSC)对HTPB预处理前后AP粉末的热分解特性进行测试。测试条件为:试样质量约1.6 mg; 氩气气氛, 流速为30.0 mL·min-1; 温度区间为50~500 ℃, 升温速率为20.0 ℃·min-1。未处理AP和10%HTPB预处理AP的DSC-TG曲线如图 6所示。
|
图 6 AP粉末预处理前后的DSC-TG曲线 Fig.6 DSC-TG curves of AP powder before and after pretreatment |
由图 6可以看出, 两种AP颗粒在100~270 ℃, TG曲线均没有发生明显变化, 这说明270 ℃之前两种AP颗粒都是稳定的, 不发生分解反应; 在250 ℃左右, 这两种AP颗粒的DSC曲线均有一个吸热峰, 这是AP由斜方晶向立方晶转变的结果, 对比图 6a和图 6b可以明显看出, 经过HTPB预处理后大大减小了AP晶体转变的吸热; 10%HTPB预处理使AP的低温放热峰后移20 ℃, 高温放热峰前移19 ℃, 使得AP的放热分解更加集中, 低温放热峰值更高。
10%HTPB对AP预处理后能够明显降低AP的吸热峰, 这样可以减小粉末推进剂的点火能量, 同时预处理使AP放热能量更加集中, 最高放热峰值明显提升, 能够提高粉末推进剂的燃烧性能。
3 Al/预处理AP粉末推进剂点火燃烧性能 3.1 实验方案通过密闭燃烧器法[11]模拟粉末推进剂在发动机中的点火燃烧情况, 选用10%HTPB预处理的AP(粒径100 μm)与100 μm的Al粉进行粉末推进剂燃烧性能测试。研究氧燃比、装填量等因素对粉末推进剂的燃温、成气量及特征速度等能量特性参数的影响规律, 具体实验工况见表 1。
|
表 1 密闭燃烧器实验工况 Tab.1 Experimental conditions of closed burner |
密闭燃烧器法实验测试系统主要由密闭燃烧器、采集测试系统及点火系统三部分组成。其中, 密闭燃烧器包括密闭燃烧器壳体、盛粉器、排气阀、压力和温度测试底座及点火底座; 采集测试系统包括压力传感器、温度传感器及信号采集板卡; 点火系统包括电爆点火头和24 V直流点火电源。实验系统如图 7所示。
|
图 7 密闭燃烧器实验测试系统图 Fig.7 System schematic of closed burner experiment |
根据表 1实验方案进行密闭燃烧实验, 测试点火过程中密闭容器内的压力变化, 待完全燃烧1 h后, 对密闭容器的冷却温度和冷却压力再次进行测试。根据热损失修正法[12]对实验测得的数据进行计算, 得到粉末推进剂的能量特性参数, 测试结果和特性参数见表 2。
|
|
表 2 测试结果与粉末推进剂能量特性参数 Tab.2 Measurement results and energy characteristic parameters of powder propellant |
由表 2可以得到, 对比3#、5#、7#可知, 在装填总量都为6 g的情况下, O/F从1到3, 燃温增加了18%, 成气量增加了19.5%, 特征速度增加了20%, 而且粉末推进剂的点火时间变短, 粉末推进剂的燃烧更加迅速; 相同氧燃比下, 单位质量粉末推进剂完全燃烧的气体生成量基本相同, 但燃烧温度和特征速度随着粉末推进剂装填量的增加而增加, 这是因为粉末装填量的增加使生成气体的总量增大, 造成密闭容器内压力升高, 促进粉末推进剂的燃烧。
4 结论(1) 采用HTPB进行预处理, 大大降低了AP粉末的吸湿性能, 使粉末推进剂能够长期贮存, 且提高了装填密度, 有效改善粉末推进剂的使用性能;
(2) 考虑AP的预处理工艺和过量HTPB影响粉末火箭发动机的性能, 综合得到HTPB的用量占预处理AP颗粒质量的10%时为最佳配比, 10%HTPB预处理能够明显减小AP的吸热峰, 并使AP的两次放热更加集中, 有效降低粉末推进剂的点火能量, 提高了粉末推进剂的点火燃烧性能;
(3) 在氧燃比O/F为1~3的情况下, 随着氧燃比的增加, 粉末推进剂的点火更快, 各项能量特性参数均有所增大, 且在相同氧燃比下, 随着粉末装填量的增加, 燃烧温度和特征速度也有所增加。
| [1] | Foote J P, Litchford J. Powdered magnesium carbon dioxide combustion for mars propulsion[R]. AIAA 2005-4469. |
| [2] | Chao Li, Chunbo Hu, Xin Xin, et al. Experimental study on the operation characteristics of aluminum powder fueled ramjet[J]. Acta Astronautica, 2016, 129: 74-81. DOI:10.1016/j.actaastro.2016.08.032 |
| [3] | Loftus H J, Montanino L N, Brynule K C. Powder rocket feasibility evaluation[R]. AIAA 1972-1162. |
| [4] | Deng Zhe, Hu Chun-bo, Yang Jian-gang, et al. Analysis on the combustion characteristics of metal/AP mixtures by using emission spectroscopy[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2016, 39(1): 43-47. |
| [5] |
李悦, 胡春波, 孙海俊, 等. 粉末火箭发动机燃烧室燃烧流动特性研究[J].
固体火箭技术, 2014, 37(6): 792-796. LI Yue, HU Chun-bo, SUN Hai-jun, et al. Study on flow and combustion characteristics in the thrust chamber of powder rocket[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2014, 37(6): 792-796. |
| [6] |
张教强, 庞维强, 张琼方, 等. AP包覆超细硼粉的改进方法[J].
含能材料, 2007, 15(4): 382-386. ZHANG Jiao-qiang, PANG Wei-qiang, ZHANG Qiong-fang, et al. Improvement for AP coating superfine boron powder[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2007, 15(4): 382-386. |
| [7] |
杨荣杰, 刘百飞, 谭惠民. 包覆高氯酸铵及其燃烧特性研究[J].
兵工学报, 1999, 20(4): 306-309. YANG Rong-jie, LIU Yun-fei, TAN Hui-min. Studies of coated ammonium perchlorate particle and its combustion property[J]. Acta Armamentarii, 1999, 20(4): 306-309. |
| [8] | Dan V N, Susana G, Eduardo L. Multiphase equilibria calculation by direct minimization of Gibbs free energy with a global optimization method[J]. Computers and Chemical Engineering, 2002, 26(3): 1703-1724. |
| [9] |
庞维强, 樊学忠. 不同粒径团聚硼颗粒的堆积密度研究[J].
含能材料, 2010, 18(3): 304-308. PANG Wei-Qiang, FAN Xue-zhong. Bulk density of different sizes of agglomerated boron particles[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2010, 18(3): 304-308. |
| [10] |
GB/T16913. 6-1997, 粉尘物性试验方法第6部分: 吸湿性的测定—吸湿率法[S].
GB/T16913.6-1997, Methods of dust character test—Part 6: Determination of hygroscopy—Hygroscopicity method[S]. |
| [11] |
刘宏成. 密闭燃烧器法的实验研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2003.
LIU Hong-cheng. Experimental study on closed burner method[D]. Xi′an: Northwestern Polytechnical University, 2003. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10699-2003102054.htm |
| [12] |
胡松启, 徐秋丽, 陆俊年, 等. 定容燃烧器法热损失影响因素研究[J].
兵工学报, 2011, 32(12): 1540-1546. HU Song-qi, XU Qiu-li, LU Jun-nian, et al. Effect of heat loss factors on constant volume burner method[J]. Acta Armamentarii, 2011, 32(12): 1540-1546. |
The surface characteristics, loading density, hygroscopicity and pyrolysis characteristics of HTPB pretreated AP were investigated. The energy characteristic parameters of Al/AP (HTPB pretreated) powder propellant were achieved by the ignition tests in the closed burner.