火炸药学报    2018, Vol. 41 Issue (4): 404-407   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.04.015
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引用本文  

王江宁, 李伟, 郑伟, 陈俊波, 宋秀铎, 孙志刚. 铝粉含量对CL-20/Al-CMDB推进剂燃速的影响[J]. 火炸药学报, 2018, 41(4): 404-407. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.04.015
WANG Jiang-ning, LI Wei, ZHENG Wei, CHEN Jun-bo, SONG Xiu-duo, SUN Zhi-gang. Effect of Aluminum Powder Content on the Burning Rate of CL-20/Al-CMDB Propellants[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2018, 41(4): 404-407. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.04.015

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作者简介

王江宁(1964-), 男, 博士, 研究员, 从事高能固体推进剂技术研究。E-mail:WangJiangNing001@sohu.com

文章历史

收稿日期:2017-07-19
修回日期:2018-04-03
铝粉含量对CL-20/Al-CMDB推进剂燃速的影响
王江宁1, 李伟2, 郑伟1, 陈俊波1, 宋秀铎1, 孙志刚1     
1. 西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065;
2. 宜宾北方川安化工有限公司, 四川 宜宾 644219
摘要: 为了研究铝粉含量对含CL-20改性双基推进剂燃烧性能的影响,采用静态燃速仪测试了CL-20/Al-CMDB推进剂的燃速,拟合了燃速公式并分析了CL-20/Al-CMDB推进剂的燃烧过程及铝粉对燃速的影响。结果表明,6~10 MPa下推进剂的燃速与铝粉含量的平方(wAl2)呈相互平行线性关系,10~16 MPa下速率常数(k)在一条直线上,说明CL-20/Al-CMDB推进剂的燃烧反应速度仅与Al的含量有关;进一步分析燃烧表面暗区Al表面积大小对推进剂燃速的影响,发现4~11.5 MPa时Al在暗区吸热导致燃速下降,11.5~16 MPa下Al在火焰区燃烧产生的热量对暗区的热反馈抵消了其吸收的热量,使燃速增加;Al在燃烧表面的吸热过程对燃速的影响因素定义为Al的惰性热稀释。
关键词: CMDB推进剂     CL-20     燃烧性能     燃速     热稀释     铝粉    
Effect of Aluminum Powder Content on the Burning Rate of CL-20/Al-CMDB Propellants
WANG Jiang-ning1, LI Wei2, ZHENG Wei1, CHEN Jun-bo1, SONG Xiu-duo1, SUN Zhi-gang1     
1. Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China;
2. Yibin North Chemical Industry Co., Ltd, Yibin Sichuan 644219, China
Abstract: To investigate the effect of aluminum powder content on the combustion performance of CL-20 modified double-base propellant, the burning rate of CL-20/Al-CMDB propellant was measured by static burning rate test instrument, the burning rate formula was fitted and the combustion process and the effect of aluminum powder on the burning rate of CL-20/Al-CMDB propellant were analyzed. The results show that burning rates of the propellant under 6-10 MPa are in parallel with the square value of aluminum powder content (wAl2), the rate constant (k)under 10-16MPa is in a straight line, indicating that the combustion reaction rate of CL-20/Al-CMDB propellant is only related to the content of Al. The effect of surface area size of Al in dark zone of combustion surface on the burning rate of propellant was further analyzed. It is found that the endothermic effect of Al in dark zone makes the burning rate decrease at 4-11.5 MPa, under 11.5-16 MPa, the heat generated by Al combustion in flame zone offsets the heat absorbed by the heat feedback in dark zone, making the burning rate increase. The factor influencing the endothermic process of Al on combustion surface is defined as inert heat dilution (IHD) of Al.
Keywords: CMDB propellant     CL-20     combustion performance     burning rate     heat dilution     aluminum powder    
引言

Al作为中高能推进剂的常用高能燃料,从比冲和燃速及压强指数的宏观结果来看,铝粉含量和粒度是影响推进剂能量输出效果及燃速压强指数的主要因素,国内对此进行了较多研究。

张伟等[1]发现纳米级铝粉相对于微米级铝粉,可使少烟NEPE推进剂在1~20 MPa下的燃速提高50.7%~95.0%;李吉祯等[2]研究发现,铝粉粒度越小,AP-CMDB推进剂的燃速越高;王江宁等[3]研究了Al含量与CL-20/Al-CMDB推进剂能量和燃气组分关系,得到Al的最佳添加质量分数为5%~10%;宋振伟等[4]研究发现,CL-20替代HMX提高了Al的燃烧效率,同时推进剂的燃烧残渣率从1.784%降至0.5%。

根据多年来复合推进剂燃烧机理研究经验,铝粉团聚是含铝推进剂燃烧过程中的普遍现象,直接影响Al的燃烧效率、推进剂的燃速和压强指数。铝粉在固体推进剂中的燃烧机理研究主要集中为Al的团聚模型[5-9],在推进剂燃烧表面AP分解形成的口袋使铝粉团聚[5]。Babuk V A[7-8]提出推进剂表面熔融层使Al团聚,而且Al粒度小于熔融层厚度时团聚更加严重;Babuk等[9]研究认为黏合剂在燃烧表面燃烧形成碳骨架的粘附作用使Al团聚停留;唐泉、庞爱民等[10]认为在燃烧表面团聚的Al粒子与推进剂燃烧气体中的H2O、CO2发生化学反应是Al燃烧的主要过程。团聚机理更多的关注了燃烧表面铝粉团聚对其燃烧效率的影响。

本研究通过不同铝粉含量对CL-20/Al-CMDB推进剂燃速的影响规律,分析了铝粉燃烧过程及对燃速的影响,为CL-20/Al-CMDB推进剂的燃烧性能调节提供参考。

1 实验 1.1 试剂与仪器

吸收药(含NC、NG及Ⅱ号中定剂),工业级,宜宾北方川安化工有限公司;Ⅱ号中定剂(C2、二甲基二苯脲),工业级,重庆长风化学工业有限公司;凡士林,工业级,南京长江江宇石化公司;六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20),工业级,辽宁庆阳化学工业有限公司;铝粉,工业级,陇西西北铝九鼎粉材有限公司;催化剂,工业级,西安近代化学研究所。

充氮调压式燃速仪,西安航天远征流体控制股份有限公司。

1.2 推进剂样品制备

采用吸收-熟化-离心驱水-压延-切药的常规无溶剂成型工艺制备Φ5 mm×16 mm的燃速药条,用质量分数为8%的聚乙烯醇缩丁醛-无水乙醇溶液包覆6遍。CL-20/AL-CMDB推进剂配方见表 1

表1 CL-20/Al-CMDB推进剂配方 Table 1 Formulations of CL-20/Al-CMDB propellant
1.3 性能测试

按照GJB770B-2005方法706.1“燃速-靶线法”测试推进剂的静态燃速。测试条件为:20℃,N2气氛,压强范围4~16 MPa。根据Vieille燃速与压强指数关系式r=apn(式中:r为燃速,p为压强,a为常数),采用最小二乘法计算压强指数。

2 结果与讨论 2.1 静态燃速分析

CL-20/Al-CMDB推进剂的静态燃速结果如图 1所示。

图 1 CL-20/Al-CMDB推进剂燃速-压强曲线 Figure 1 Curves of burning rate vs. pressure for CL-20/Al-CMDB propellants

图 1可知,14 MPa为转折点,在14 MPa以下,随着Al含量的增加推进剂静态燃速不断降低,但是随着压强的升高,燃速降低的幅度逐渐减小。在14 MPa以上,Al含量增加,推进剂静态燃速增加。随着压强的升高,燃速升高幅度增大。

随着Al含量增加,压强指数增加。Al质量分数分别为0、5%、8%、10%、15%时,4~16 MPa下压强指数分别为0.34、0.45、0.47、0.52、0.58。

2.2 同一压强下燃速的变化规律

为了进一步研究Al含量对推进剂燃烧性能的影响规律,分析了相同压强下Al含量与燃速的关系,如图 2所示。

图 2 相同压强下Al含量与推进剂燃速的关系 Figure 2 Relation of the Al content and burning rate of CL-20/Al-CMDB propellant under the same pressure

图 2可知,Al质量分数分别为5%、8%、10%、15%时,4~10 MPa下Al含量-燃速曲线有相同的变化趋势,说明这几种Al含量下,Al对推进剂燃速的控制因素相同,为此按照化学反应速率方程u=k·wAln分析Al含量与燃速的关系,发现4~12 MPa下燃速uwAl2呈相互平行的线性关系,如图 3所示。

图 3 相同压强下wAl2与燃速的关系曲线 Figure 3 The curves of wAl2 vs. burning rates relation under the same pressure

根据图 3的数据分别拟合燃速随Al含量变化的燃速公式,见式(1)~(7):

$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;{u_4} = - 0.009 \cdot w_{{\rm{Al}}}^2 + 12.77, {R^2} = 0.978\\ (4\;{\rm{MPa}}, w\left( {{\rm{Al}}} \right) = 5\% \sim 15\% ) \end{array} $ (1)
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;{u_6} = - 0.009 \cdot w_{{\rm{Al}}}^2 + 15.27, {R^2} = 0.998{\rm{ }}\\ (6\;{\rm{MPa}}, w\left( {{\rm{Al}}} \right) = 5\% \sim 15\% ) \end{array} $ (2)
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;{u_8} = - 0.009 \cdot w_{{\rm{Al}}}^2 + 17.17, {R^2} = 0.998{\rm{ }}\\ (8\;{\rm{MPa}}, w\left( {{\rm{Al}}} \right) = 5\% \sim 15\% ) \end{array} $ (3)
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;{u_{10}} = - 0.009 \cdot w_{{\rm{Al}}}^2 + 18.76, {R^2} = 0.987{\rm{ }}\\ (10\;{\rm{MPa}}, w\left( {{\rm{Al}}} \right) = 5\% \sim 15\% ) \end{array} $ (4)
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;{u_{12}} = - 0.005 \cdot w_{{\rm{Al}}}^2 + 20.13, {R^2} = 0.937{\rm{ }}\\ (12\;{\rm{MPa}}, w\left( {{\rm{Al}}} \right) = 5\% \sim 15\% ) \end{array} $ (5)
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;{u_{14}} = 0.000 \cdot w_{{\rm{Al}}}^2 + 21.70, {R^2} = 0.971{\rm{ }}\\ (14\;{\rm{MPa}}, w\left( {{\rm{Al}}} \right) = 5\% \sim 15\% ) \end{array} $ (6)
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;{u_{16}} = 0.003 \cdot w_{{\rm{Al}}}^2 + 23.86, {R^2} = 0.434{\rm{ }}\\ (16\;{\rm{MPa}}, w\left( {{\rm{Al}}} \right) = 5\% \sim 15\% ) \end{array} $ (7)

根据式(1)~(7),用化学反应(燃速)速率常数k与压强p作图,见图 4

图 4 化学反应(燃速)速率常数k随压强的变化规律 Figure 4 The changing rule of chemical reaction rate (burning rate) constant k with pressure

由式(1)~(7)及图 4可知,4~10 MPa下化学反应(燃速)速率常数相同,说明4~10 MPa时Al对CL-20/Al-CMDB推进剂燃速只与Al的含量有关;10~16 MPa下化学反应速率常数与压强呈线性关系,即k=0.002p-0.028,相关系数R2=0.979,说明10~16 MPa时Al对CL-20/Al-CMDB推进剂燃速的影响因素一致。

2.3 Al在CL-20/Al-CMDB推进剂的燃烧过程及其对燃速的影响因素

为了掌握Al对CL-20/Al-CMDB推进剂燃速的影响因素,需要进一步分析Al在CL-20/Al-CMDB推进剂中的燃烧过程,庞爱民等[10]认为燃烧表面团聚的Al粒子与推进剂燃烧气体中的H2O、CO2发生化学反应是Al燃烧的主要过程。对螺压改性双基推进剂而言,H2O、CO2是燃烧表面气相区的主要燃气成分。苗勤书等[11]的研究结果表明,CL-20/Al-CMDB推进剂燃烧过程中,基体组分分解产生的火焰区、气相区组分CO2、H2O源源不断地为Al提供氧原子,进而释放Al燃料的能量。陈雪莉等[12]研究了Al-CMDB推进剂的火焰结构,表明Al-CMDB推进剂中Al燃烧释放能量过程发生在燃烧表面火焰区。本研究分析认为,CL-20/Al-CMDB推进剂燃烧过程中,以暗区与火焰区交界面为Al参与燃烧反应的分界面,在暗区Al以吸热为主,在火焰区Al与推进剂基体组分分解的气体CO2、H2O等发生燃烧反应放出能量。因此,Al在暗区吸收热量和Al在火焰区燃烧放热对燃烧表面的热反馈为影响燃速的主要因素。影响Al吸收热量大小的主要因素包括Al的表面积和比热容,在此仅计算Al的比表面积大小引起的吸热量变化对燃速的影响规律。根据表 1所示推进剂配方及图 1燃速结果,暗区中单位比表面积Al吸热导致燃速升高或下降值的计算公式为:

$ \mathit{\Delta} u = \left( {{u_i} - {u_0}} \right)/{S_i} $ (8)

式中:u0为不加Al时推进剂的燃速;ui为添加Al以后不同压强下推进剂的燃速;Siui时暗区中Al的表面积大小,Si=k·wAl·SAlk为常数,SAl为Al的比表面积;Δu单位为mm/(s·cm2)。

不同压强下Δu的计算结果如图 5所示。

图 5 不同压强下燃烧表面Al表面积大小对Δu下降/升高率的影响 Figure 5 Effect of Al surface area size of combustion surface on the decrease/increase rate of Δu at different pressure

图 5中4~10 MPa和10~16 MPa单位质量Al与燃速的下降/升高率拟合,获得两条直线,直线方程分别为:

$\Delta {u_{\rm{s}}} = 0.086p - 1.623, {R^2} = 0.995 $ (9)
$ \Delta {u_{\rm{s}}} = 0.367p - 4.868, {R^2} = 0.991 $ (10)

求解方程(9)和(10),其压强交点为11.5 MPa,由此说明4~11.5 MPa时吸热导致燃速下降,11.5~16 MPa是Al在火焰区燃烧产生的热量抵消其吸收的热量,从而向燃烧表面逐渐反馈热量,燃速开始增加。进一步证明了以暗区为分界面,Al对燃速的影响过程。本研究把Al在燃烧表面的吸热过程对燃速的影响因素定义为Al的惰性热稀释,同时把随压强升高对燃烧表面热反馈增加的现象称为活性增强。

3 结论

(1) 不同Al含量时,CL-20/Al-CMDB推进剂相同压强下燃速变化规律表明,添加不同含量的Al时,推进剂的燃烧反应规律一致,也就是不受Al含量的影响。

(2) 4~11.5 MPa下,CL-20/Al-CMDB推进剂燃速下降是由于Al在暗区的吸热所致,而11.5~16 MPa时推进剂燃速上升是因为Al在火焰区燃烧释放的热量对燃烧表面的热反馈增加。


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