APCP燃料制作和相关性质研究

摘要:本文研究了含铝高氯酸铵-端羟基聚丁二烯复合推进剂（APCP）的制作过程及其性能。通过改变高氯酸铵的粒度分布和铝含量，分析了这些变化对推进剂性能的影响，旨在提高火箭发动机性能的一致性和可靠性。研究结果显示，采用三峰粒度分布和适当的铝含量，可显著提高APCP的燃烧性能和一致性。

关键词：APCP；固体火箭；固体燃料

Research on the Production and Properties of APCP Fuel

Abstract: This paper investigates the production process and performance of aluminum-containing ammonium perchlorate composite propellant (APCP). By altering the particle size distribution of ammonium perchlorate and the aluminum content, the study analyzes the impact of these changes on the propellant’s performance, aiming to improve the consistency and reliability of rocket engine performance. The results indicate that using a tri-modal particle size distribution and an appropriate aluminum content significantly enhances the combustion performance and consistency of APCP. Keywords: APCP; Solid Rocket; Solid Fuel

0 引言

含铝高氯酸铵-端羟基聚丁二烯复合推进剂（APCP）是一种广泛应用于固体火箭发动机的燃料，因其具有高能量密度、稳定性强和制造成本相对较低的优点，在民用和军用火箭推进系统中占据重要地位。APCP燃料的基本组成包括高氯酸铵（AP）、铝粉以及羟基封端聚丁二烯（HTPB）。这些成分共同作用，使得APCP燃料能够提供强劲的推力和较长的燃烧时间。 APCP燃料的性能受到多种因素的影响，其中最重要的因素包括AP和铝粉的粒径分布、成分比例以及制造工艺。在实际应用中，优化这些因素可以显著提高燃料的燃烧效率和性能一致性。例如，较小粒径的AP和铝粉能够提高燃烧效率，但可能导致燃烧速率增加和制造过程中的团聚现象。因此，选择合适的粒径分布和成分比例对于实现APCP燃料的最佳性能至关重要。 在APCP燃料的制作过程中，制造工艺的优化同样至关重要。采用先进的制造设备和工艺，如高效混合设备、真空脱气技术和精密铸造工艺，可以显著提高燃料的均匀性和质量。此外，DOA和MDI等添加剂的使用可以改善燃料的机械性能和化学稳定性，进一步提升燃料的整体性能。 高氯酸铵的热分解机制是影响APCP燃料性能的另一个关键因素。截至目前，其分解机制仍然存在许多不确定性。目前主要有三种假设来解释AP的热分解机制：电子转移机制、质子转移机制和氯氧键断裂机制。这些机制可能在不同的温度和压力条件下起作用，从而影响燃料的燃烧性能和稳定性。 铝粉作为APCP燃料中的重要成分，能够显著提高燃料的比冲和总冲量。研究表明，铝粉的粒径和含量对燃料的燃烧性能有显著影响。较小粒径的铝粉能够提供更高的反应活性，但也可能导致制造过程中的团聚现象，影响燃料的均匀性 。因此，选择合适的铝粉粒径和含量是优化APCP燃料性能的重要环节。 粘合剂在APCP燃料中起到固定各成分并赋予燃料一定机械强度的作用。HTPB是一种常用的粘合剂，具有优良的机械性能和燃烧性能。通过调整HTPB的交联密度，可以进一步优化燃料的机械性能和燃烧特性。本文探讨了不同粒度分布的铵高氯酸盐以及铝含量对APCP燃料性能的影响，目标是提高火箭发动机性能的一致性和可靠性。

1 材料与制作方法

1.1 材料

本文中采用的各种材料及质量比如表1-1所示，化学试剂均为分析纯（AR） 表1-1 制作燃料所用原材料及其质量比

以上采用的高氯酸铵（AP）三种粒度分别为：90 µm、200 µm、400 µm。

1.2 制作方法

首先，根据配方精确称量所需的各个成分，包括高氯酸铵（AP）、铝粉、羟基封端聚丁二烯（HTPB）以及其他添加剂如DOA（6%）和MDI（2.5%）。称量精确至0.1克，以确保混合物的化学均匀性和燃烧性能一致性；然后在真空环境下将所有成分混合。真空环境能够防止空气掺入混合物中，减少气泡形成。混合过程通常使用高效的机械搅拌器进行，以确保成分均匀分布；将混合后的燃料在真空条件下进行振荡浇筑。此步骤确保混合物均匀填充模具，并排除残留气泡，增加燃料的密度和一致性。浇筑过程中保持稳定的振荡频率和浇筑速度，浇筑完成后，将燃料在常温下固化36小时左右。固化过程中需保持环境温度和湿度稳定，以确保燃料的机械强度和化学稳定性。

制作好燃料之后，再对其进行浇筑和后处理。我们将其锯成三段，再使用车床对每段燃料进行加工，车出接插结构并打中心孔。此步骤确保各段燃料可以精确对接和固定，加工精度需达到0.01毫米，以确保连接的牢固性和稳定性。然后使用铣床在每段燃料上铣出6个小孔，增大燃烧面的面积。再对接各段燃料，并使用环氧树脂进行粘接和密封端面，确保燃料在高温高压条件下不会分离。最后，使用耐高温的铁氟龙胶带将粘接好的燃料段进行缠裹。此步骤提供额外的保护，防止燃料在存储和运输过程中受到损坏，并提高燃料的耐热性能。缠裹过程需均匀、紧密，以确保无缝隙和松动。燃料制作流程如图1.1所示。

图1.1 燃料及药柱制作流程

2 不同组分含量对APCP性能的影响

2.1 粒度分布的影响

经过多次发动机点火测试，研究发现铵高氯酸盐（AP）颗粒尺寸的变化对APCP燃料的性能一致性具有显著影响。在测试过程中，分别采用了不同粒径分布的AP颗粒，包括单峰分布、双峰分布和三峰分布。结果表明，粒径为230 µm的三峰分布在燃料性能方面表现出显著优势。

具体而言，与单峰和双峰分布相比，三峰分布的AP颗粒在推力和燃烧时间的波动性上均表现出较小的变化。通过精确控制AP颗粒的粒径分布，可以有效减少燃料在燃烧过程中的不均匀性和不稳定性，从而提高燃料的整体性能一致性。这一发现对于优化APCP燃料的制作工艺和提高火箭发动机的可靠性具有重要意义。

在实际测试中，采用三峰分布的AP颗粒能够更好地填充燃料的空隙结构，减少制造过程中的气泡和裂缝，从而提高燃料的密度和一致性。测试结果显示，粒径为230 µm的三峰分布在多次点火测试中均表现出较为稳定的推力输出和较长的燃烧时间，且波动范围较小。 经过多次测试，得到图2.1的数据，这些数据展示了不同粒度分布对推力和燃烧时间的影响。可以看出，随着粒度分布从单峰到三峰的变化，推力和燃烧时间的波动性显著减小。这些测试数据进一步验证了三峰粒度分布在提高APCP燃料性能一致性方面的有效性。

图2.1 不同AP颗粒尺寸对推力和燃烧时间波动的影响

2.2 铝含量的影响:

在APCP燃料的配方设计中，铝粉作为一种高能量密度的燃料成分，其含量的变化对燃料的整体性能有着重要影响。通过多次发动机点火测试和实验研究，发现增加铝含量可以显著提高APCP燃料的比冲（Specific Impulse, Isp）和总冲（Total Impulse）等关键性能指标。

具体而言，随着铝含量的增加，燃料的能量输出得到了显著提升，这主要是因为铝粉在燃烧过程中释放出大量的热能，极大地提高了燃料的比冲和总冲量。然而，这一提升效果在一定范围内是非线性的，且过高的铝含量可能导致燃烧不完全和燃料稳定性下降。 在实验过程中，测试了不同铝含量（从0%到20%）对APCP燃料性能的影响。结果表明，当铝含量增加到10%左右时，燃料的比冲和总冲量达到了最佳值。在此含量下，燃料不仅表现出较高的能量输出，而且在多个点火测试中均保持了较好的稳定性。这一平衡点的发现，对于优化燃料配方和提高火箭发动机的可靠性具有重要意义。

具体测试结果如图2.2所示，图中展示了不同铝含量对比冲和总冲量的影响曲线。可以看出，当铝含量为10%时，比冲和总冲量均达到峰值，随后随着铝含量继续增加，这些性能指标反而有所下降。这表明，过高的铝含量不仅不能继续提升性能，反而可能因燃烧效率降低和热力学不稳定性增加而导致性能下降。

图2.2 铝含量对比冲量和总冲的影响

此外，测试还表明，在铝含量为10%时，燃料的结构稳定性和燃烧过程中的一致性也得到了较好的保障。高含量铝粉虽然能提供更多的热能，但也可能在燃烧过程中形成未燃尽的铝颗粒，导致燃烧室内沉积，影响发动机的长期可靠性。因此，合理控制铝含量，对于实现性能和稳定性之间的最佳平衡至关重要。

2.3 燃料密度和一致性

在APCP燃料的制作过程中，颗粒的粒度分布对最终燃料的性能有着重要影响。研究和实验表明，采用三峰粒度分布的铵高氯酸盐（AP）颗粒不仅可以减少制造过程中的气泡和裂缝，还能显著提高燃料的性能一致性。

具体来说，三峰粒度分布指的是在混合物中同时存在三种不同粒径的AP颗粒。这种分布方式能够有效地填充燃料中的空隙，使得各个颗粒之间的排列更加紧密，进而减少了制造过程中可能出现的气泡和裂缝。气泡和裂缝的减少对于提高燃料的密度和机械强度至关重要，因为这些缺陷会在燃烧过程中导致不均匀燃烧和性能波动。

多次实验数据显示，采用三峰粒度分布的燃料，其测得的密度非常接近理论计算值。这表明在生产过程中，燃料内部的结构更加紧密，缺陷更少。高密度和低缺陷率的燃料不仅在性能上表现出更高的一致性，而且在储存和运输过程中也具有更高的稳定性。实验数据如图2.3所示。

图2.3 颗粒分布对缺陷和密度一致性的影响

此外，三峰粒度分布还能够优化燃烧特性。在燃烧过程中，不同粒径的AP颗粒能够提供不同速率的氧化反应，从而使得燃烧过程更加平稳和连续。小粒径的颗粒可以快速反应提供初始燃烧所需的能量，而大粒径的颗粒则在燃烧后期持续提供氧化剂，保证燃烧的稳定性和持续性。这种分布方式有效地避免了燃烧过程中的剧烈波动，提高了燃料的整体性能。 测试结果进一步表明，采用三峰粒度分布的燃料在推力输出和燃烧时间方面的波动性显著降低。与单峰和双峰分布相比，三峰分布的燃料能够更好地保持推力的稳定输出，燃烧时间也更加均匀。这对于火箭发动机的可靠性和性能优化具有重要意义。

研究证实，合理的粒度分布和适当的铝含量对APCP燃料的最佳性能至关重要。以上研究结果表明，粒径为230 µm的三峰分布和10%的铝含量能够产生最一致和可靠的结果。此外，通过新型制造方法和添加剂的应用，可以进一步优化APCP燃料的性能。

3 APCP燃料在火箭发动机中的实测分析

在实际应用中，对APCP燃料在火箭发动机中的性能进行了多次实测分析。通过多次点火测试和飞行试验，验证了APCP燃料在推力输出、燃烧时间和稳定性等方面的表现。

实测结果表明，采用优化配方和三峰粒度分布的APCP燃料在不同环境条件下均表现出优异的性能。例如，MIT火箭团队在其项目中成功使用了自制的APCP推进剂，并通过系列小型测试火确定了推进剂的特性。在实际飞行中，这些定制的推进剂表现出高一致性和可靠性。

在具体的点火测试中，研究团队设计和制造了一个2.5kN的APCP燃料火箭发动机。测试过程中使用了数据采集系统（DAQ）来捕捉推力曲线和测量燃烧室压力。测试数据表明，该燃料在多次点火中表现出稳定的推力输出和长时间的燃烧时间，进一步验证了其在实际应用中的有效性。

此外，Richard Nakka的实验火箭项目也展示了APCP燃料在不同测试条件下的优异表现。他们使用高效的混合技术和精确的粒度分布控制，确保了燃料的高密度和低缺陷率。测试结果显示，采用优化配方的APCP燃料在点火和燃烧过程中保持了高稳定性和一致性。 在我们自己的测试中，设计并制造了一款基于APCP燃料的小型火箭发动机，也进行了多次发动机测试，以评估燃料的稳定性和性能指标。火箭发动机尾流仿真如图3.1所示：

图3.1 火箭发动机尾流Ansys仿真

发动机的平均推力为1.4kN，推力曲线平稳，没有出现明显的波动，发动机试车数据采集如图3.2所示。

图3.2 发动机试车采集曲线

我们测得的燃料密度为1.85 g/cm³，与APCP燃料的理论值非常接近，表明制造过程中缺陷较少。通过显微镜观察，燃料内部几乎没有气泡和裂缝，验证了三峰粒度分布的有效性。装药如图3.3所示：

图3.3 APCP装药

4 研究展望

APCP燃料仍然具有较大的研究空间，未来的可以进一步研究以下几个方面： （1）燃料成分的优化: 通过引入新型添加剂和改进现有成分的比例，进一步提高燃料的性能。 （2）制造工艺的改进: 采用更先进的制造设备和工艺，如超声波混合和低温铸造，进一步提高燃料的均匀性和稳定性。 （3）燃烧性能的模拟: 利用先进的计算模拟技术，预测不同成分和工艺条件下燃料的燃烧性能，为实际生产提供指导。

5 结论

本文通过对APCP燃料制作过程和性能的详细研究，提出了一系列优化方法和改进措施。合理的粒度分布、适当的铝含量以及先进的制造工艺是提高APCP燃料性能的关键。未来的研究应继续在这些方面深入探索，以实现更高效、更安全的火箭推进技术。

参考文献

[1] Velasco, D. (2022). Evaluation of Granular Distribution and Propellant Grain Length on Tri-Modal Ammonium Perchlorate Solid Rocket Motors. Oklahoma State University. [2] 科创网 (2024). 铵高氯酸盐复合推进剂(APCP)的制作及性能研究. https://www.kechuang.org/t/84390. [3] Composition and Fabrication Method for APCP Solid Rocket Propellant. (2023). Oklahoma State University. https://innovations-okstate.technologypublisher.com/techcase/2023-027 [4] Effect of Al Li Alloy on the Combustion Performance of AP/RDX/Al/HTPB Propellant. MDPI. https://mdpi-res.com [5] Recent Advances in Catalytic Combustion of AP-based Composite Solid Propellants. ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236119309986 [6] Ammonium perchlorate composite propellant - Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Ammonium_perchlorate_composite_propellant [7] What’s Currently Happening in Fuel Cells? February 2024. StartUs Insights. https://www.startus-insights.com