1 引言

改性双基推进剂是一类综合性能优良的固体推进剂。CL-20是全世界公认的最有应用前景的高能量密度材料(HEDC)之一^[1]，将其加到推进剂配方中，更有利于推进剂充分燃烧和能量释放^[2]。研究表明，以叠氮缩水甘油醚(GAP)/CL-20为基的交联改性双基推进剂(XLDB)，与正在使用的XLDB推进剂相比，体积比冲提高10%，同时表现出高燃速、低压力指数和低温度系数的特性，满足大多数火箭发动机的要求，且通过了发动机点火实验^[3-6]；添加CL-20的NEPE推进剂能够显著提高能量密度和改善体系氧平衡^[7]。但有关用CL-20改善改性双基推进剂能量性能的报道较少，本研究通过改变氧化剂含量，设计了不同改性双基推进剂配方，以期通过CL-20改善改性双基推进剂的能量性能，指导含CL-20的新型研究高能改性双基推进剂。

2 方法与条件

采用最小自由能法，通过改变CL-20含量，用REAL系统计算了设计配方的氧平衡(OB)、理论比冲(I_sp)、燃烧温度(T_c)、密度(ρ)及燃气平均分子量(M_g)，并用这些参数表征和评定推进剂的能量特性，若无特别说明，均为10 MPa下的计算结果。

3 计算结果及讨论 3.1 RDX、CL-20含量对改性双基推进剂能量性能的影响

为研究CL-20与RDX改性双基推进剂能量，设计了含RDX的R-1~R-7和含CL-20的C-1~C-7配方，其中R-1配方为NC=49.7%，NG=46%，催化剂、工艺添加剂等其它组分为4.3%。R-2~R-7配方是在R-1的基础上，NC、NG分别降低5%，而RDX以10%的比例增加。其它组分含量保持不变。C-1~C-7的CL-20改性双基推进剂依次类推，用CL-20替代RDX即可。表 1、表 2分别为RDX改性双基推进剂(R-1~R-7)和CL-20改性双基推进剂(C-1~C-7)的能量性能计算结果。

由表 1可知，RDX含量每增加10%，理论密度、理论比冲、燃温分别以平均0.018 g·cm^-3、29.9 N·s·kg^-1、54.4 K的增量增加，但体系的氧平衡和燃气分子量却以平均0.001及0.12减小。氧平衡下降，燃烧不充分，导致燃烧产物反应不完全，因而燃气平均分子量也随之略有下降。

由表 2可知，CL-20含量每增加10%，氧平衡、理论密度、理论比冲、燃温、燃气平均分子量分别以平均0.001、0.034 g·cm^-3、41.1 N·s·kg^-1、103.3 K、0.24的增量增加。密度、理论比冲、燃温与含量的关系基本为线性关系。

对比表 1、表 2可知，CL-20与RDX均可提高双基推进剂的理论比冲和燃烧温度，但提高幅度有所不同。当氧化剂含量为10%时，与空白配方相比较，CL-20/CMDB推进剂的理论比冲和燃烧温度，分别提高了44.2 N·s·kg^-1和123.2 K，提高幅度分别为1.87%、4.28%。而RDX/CMDB推进剂的理论比冲、燃烧温度提高了30.4 N·s·kg^-1和58.4 K，提高幅度分别为1.28%、2.1%。因而相同含量的CL-20和RDX，CL-20提高CMDB推进剂的能量幅度明显高于RDX。这是因为CL-20的含氧量比RDX高，可以有效地改善推进剂的氧平衡条件，推进剂氧系数随CL-20含量的增加而增大，氧系数的增大使反应进行更完全，热能释放更充分，尽管CL-20改性双基推进剂体系燃气平均分子量略有增加，但通过计算，含CL-20改性双基推进剂体系中，燃烧温度与平均燃气分子量的比值(T_c/M_g)要远远大于含RDX改性双基推进剂体系的比值，因此，CL-20提高改性双基推进剂能量的效果仍然是显著的。表 2所示推进剂氧平衡和燃气平均分子量的增大是CL-20改性双基推进剂能量释放规律研究的主要问题。CL-20和RDX改性双基推进剂能量性能对比如图 1所示。

由图 1可知，随CL-20和RDX添加量的增加，CL-20和RDX提高改性双基推进剂燃烧温度和理论比冲的斜率分别为10.39、5.45和4.11、2.97，说明CL-20提高能量的幅度更大。

3.2 CL-20部分取代RDX对CMDB推进剂能量性能的影响

为研究CL-20/RDX改性双基推进剂能量，将CL-20逐步取代体系中的RDX，研究CMDB推进剂能量性能的变化。其中A-1~A-7配方中NC=24.7%，NG=21%，催化剂、工艺添加剂等其它组分含量为4.3%，CL-20与RDX共计50%。

由表 3可知，CL-20每取代10% RDX，体系中的氧平衡、能量密度、理论比冲以及燃烧温度平均增加0.01、0.016 g·cm^-3、11.9 N·s·kg^-1及54.5 K，提高幅度分别为1.5%、0.9%、0.4%、1.7%。

由此可见，用CL-20取代CMDB推进剂中的RDX后，推进剂的理论比冲、燃烧温度、平均燃气分子量均增加，表明CL-20在CMDB推进剂体系中起主导作用。CL-20取代RDX提高比冲的主要原因是由于CL-20本身的能量大于RDX，加入CL-20后，其分子中张力能的存在，使其生成热正值增加，从而有利于燃烧温度的提高，而且CL-20的氧含量比RDX高，可以使推进剂中各组分燃烧更加充分，能量释放更完全。

3.3 Al含量对CL-20改性双基推进剂能量性能的影响

表 4列举了含Al的B系列配方当CL-20为45%，铝含量由3%~20%变化时，CL-20改性双基推进剂能量的变化规律。其中B-1配方为NC=26.7%，NG=22%，催化剂、工艺添加剂等其它组分占4.3%。B-1~B-11配方中，Al含量每增加2%，NC、NG含量分别减少1%，其它组分含量不变。

由表 4可知，Al含量每增加2%，氧平衡减小0.019，密度增加0.022 g·cm^-3。Al含量小于20%时，理论比冲和燃烧温度分别可提高5.1%和11%；大于20%时，燃烧温度和理论比冲却迅速降低了6.3%和6.2%。

随着Al含量的增加(Al＜20%)，虽然氧平衡系数有所降低，但此时体系中的含氧量仍可以使Al粉充分燃烧，而且Al粉的增加可以使推进剂的总燃烧热值不断增加，有利于火焰温度和气相反应热向燃面反馈热值的增加，对提高推进剂的能量和燃速有利，因而CMDB推进剂体系的燃烧温度和理论比冲也可以大幅度的提高。而且，在Al和CL-20的正加和作用下，体系的能量密度也不断增加，高固体含量更有利于能量的提高。这说明在低Al配方中，Al含量的增加可以提高CMDB推进剂的能量。但当Al含量提高到20%后，理论比冲反而有所减少，当然，总冲还可能随密度比冲的提高而增大，但密度的增大毕竟有限。因此，此时与能量特性密切相关的T_c已经开始下降了。这是因为多Al体系需氧量较高，但氧平衡系数小于0.53，体系处于贫氧状态，不能使Al全部氧化成凝聚态Al₂O₃，造成两相流损失增加，从而降低体系的能量。因此在含CL-20改性双基推进剂配方设计中，Al含量不宜过高，应保证体系氧平衡大于0.53。

3.4 CL-20与RDX组合变化对含铝CMDB推进剂能量特性的影响

固定CMDB推进剂中Al的添加量，研究CL-20与RDX组合变化对体系能量特性的变化规律。从上述讨论可以看出，Al粉含量的增加可提高推进剂能量，但过高含量也会降低能量性能，因此选取可保证体系氧平衡大于0.53时的Al粉含量(Al=5%)。M-1~M-6配方中，NC与NG含量分别为24.7%和21%，催化剂、工艺添加剂等其他组分占4.3%, CL-20与RDX共计45%，计算结果见表 5。

由表 5可知，当Al含量为5%时，用10% CL-20取代基础配方中RDX后，氧平衡、理论比冲和燃烧温度分别提高了0.01、10.3 N·s·kg^-1、55.8 K。这是因为CL-20有较高的氧平衡系数，随着CL-20含量的增加，体系中的氧平衡也随之增大，更有利于体系中Al粉的充分燃烧和能量的释放。并且Al粉可增加推进剂的总燃烧热值，有利于气相反应热向燃面反馈热值的增加，从而增加体系的能量。在Al粉以及CL-20的双重作用下，体系的能量大幅度的提高。

4 结论

(1) 与RDX相比，CL-20可大幅度提高CMDB推进剂的密度、比冲以及燃烧温度。

(2) 加入Al粉可大幅度提高含CL-20改性双基推进剂体系的能量，但推进剂中Al含量不宜过高，应控制氧平衡系数大于0.53，否则Al无法完全燃烧，影响体系能量的释放。

(3) 在低Al推进剂配方(Al含量为5%)中，用CL-20替代RDX后，可较大提高推进剂的比冲。当CL-20添加量为45%时，比冲可达2641.3 N·s·kg^-1(269 s)，该配方通过优化和工艺研究可实现高能推进剂技术。