作 者：

关键词：
硝铵推进剂，推进剂粘性，推进剂添加剂
概 述：
　　

内 容：


前言

为解决AP系推进剂燃烧气体污染环境问题,目前正研究采用AN取代AP的可能性｡高比冲和高燃速推进剂要求氧化剂与粘合剂的混合比接近化学当量比｡在制造推进剂时,混合氧化剂和粘合剂的未固化状推进剂必须具有可浇铸的粘度｡当氧化剂的含有率增加时,粘度增大,因此氧化剂的含有率有上限｡从而不能制造出化学当量比组分的推进剂,也就是说燃速和Isp也有上限｡在本试验中称未固化推进剂可浇铸的极限粘度为极限粘度,此时的氧化剂含有率称为极限含有率｡与AP相比,AN与粘合剂的相溶性差,因此很难扩大AN的极限含有率｡本研究试通过添加表面活性剂降低未固化推进剂的粘度,增加AN的极限含有率,从而增加推进剂的燃速和比冲｡

1 试验方法

1.1 试样

本试验用AN的平均粒度约为63μm,所用粘合剂以HTPB为主,表面活性剂为表1所列的17种｡推进剂的基本组分为:AN80wt%,HTPB20wt%,作为固化剂,以HTPB为100外加8%异佛尔酮二异氰酸酯｡表面活性剂量是以HTPB为100外加1%｡另外,在未固化推进剂的粘度和剪切应力测量时,推进剂中未加固化剂｡


1.2 未固化推进剂粘度的测量

用图1所示细管式流变计测量了未固化推进剂的粘度｡测量方法为将试样装填在筒体(A)内,并加热到一定温度,加一定压力,用活塞(B)将试样从筒口(C)中压出｡根据筒口压出的试样流量Q(m3/s)按下式求出未固化推进剂的粘度ηa｡

ηa=πd4p/8LQ (1)

式中L为毛细管长度(m),d为毛细管半径(m),P为压力(0.98×106Pa)｡测量是在303±1K温度下进行的｡在测量AN系未固化推进剂的粘度时,由于所用筒口的尺寸不同曾多次发生堵塞｡而在AP系未固化推进剂粘度的测量中未发生堵塞｡这是因为AN与粘合剂的相容性能差引起的｡以预备试验的结果作为本试验的最优条件,采用了L=1.0×10-2m,d=5.0×10-2m的筒口｡



图１　流量试验设备简图

1.3 剪切应力的测量

未固化的AN推进剂处在被未固化的粘合剂包围状态｡在未固化推进剂上作用剪切应力时,包围AN的粘合剂从AN上脱落,在未固化推进剂上滑动｡本试验中,产生该 L 滑动时的剪切应力称为极限剪切应力(τL)｡与上述粘度值比较,为更好地表示AN试样的流动性,测量了τL｡另外,试验中还测量了相对一定垂直应力(σ=0.1kg)的τL ｡图2为测量装置｡试验用槽是用多氯联苯制的,高度2.0×10-2m,内径2.5×10-2m｡按如下方法进行了测量｡将可动槽(A)重叠在固定槽(B)上,槽内装填试样｡试样按空隙率为7.0±2%装填｡对安装在可动槽上的拉索加载荷(E)｡测量了槽(A)横向移动时的载荷(E),用槽的截面积除该载荷求出τL｡



图2 剪切应力测量装置简图

1.4 燃速的测量

用套罩式药条燃烧器在氮气保护下进行了燃烧试验,压力范围为2~7MPa｡利用视频摄像机记录燃烧状况,以此为基础测量了燃速｡推进剂的初始温度为298±2K｡

2 试验结果及其分析

2.1 添加表面活性剂对未固化推进剂粘度的影响

利用固定载荷挤压式细管流量计测量了添加表1所列表面活性剂的未固化推进剂的粘度｡其结果如图3所示｡由该图可知,添加M,I和K表面活性剂时几乎无添加效果｡而添加其它表面活性剂都可使粘度下降｡尤其是添加A时粘度下降最大,约为未添加表面活性剂时粘度的40%｡



图３　表面活性剂对未固化推进剂粘度的影响

2.2 添加表面活性剂对AN含有率与未固化推进剂粘度的影响

利用表1中降低粘度效果最大的表面活性剂A,B,F和效果小的I进行了如下试验｡针对添加这些表面活性剂后的粘度,从AN的含有率为77wt%开始,每增加1wt%测一次粘度｡为便于比较,同时测量了未添加表面活性剂时的粘度｡其结果示于图4｡



图４　推进剂中ＡＮ含有率与未固化推进剂粘度的关系

由该图可知,未添加表面活性剂时,随着AN含有率的增加粘度也增加,从79wt%开始急剧增加｡在82wt%时筒口发生堵赛,不能测量｡这可能是因为在本测量装置上,当粘合剂量减少时引起固液分离,在筒口发生堵塞｡添加效果小的I表面活性剂时,与未添加表面活性剂的情况相同,粘度从79wt%急剧增加,在82wt%时不能测量｡在添加表面活性剂A,B和F时,与未添加时相比,粘度缓慢增加,在AN含有率为80wt%时粘度仅为未添加时的50%以下,降低粘度的效果很大｡添加A,B和F均可使未固化推进剂的粘度下降,从而增加AN的含有率｡添加表面活性剂F时在AN含有率为82wt%､添加A,B时在83wt%不能测量｡

2.3 添加表面活性剂对AN含有率和未固化推进剂剪切应力的影响

　　与前节同样添加表面活性剂A､B和F,从AN含有率为60wt%开始每增加5wt%测量一次τL ｡同时测量了未添加表面活性剂时的τL ,其结果如图5所示｡



图５　　推进剂中ＡＮ含有率与剪切应力的关系

在所有未固化推进剂中,随着AN含有率的增加,τL也增加｡但AN含有率超过一定值时,τL则减小｡即在AN达到一定含有率时,τL可取最大值｡这是因为当粘合剂量少时试样成松散状而流动性能差,即便很小的τL也会产生滑动｡与未添加表面活性剂的未固化推进剂比较,添加表面活性剂A,B和F时,随着AN含有率的增加,τL也缓慢增加,在τL最大时的AN含有率也比未添加表面活性剂时的大｡另一方面,添加表面活性剂I时,τL最大时的AN含有率与未添加表面活性剂时相比几乎没有变化｡

2.4 表面活性剂对AN极限含有率的影响

　　相对HTPB为100,分别添加表面活性剂A,B,F或I1%制成试样,按一定量分别置于烧杯中,然后增加AN求出其极限含有率,共测量5次｡其结果列于表2｡



　　该表列出了测量5次的上限和下限范围｡由该表可知,AN的极限含有率在2.2节粘度测量的可测范围之外｡因此,在本试验的测量条件下,不能根据粘度的结果考察AN的极限含有率｡另一方面,如果根据图5所示τL的测量结果,表2所示AN极限含有率中也存在测量值｡现在以图5和表2为基础进一步考察AN的极限含有率｡



图６　浇铸极限粘度下的剪切应力与ＡＮ含有率的关系

图6中同时示出了添加表面活性剂A时的τL与AN含有率的关系及表2的AN极限含有率｡另外,为便于比较,该图同时示出了未添加表面活性剂时的关系｡由图可知,AN的极限含有率在AN含有率为92%~98%的范围内,在该范围τL达到最大值｡未添加表面活性剂或添加表面活性剂B,F和I时,在大体同样范围存在AN的极限含有率｡由此可知,利用本试验装置很容易推定AN的极限含有率｡根据图5和表2可知,未添加表面活性剂的推进剂,其AN极限含有率为81wt%,添加表面活性剂A,B或F时,AN的含有率可增至85wt%｡

2.5 AN含有率与比冲的关系

改变AN含有率,计算了不同AN含有率的推进剂理论I sp ｡计算中使用了NASASP-273程序｡同时示出了AP系推进剂的理论比冲｡由图可知,AN推进剂理论比冲的最大值为2254N·s/kg,AP系推进剂的理论I sp 最大值为2450N·s/kg｡理论I sp 最大的AN系推进剂的AN含有率为94wt%,而AP系推图7 推进剂的AN含有率与比冲的关系进剂的AP含有率为89wt%｡添加表面活性剂A,B或F时,AN的极限含有率可增加到85wt%,理论I sp 为2038.4N·s/kg｡未添加表面活性剂进AN的极限含有率为81wt%,I sp 为1960N·s/kg｡两者比较,理论I sp 的增加仅为78.4N·s/kg｡而取得最大理论I sp 的AN含有率为94wt%｡AN含有率从81wt%增加到85wt%,相对I sp 的增加效果太小｡

2.6 AN含有率与燃速的关系

　　相对HTPB为100添加表面活性剂A1%,制成AN含有率分别为77.5wt%,81wt%,82.5wt%和85wt%的推进剂,测量了其燃速｡为便于比较,同时测量了未添加表面活性剂而AN含有率为81wt%的推进剂燃速｡其测量结果示于图7｡



图７　ＡＮ／ＨＴＰＢ系推进剂的燃速特性

　　由该图可知,添加表面活性剂A的AN含有率为81wt%推进剂的燃速与未添加表面活性剂的AN含有率为81wt%推进剂的燃速大体相等｡由此可断定表面活性剂AN对燃速没有影响｡以该图为基础求出了在3MPa,5MPa和7MPa压力下推进剂的AN含有率与燃速的关系｡其结果如图8所示｡



图8 在3MPa,5MPa和7MPa压力下推进剂的AN含有率与燃速的关系

由该图可知,AN含有率为85wt%的推进剂燃速约为AN含有率为81wt%的推进剂燃速的1.4倍｡特别是添加表面活性剂A可使推进剂AN的极限含有率增加到85wt%,这对提高燃速是很有效的｡

3 结论

1)采用表面活性剂降低未固化推进剂的粘度,本试验所用的17种表面活性剂中除肉豆蔻酸钠､硬脂酸钠和亚油酸钠外其它都是有效的,特别是月桂基胺效果最大｡

2)本试验装置未能测量出AN极限含有率附近的粘度,测量了不同AN含有率时的剪切应力｡

　　3)未添加表面活性剂时,只能制造AN含有率为81wt%的推进剂｡添加月桂基胺时,可以制造AN极限含有率为85wt%的推进剂｡添加月桂基胺对提高燃速是有效的｡关于Isp,AN含有率从81wt%增加到85wt%时,Isp的增加量为78.4N·s/kg｡