具有不同AP粒径和分布的AP/HTPB复合推进剂的超高压燃烧速率
为了进一步表征AP粒径和分布在AP / HTPB复合推进剂中的作用，德克萨斯A&M大学设计并安装了一种新的高压链式燃烧器。虽然许多靶线燃烧器设施能够确定推进剂燃烧速率，但大多数只定期测试高达约15.5 MPa（2250psi）。对于较高压力，燃烧速率数据很少，对于超过34.5 MPa（5000 psi）的压力，几乎没有。因此，在高达 68.9 MPa （1000psi） 的非常高的压力下测试了平均 AP 颗粒化范围为 42 至 200 μm 以及单峰、双峰和三峰 AP 颗粒分布的 AP/HTPB 复合推进剂。共测试了七种配方：85%固体含量的单峰、双峰和三峰AP分布，以及80%固体含量的四种平均AP粒径：46, 59, 138.9, 和 210.3 μm。所有七种推进剂的指数或“斜率”突变均高于20 MPa（2900 psi），突变后压力指数大于1。减小AP粒径降低了指数突变发生处的特征压力和突变后的压力指数。AP分布也影响特征压力，因为单峰和三峰公式的特征压力低于双峰公式。AP浓度的变化对特征压力没有显著影响。
一 引言
固体推进剂由燃料和氧化剂的均相或异质混合物组成。复合推进剂可以通过加入添加剂或改变氧化剂的平均粒径和浓度来定制特定应用的燃烧速率。在有限的压力范围内，基于高氯酸铵（AP）的固体推进剂的燃烧速率通常由Saint Robert-Viellelaw，公式.1描述，其中r是燃烧速率，P是压力，a和n是实验确定的系数。然而，这种燃烧速率-压力关系开始瓦解，然而在非常高的压力下，当压力指数，n急剧增加，燃烧速率表现出“斜率突变”或“指数突变”，如下所述。这种指数突变发生在某种特征压力P*下，对于基于AP的推进剂，P*通常高于14MPa（2000psi）[1]。
\(r =a{P}^{n}\) （1）
如表1所示，在过去的一些努力中已经进行了超高压测试[1-8]。然而，这些研究中的大多数仅调查了纯AP的爆燃特性。虽然在政府研究实验室中已经对基于AP的推进剂进行了额外的高压研究，但表1表明有限的公开文献中可用于基于AP/HTPB的复合推进剂的燃烧速率数据量。许多靶线燃烧器设施能够确定复合推进剂燃烧速率，但其中大多数仅定期测试高达约15.5 MPa（2250 psi）。对于较高压力，燃烧速率数据很少，对于超过34.5 MPa（5000 psi）的压力，几乎没有。因此，大多数研究未能捕捉到指数突变现象。因此，本研究的目的是扩大不同AP粒径和分布的AP/HTPB复合推进剂的燃烧速率压力范围，最高可达68.9 MPa（10000 psi）。本文介绍了这些新数据的结果，重点介绍了这些极端压力下的弹道曲线指数变化。首先提供所用测试方法的描述。然后将结果呈现并在论文的其余部分进行讨论。
表1 对以往使用纯AP或AP基复合推进剂[1-8]的高压研究的总结
| 研究 | 推进剂类型 | 最大压力测试 |
| 弗里德曼和纽金特（1955） | 压制 AP 颗粒 | ~50兆帕（7250磅/平方英寸） |
| 利维与弗里德曼（1962） | 压制AP颗粒（石棉包裹 | ~41.4兆帕（6000磅/平方英寸） |
| 格拉斯科娃（1963） | 压制 AP 颗粒 | ~100兆帕（14，500磅/平方英寸） |
| 欧文，埃塔尔。(1963) | 压制AP颗粒（ | ~158.6兆帕（23，000磅/平方英寸） |
| 普利奥班德抑制，石棉包裹） | ||
| 波波勒维塔尔。(1964) | 压制AP颗粒（透明） | ~68.9（10，000磅/平方英寸） |
| 博格斯（1970） | 单 AP 晶体 | ~41.4兆帕（6000磅/平方英寸） |
| 卡内尔鲍金属。(2011) | ~58.6兆帕（8500磅/平方英寸） | |
| 基于AP/HTPB的含Fe2O3和碳化硅的复合推进剂晶粒 | ||
| 阿特伍德塔尔。(2013) | ~345兆帕（50，000磅/平方英寸） | |
| 含有各种AP粒径μm-l的AP/HTPB基复合推进剂， | ||
| Fe2O3和己二酸二辛酯（DOA）或癸二酸二辛酯（DOS）增塑剂 | ||
二、方法
本研究测试了7种不同平均AP粒径和分布的复合推进剂配方高达 68.9 兆帕（10，000 磅/平方英寸）。每种配方都含有高氯酸铵（AP）作为氧化剂，R45-M端羟基聚丁二烯（HTPB），燃料粘合剂;和异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI），固化剂剂。如表2所示，所有七种配方都是不含添加剂的基准。其中四种配方的固体含量为80%，AP粒径从46到210μm不等。另外三个具有85%的固体含量，具有单峰，双峰和三峰AP分布。单峰AP平均粒径为210μm;双峰AP比为70：30，210-20μm（粗细）;和三峰，40：20：10，400至210至20μm（粗-中-细）AP比。AP在Resodyn实验室共振声学混合器（LabRAM）中使用一系列筛子进行筛分，以达到所需的平均粒径范围。斯蒂芬斯等人开发的技术在作者的实验室中用于生产所有推进剂[9]。表2提供了本研究中使用的详细基础配方。
使用镍铬合金丝点火在两个恒定体积的压力容器中燃烧至少10个25.4毫米长和4.76毫米直径的推进剂样品。如Carro等人和Kreitz等人所描述的那样，在作者的高压设施中测试了高达34.5MPa的压力[11，10]。测试高达68.9 MPa，一种新的超高压链燃烧器设施最近在德克萨斯A&MUniversity开发并表征，如Dillier等人所描述的那样[12]。两个容器都使用惰性氮气加压，压力使用空气供应的 Haskel AG-75 气体增压器实现 34.5 MPa 以上。表中提供了每种配方的拟合燃烧速率趋势，公式为 1，r 以mm/s为单位，P 以 MPa 为单位，以及 a 和 n 个实验常数。
表 2.推进剂组成和各自燃烧速率信息在当前研究中评估。
| 固体含量
（质量%） |
AP 分布 | AP尺寸（微米） | 特征 | 低于 P* | P* 以上 | ||||
| 平均燃速[6.89MPa*] | 燃速参数 | 平均燃速 | 燃速参数 | ||||||
| a | n | [P*–68.9MPa] | a | n | |||||
| 80 | 单峰 | 46.0±28 | 20.2–23.3 | 16.28 | 4.42 | 0.5 | 65.53 | 0.615 | 1.16 |
| 80 | 单峰 | 59.0±25 | 22.3–25.6 | 16.94 | 5.27 | 0.45 | 57.3 | 0.748 | 1.08 |
| 80 | 单峰 | 138.9±44 | 25.7–29.3 | 13.78 | 5.87 | 0.33 | 49.11 | 0.112 | 1.51 |
| 80 | 单峰 | 210.3±52 | 25.4–29.0 | 10.98 | 3.05 | 0.5 | 43.04 | 0.179 | 1.36 |
| 85 | 单峰 | 210.3±52 | 25.9–29.4 | 12 | 2.05 | 0.68 | 47.32 | 0.474 | 1.15 |
| 85 | 双峰 | 210/20 | 29.1–36.0 | 13.02 | 2.39 | 0.65 | 46.41 | 0.163 | 1.41 |
| (70:30) | |||||||||
| 85 | 三峰 | 400/210/20 | 25.7–29.4 | 9.35 | 1.23 | 0.78 | 44.95 | 0.19 | 1.36 |
| (40:20:10) | |||||||||
三、结果与讨论
不同AP平均粒径的燃烧速率结果如图所示。1. 所有四种公式的指数突变都很明显。在较低和较高压力下，粒径较小（46 μm和59 μm）的配方比AP为138.9和210.3 um的配方表现出更高的燃烧速率。这种趋势是意料之中的，因为文献中充分证明，较小的AP颗粒尺寸由于其比较大的颗粒更大的表面积而燃烧得更快。此外，虽然在较低压力下，59 μum配方的燃烧速率似乎高于46 μm配方，但它们与46 μm配方的分散点一致，正如预期的那样，因为与138.9和210.3μm推进剂相比，两种粒径非常接近，后者具有显着不同的燃烧速率。唯一的异常是138.9μm配方在较低压力下的斜率。虽然其他三个批次的压力指数低于特征压力P*，但138.9μm-AP批次的压力指数明显较低，如表2和图1所示。这种差异很可能是由于指数突变前后燃烧速率数据的分散造成的。需要在这方面进行进一步的测试来验证这一点。
如图1所示，无论AP粒径大小如何，都会发生指数突变。然而，指数突变的压力取决于AP颗粒大小。两种AP粒径较小的推进剂46和59μm的特征压力分别低于20.2-23.3 MPa和22.3-25.6 MPa，而AP粒径较大的推进剂分别为138.9和210.3μm，分别为25.7-29.3 MPa和25.4-29.0 MPa。对于较小的AP颗粒尺寸，46和59 μm推进剂的指数突变后的压力指数也明显降低，分别为1.16和1.08，而138.9和210.3 μm颗粒分别为1.51和1.36。需要进一步测试以缩小特征压力范围，但初步结果表明，AP粒径对指数突变后的特征压力和压力指数都有影响。
图2显示了85%固体含量单峰、双峰和三峰AP分布配方的燃烧速率结果。同样，所有三种配方的指数突变都很明显。正如预期的那样，双峰配方的低压燃烧速率最高，三峰配方的低压燃烧速率最低。这种趋势是由于每批AP颗粒的大小。双峰配方中部分210.3 μm AP被20 μmAP取代，提高了燃烧速率;而大多数三峰AP分布为400μm，导致燃烧速率降低。然而，与AP粒度公式不同，AP分布对斜率变化后的特征压力或压力指数没有明显的影响。
虽然单峰和三峰批次在25.9-29.4 MPa和25.7 -29.4 MPa之间具有相似的特征压力，但双峰配方直到29.1 MPa才开始显示出更高的指数突变。单峰公式在斜率变化后的压力指数也明显低于双峰或三峰公式。然而，所有三种配方的燃烧速率开始在51.7MPa（7500 psi）左右收敛。同样，如图3所示，80%和85%单峰AP浓度的燃烧速率开始在62 MPa（9000 psi）左右收敛。AP浓度显然对特征压力没有影响，但是在这些较小的浓度差异下。与AP粒径一样，需要在指数突变状态下进行进一步测试，以研究AP分布和浓度的影响（如果有的话）。
尽管在极高压下很少有实验数据，但仍然提出了几种机制来解释这种指数突变特征。其中最突出的是AP驱动。Irwin，Atwood和Glick等人都认为，在特征压力P*以上，AP对燃烧过程的贡献占主导地位，因此燃烧速率由AP分解火焰控制[1，5，13，14]。Bastress的观察支持了这一假设，即在较高的压力下，AP表面会倒退到燃料表面以下[15]。Atwood等人的研究也支持这一假设，因为所有测试的复合推进剂配方都接近“AP屏障”，即纯AP的高压指数区域，无论AP粒径，模态，微米铝浓度，燃烧速率催化剂（Fe₂O₃）或使用的增塑剂如何。
Irwin等人进一步提出，极高压下燃烧速率的增加是由于AP晶体中形成和/或膨胀的裂缝或孔隙导致AP表面积增加[5，13]。他们后来扩展了这一理论，表明AP开裂的最可能原因是在这些极高压下固相中的陡峭温度梯度引起的热应力[13]。然而，本文提出的各种AP颗粒尺寸的初步高压燃烧速率数据表明，该理论不适用于较小的AP颗粒化。较小的AP颗粒更耐裂，但指数突变发生在比较大颗粒尺寸更低的压力下。较小尺寸AP的这种趋势表明，另一种基本机制可能是推动指数突破。Hermance的另一项理论提出，压力指数增加是先前层流燃料氧化剂火焰而不是AP分解火焰中湍流的结果[16，17]。尽管每种解释都有其优点，但需要进一步的研究来确定驱动指数突变和由此产生的特征压力的基本机制。
图1 单峰固体含量为80%且平均AP粒径不同的配方的高压燃烧速率结果。
图2 单峰、双峰和三峰AP分布下85%固体含量的高压燃烧速率结果。
图3 不同单峰AP浓度的高压燃烧速率结果比较。
四、结论
总体而言，具有不同AP粒径和分布的AP / HTPB复合推进剂在高达68.9 MPa（10，000 psi）的超高压下进行了测试。新数据增加了相对较小的基于AP的推进剂燃烧速率超过20 MPa的数据库。无论AP粒径或分布如何，所有配方均显示出明显的指数“斜率”突变超过20 MPa（2900 psi）和指数突变后的压力指数大于1.0。减小AP粒径降低了指数突变后的特征压力和压力指数。单峰和三峰AP分布的推进剂表现出相似的特征压力，而双峰分布推进剂的压力略高时，指数突变发生。然而，AP浓度的轻微增加对特征压力没有显著影响。虽然存在多种理论来解释指数突变现象，但需要额外的超高压燃烧速率数据来充分理解潜在的机制。
参考文献
[1] Atwood， A.I， Ford， K. P.， and Wheeler， C.J， “固体火箭推进剂的高压燃烧速率研究”，Progress InPropulsion Physics， Vol.4，2013，pp.3-14.
[2] Friedman, R., and Nugent, R.G,”Deflagration of AP,”Proceedings of the Combustion Institute, Vol.5,1955,pp.612-618.[3] Levy,J. B., and Friedman, R,”Further Studies of Pure Ammonium Perchlorate Deflagration,”Proceedings ofthe CombustionInstitute, Vol.8,1962, pp.663-672.
[4] Glaskova, A. P.,”Effect of Pressure on the Combustion Rate of Ammonium Perchlorate,”Russian Journal of Applied Physics,Vol.5,1963,pp.193-202.
[5] Irwin, O.R, Salzman,P.K.,and Anderson, W.H,”Deflagration Characteristics of Ammonium Perchlorate at High Pressures,”Proceedings of the Combustion Institute, Vol.9,1963, pp.358-364.
[6] Bobolev, V.K,Glazkova,A.P., Zenin,A.A, and Leypunski, O.I,”A Study of the Temperature Distribution in theCombustion of Ammonium Perchlorate,”Russian Journal of Applied Physics, Vol.3,1964, pp.153-158.
[7] Boggs,T.L.,”Deflagration Rate, Surface Structrue, and Subsurface Profle ofSelf-Deflagrating Single Crystals of AmmoniumPerchlorate,”AIAA Journal,Vol.8,1970,pp.867-873.
[8] Kanelbaum,J,Apped, H, Dadon, S., Goldstein, Y., Ovadia, T, and Shefler, J,”High-Pressure Combustion of CompositePropellants,”European Conferencefor Aeronautics and Space Sciences,2011.
[9]Stephens, M., Sammet,T, Carro, R., Lepage,A.,and Petersen, E.L,”Comparison of Hand and Mechanically Mixed AP/HTPBSolid Composite Propellants,”43d AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2007.
[10]Carro, R. V.,”High Pressure Testing of Composite Solid Rocket Propellant Mixtures: Bumer Facility Characterization,”MSThesis, Mechanical Engineering Dept., Univ. of Central Florida, Orlando, FL, 2007.
[11] Kreitz, K,”Catalytic Nanoparticle Additives in the Combustion of AP/HTPB Composite Solid Propellant,”MS Thesis,Mechanical Engineering Dept., Texas A&M Univ., College Station, TX, 2010.
[12] Dillier, C.A.M,Demko,A.R., Stahl,J.M, Sammet, T,and Petersen, E.L,”Temperature Sensitivity of AP/HTPB-BasedRocket Propellants Using a New High-Pressure Strand Burner,”55th AIAA Aerospace Sciences Meeting, AlAA SciTech Forum,2017.
[13]Irwin,O.R.,Salzman, P. K., and Andersen,W.H.,”Mechanism of Accelerated Burning of Ammonium Perchlorate at HighPressures,”AIAAJournal,1963,pp.1178-1180.
[14] Glick, R.L.,”Exponent Breaks in Composite Solid Propellants,”Journal of Spacecraft and Rockets, Vol.12, 1975,pp. 185-187.
[15] Bastress, C.K.,“Modification of the Burning Rates of Ammonium Perchlorate Solid Propellants by Particle Size Control,”Ph.D. Dissertation, Aeronautical Engineering Dept., Princeton Univ., Princeton, NJ,1961.
[16] Hermance,C. E.,”A Model of Composite Propellant Combustion Including Surface Heterogeneity and Heat Generation,”AIAA Journal, Vol.4,1966, pp.1629-1637.
[17] Hermance, C.E.,”A Detailed Model of the Combustion of Compostie Solid Propellants,”Proceedings of the 2md ICRPG/AIAASolid Propulsion Conference, 1967.
