球形硼粉对高能RDX-CMDB推进剂燃速特性的改善,应用化学论文

　　由于硼具有高的质量热值（ 59. 3 MJ/kg）和体积热值（ 131. 6 kJ/cm3） ,远远高于铝、镁等金属，因此硼是固体推进剂的理想金属燃料，特别适用于固体火箭冲压发动机的富燃料推进剂[1-3].对无定形硼粉进行团聚改性，可以得到合适粒径的球形硼粉，此类硼粉可以很大程度提高推进剂中的含硼量，进而提高推进剂能量，改善推进剂的燃烧性能[4-6].

　　国内外研究者对含硼推进剂进行了大量的研究，研究表明，采用球形化硼粉代替无定形硼粉可以改善含硼富燃料推进剂中硼颗粒的燃烧，从而获得较高的燃烧效率[7,8].德国拜尔化学公司研究了稳定燃速、高效率燃烧富燃料推进剂，其主要通过硼粉先与氟化钠形成团聚颗粒后再加入配方，利用氟化钠改善含硼富燃料推进剂中硼的燃烧性能[3].美国滨州大学研究了以 BAMO/NMMO 为黏合剂的含硼富燃料推进剂的燃烧行为，发现叠氮聚合物所具有的分解放热特性可提高含硼燃料推进剂的点火性能和燃烧性能[9].另外，日本所报道的高能含硼富燃料推进剂配方中[3],硼含量达到 32%,此外，还含有镁、铝等燃料添加剂，氧化剂主要是高氯酸铵和高氯酸钾，还使用了 KNO3.

　　针对不同的推进剂配方体系，考察添加球形硼粉替代 RDX 对高能 RDX-CMDB 推进剂燃速特性的影响，以及 LiF 对含硼 RDX-CMDB 推进剂燃烧特性的影响等。

　　1 实验部分

　　1. 1 主要原材料

　　试验所用主要原材料列于表 1.【1】

　　
　　1. 2 测试仪器及实验方法

　　推进剂燃速测定：燃速按 GJB-770B-2005 方法706. 1“燃速-靶线法”测试。将推进剂样品制成 5mm × 5 mm × 100 mm 药条并包覆，利用静态恒压燃速仪在 20 ℃测定样品燃速。

　　1. 3 推进剂配方

　　采用的试验配方见表 2.

　　1. 4 推进剂样品的制备

　　RDX-CMDB 推进剂样品均采用淤浆浇铸工艺制备。将 BNC、NC、RDX、NG、催化剂等推进剂各组份在 2 立升行星式捏合机中混合 1 h 左右，出料后经 70 ℃固化 72 h,退模。【2】

　　
　　2 结果与讨论

　　通常为进一步提高固体推进剂的能量在推进剂配方中添加金属粉，同时还可以提高推进剂的密度和改善燃烧性能。考虑在高能 RDX-CMDB 推进剂配方中添加硼粉和铝粉，考察它们对推进剂燃烧性能影响的差别。选择的 RDX-CMDB 推进剂配方为成熟的改性双基推进剂，该推进剂配方的组成见表2.所选择的推进剂配方具有较好的燃烧性能，燃速压强指数在11 ~20 MPa 之间具有平台燃烧的特性。

　　金属粉小部分代替推进剂配方中的 RDX.
　　
　　2. 1 硼粉部分代替 RDX 时 RDX-CMDB 推进剂配方的燃速

　　硼粉部分代替 RDX-CMDB 推进剂中的 RDX 时测得的燃速数据见表 3,不同硼含量的 RDX-CMDB推进剂燃速同压强的关系见图 1.

　　由表 3 中数据可知，在研究的压强范围内，随RDX-CMDB 推进剂配方中硼粉含量增加、RDX 含量减少，燃速下降；图1 表示不同压强下推进剂燃速增加幅度同硼含量的关系曲线。图 1 表明，同一推进剂配方低压下的燃速降低幅度较大，随压强的增加，燃速降低幅度减小；随硼粉含量增加，推进剂的燃速降低幅度也增加，当硼粉含量为 4% （ RDX-CMDB-4）时，推进剂燃速降的最多，在 5 MPa 的燃速降低幅度达 30%以上。当硼粉含量为 5% 时，推进剂的燃速又有所增加，但都低于基础配方（ RDX-CMDB-0）的燃速。表 3 数据及图 1 表明，RDX-CMDB 推进剂配方中添加硼粉后，低压燃速降低幅度较大，随压强升高，燃速降低幅度逐渐减小，从而造成 RDX-CMDB 推进剂的燃速压强指数从 0. 32 升高到 0. 56.

　　2. 2 铝粉和硼粉部分代替 RDX 时推进剂燃速特性对比

　　本研究还比较了添加不同金属粉（ Al、硼）对RDX-CMDB 推进剂燃速的影响，铝粉的添加同添加硼粉一样，主要小部分代替 RDX-CMDB 推进剂配方中的黑索金。燃速测试结果见表 4,图 2 为推进剂燃速同压强的关系曲线。【3】

　　
　　由表 4 及图 2 可看出，RDX-CMDB 推进剂燃速特性同添加金属粉的种类也有极大关系。添加铝粉时，当压强小于18 MPa 时，RDX-CMDB 推进剂的燃速降低，当压强大于 18 MPa 时，燃速又增加，高于RDX-CMDB-0 推进剂的燃速。当分别添加 3% 和5% 的铝粉时，推进剂在 15 ~ 18 MPa 时的燃速变化幅度不到 5%,当压强大于 18MPa 时，推进剂的燃速增加幅度在 5% 左右。而在整个压强范围内，无论添加 3%的硼粉还是添加 5%的硼粉，推进剂的燃速均降低，压强小于18 MPa 时，燃速降低幅度较大，当压强大于 18 MPa 时，推进剂的燃速降低幅度则较小。试验结果还表明，向具有平台燃烧特性的 RDX-CMDB 推进剂中添加金属粉均会使其燃速压强指数增加 0. 075 ~0. 13.

　　2. 3 LiF 对含硼 RDX-CMDB 推进剂燃烧特性的影响

　　氟化锂（ LiF）曾作为 AP 系复合推进剂的减速燃烧催化剂进行了研究，但当将 LiF 添加到双基推进剂中时可以作为增速燃烧催化剂。在 RDX-CM-DB 推进剂中添加 LiF 的目的不是将其作为燃烧催化剂来添加的，而是考虑到 LiF 可能作为硼的氧化剂来起作用，研究表明，硼的氧化物会与 LiF 发生反应，除去硼颗粒表面的氧化膜，而提高硼的能量转化率。基于此添加了不同含量的 LiF（代替配方中小部分的 RDX） ,考察了其对推进剂燃速的影响。燃速测试结果见表 5,燃速同压强的关系见图 3.【4】

　　
　　由表 5 中数据和图 3 可知，当含硼 RDX-CMDB推进剂中 LiF 的添加量为 1% 时，可以提高含硼RDX-CMDB 推进剂的燃速，而且在 5 ~ 11 MPa 之间燃速增加幅度大于 2. 5%,随压强增加，推进剂燃速增加幅度减小，从而能够降低推进剂的燃速压强指数； LiF 的含量增加时，推进剂燃速降低，燃速降低幅度增大。

　　3 结论

　　（ 1）对不同的推进剂配方体系，添加硼粉对其燃速特性的影响不同。

　　（ 2）在 RDX-CMDB 推进剂配方体系中，添加金属粉使得推进剂的燃速压强指数升高；金属铝粉和硼粉对推进剂的燃速影响作用不同。

　　（ 3）更高压强下的燃速测试结果表明，向 RDX-CMDB 推进剂添加金属粉虽然破坏了低压下的燃烧特性，但在高压强下却随压强的升高，燃速的变化则趋于平缓。

　　参考文献
　　
　　1 王利军，孙翔宇，李学军，等。提高含硼富燃料推进剂能量的技术途径。火炸药学报，2006; 29（ 6） : 54-57Wang Lijun,Sun Xiangyu,Li Xuejun,et al. Technical approaches ofenhancing the energy of boron based fuel-rich propellant. ChineseJournal of Explosives and Propellants,2006; 29（ 6） : 54-57
　　2 吴婉娥，朱左明，帅领。基于粒子群神经网络的含硼富燃料推进剂一次燃烧性能计算。含能材料，2011; 5: 548-552Wu Wan'e,Zhu Zuoming,Shuai Ling. Calculation for primary com-bustion characteristics of boron-based fuel-rich propellant based onPSO-BP neural network. Chinese Journal of Energetic Materials,2011; 5: 548-552
　　3 Oyumi Y. Urethane reaction mechanism on the amorphous boron sur-face in gap propellant. Propellant,Explosives,Pyrotechnics,1992;17（ 5） : 278-282
　　4 庞维强，樊学忠，胥会祥。团聚硼颗粒在 HTPB 富燃料推进剂中的流变特性。火炸药学报，2010; 33（ 3） : 84-87Pang Weiqiang,Fan Xuezhong,Xu Huixiang. Rheological propertiesof agglomerated boron particles in the HTPB-based fuel-rich propel-lant. Chinese Journal of Explosives and Propellants,2010; 33 （ 3 ） :84-87
　　5 高东磊，张炜，朱慧，等。团聚硼对富燃料推进剂燃烧性能的影响。固体火箭技术，2008; 31（ 2） : 161-163Gao Donglei,Zhang Wei,Zhu Hui,et al. Effect of agglomerated bo-ron on combustion properties of fuel-rich propellants. Journal of SolidRocket Technology,2008; 31（ 2） : 161-163
　　6 高东磊，张炜，朱慧，等。包覆及团聚硼对富燃料推进剂燃烧性能的影响。推进技术，2009; 30（ 1） : 119-123