固體推進劑和矩形試件的磁性能試驗研究

郭 濤，呂 洋，王 寧，趙寶杰，解社娟

（1.西安交通大學航天航空學院，西安，710049；2.電磁兼容與防護全國重點實驗室，北京宇航系統工程研究所，北京，100076；3.航天化學動力技術重點實驗室，襄陽，441003；4.首都航天機械有限公司，北京，100076）

0 引言

固體推進劑是各類固體發動機的動力源，也是固體火箭發動機的關鍵工質，其性能直接影響固體發動機的性能和可靠性。常用復合固體推進劑是一類由黏合劑、氧化劑（含炸藥）、燃料和功能組分等組成的含能復合材料，在制造、運輸、貯存和使用過程中，可能發生燃燒、爆炸事故，造成人身傷亡、設備或建筑設施毀壞等嚴重后果，因此國內外學者重點開展了熱、機械撞擊和摩擦、靜電場以及沖擊波等外界激源下固體推進劑安全機理和評估研究［1］。然而，隨著固體推進劑制造過程的自動化和使用過程中磁環境影響的形勢變化［2-3］，需要評估固體推進劑和發動機在不同電磁場環境下的安全性。

YVES［4］建立了電磁輻射試驗裝置，測試了殼體/絕熱層/襯層/推進劑夾芯結構試件的電磁-熱效應規律，結合試驗和仿真分析了電磁場環境下固體火箭發動機的低易損性。中國也針對外加磁場對發射藥和推進劑燃燒氣體產物的影響進行研究［5-6］，應用磁場控制等離子體流速和分布從而減少內膛表面燒蝕。目前暫沒有針對磁場對固體推進劑磁性能、力學性能和安全性能等的影響研究，而對固體發動機相關材料的磁性能有一定研究。江涌等［7］制備了改性Fe3O4/NR/EPDM 磁性橡膠，其中包含天然橡膠（Natural Rubber，NR）和三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM），研究表明以NR/EPDM 并用膠為基體制備的磁性橡膠耐熱老化性能、耐臭氧老化性能、耐酸堿性能和耐油性能均高于以NR 為基體的磁性橡膠。于天成［8］利用試驗和仿真方法，研究了電磁感應加熱碳纖維復合材料的工藝原理，分析了電磁感應加熱溫度場變化規律，有助于碳纖維復合材料殼體結構發動機磁熱效應研究。此外，其他領域非含能材料電磁感應的試驗、數值模擬和機理研究較多，其中的方法也可以借鑒［9-13］。

本文主要以固體發動機部組件材料為研究對象，重點分析了準靜態磁場下端羥基聚丁二烯（Hydroxyl Terminated PolyButadiene，HTPB）推進劑和硝酸酯增塑聚醚（Nitrate Ester Plasticised Polyether，NEPE）推進劑以及相關矩形試件的磁性能變化規律，為分析弱磁場環境對固體發動機的磁性能和綜合性能影響提供基礎。

1 試驗樣品和試驗方法

1.1 試驗樣品制備

固體推進劑采用減壓-捏合工藝混合，澆注至專用模具并固化。試件按照《固體推進劑性能測試用試樣》標準要求制備。

以固體推進劑和構成推進劑的典型組成元素如Al和Cr 為研究對象，制作了圓柱形的NEPE 推進劑藥柱、6061 鋁合金柱（簡稱6061 鋁柱）、GCr15 高碳鉻軸承鋼柱（簡稱GCr15 鋼柱）、大方形HTPB 推進劑藥柱、小方形HTPB 推進劑藥柱，尺寸分別為Ф24 mm×27 mm、Ф35 mm×15 mm、Ф10 mm×10 mm、50 mm×50 mm×50 mm、25 mm×25 mm×25 mm。結合《弱磁材料磁導率測量方法》標準制樣方法和模擬發動機部件實際厚度，制作了HTPB推進劑、NEPE 推進劑、EPDM 絕熱層、T700 碳纖維復合材料（簡稱T700）、D406A合金鋼（簡稱D406A）等條狀試件，尺寸分別為20 mm×12 mm×5 mm、100 mm×7 mm×2 mm、200 mm×10 mm×7 mm 和90 mm×15 mm×7 mm。不同材料的實物如圖1所示。

圖1 不同種類和形狀的材料Fig.1 Different type and shape of materials

矩形試件由鋼件、絕熱層、襯層和推進劑組成，參照《固體火箭發動機燃燒室界面粘接強度測試方法第1部分：矩形試件扯離法》標準制作試件。為研究推進劑厚度對矩形試件磁性能的影響規律，鋼殼體和絕熱層-襯層等部件尺寸不變，HTPB推進劑厚度分別為0 mm 和22 mm，記 為HTPB-0 和HTPB-22，而NEPE推進劑厚度分別為3 mm和22 mm，記為NEPE-3和NEPE-22。矩形試件中間的HTPB 和NEPE 推進劑藥條厚度分別為13 mm 和10 mm。矩形試件實物如圖2 所示，其中HTPB 矩形試件鋼材料為45#鋼，NEPE矩形試件鋼材料為20#鋼。

圖2 HTPB和NEPE推進劑矩形試件Fig.2 Rectangular specimen of HTPB and NEPE propellant

1.2 測試方法

試驗研究中采用亥姆霍茲線圈（型號PS-1HM252）和高精度可編程線性直流電源（型號PS3010D）產生所需要的均勻磁場，其中亥姆霍茲線圈工作空間內磁場均勻度為99%，直流電源恒流模式下電流穩定性優于0.05%。采用高斯計（型號TD8620）進行磁感應強度測量，準確度1 級（精度±1%），最小分辨力0.01 mT。試驗設備如圖3所示。

在亥姆霍茲線圈產生的均勻磁場中，為獲得待測樣品不同位置感應磁場強度規律，平行和垂直于磁場方向分別放置不同類型的材料和矩形試件，試驗測試部位如圖4 和圖5 所示。為排除高斯計探頭與試件之間的距離對測量結果的影響，如不特殊說明，下文磁感應強度數據均為探頭緊貼試件表面的測量結果。

圖4 平行于和垂直于磁場方向的推進劑試驗方法Fig.4 Propellant test methods through parallel and perpendicular to the direction of the magnetic field

圖5 平行于磁場方向的矩形試件試驗方法Fig.5 Rectangular specimen test methods in the parallel direction of the magnetic field

2 結果與討論

2.1 固體推進劑磁感應性能

為考察不同材料在亥姆霍茲磁場中是否表現出磁性能，以GCr15 鋼柱、6061 鋁柱、NEPE 推進劑圓柱和HTPB推進劑藥塊為研究對象，分別開展了平行于磁場方向的不同材料表面磁性能試驗，其結果列于表1 和表2 中。亥姆霍茲線圈產生的磁場強度取決于線圈自身固有參數及通過的電流大小，試驗中通過改變電流大小來控制產生的磁場強度，故表1中均以電流為自變量，研究不同樣品表面產生的磁感應強度。

表1 平行于磁場方向時不同材料表面磁性能(單位：mT)Tab.1 Surface magnetic properties of different materials parallel to the magnetic field direction(Unit：mT)

表2 平行于磁場方向時HTPB藥塊的表面磁性能(單位：mT)Tab.2 Surface magnetic properties of HTPB propellant parallel to the magnetic field direction(Unit：mT)

由表1 和表2 數據可知，與線圈中不放置試件時測得的磁感應強度相比，6061 鋁柱、NEPE 圓柱、HTPB 小藥塊和HTPB 大藥塊表面的磁感應強度均沒有明顯變化，而GCr15 鋼柱的表面磁感應強度則顯著增加，且增強程度隨著外界磁場強度的增加而逐步變大。試驗結果表明，6061 鋁和不同類型、不同尺寸推進劑對外加磁場無影響，自身未表現出磁性；GCr15 鋼對外加磁場有所增強，表現出了一定的鐵磁性。

表3和表4給出了GCr15鋼柱、6061鋁柱、NEPE圓柱垂直于磁場方向的表面磁性能試驗結果。

表3 電流7.2A時垂直于磁場方向的不同材料表面磁性能Tab.3 Surface magnetic properties of different materials perpendicular to the magnetic field direction at 7.2A

表4 不同電流時垂直于磁場方向的GCr15鋼柱表面磁性能Tab.4 Surface magnetic properties of steel perpendicular to the magnetic field direction at different currents

由表3可知，和線圈中不放置試件時測得的磁感應強度相比，6061鋁柱、NEPE圓柱表面磁感應強度均沒有明顯變化，而GCr15鋼柱表面磁感應強度則顯著增加。由表4可知，當外界磁場強度增加時，垂直于磁場方向的GCr15鋼柱表面的磁感應強度也逐漸增加。

無論是平行于磁場，還是垂直于磁場，GCr15鋼柱表面磁感應強度變化和外界磁場強度變化的線性相關性均超過0.999。相比平行于磁場方向，試件垂直于磁場方向時表面的磁感應強度量值較小且磁場變化規律與平行方向一致，故下文只開展試件平行于磁場方向時表面的磁感應性能試驗。

HTPB和NEPE推進劑的主要成分包括C、H、N、O、Al和Cl等六種元素，不同功能用途的功能助劑還有少量金屬元素，如Fe、Cu、Co 等。根據推進劑組成可知，在外界磁場下固體推進劑可能會顯現一定的弱磁性。然而目前準靜態磁場試驗中HTPB 和NEPE推進劑表現出極弱或沒有磁性，表明固體推進劑研制生產過程中不用考慮純磁場環境下的安全性。

2.2 殼體材料的磁感應性能

目前固體發動機殼體材料主要分為鋼殼體和復合材料殼體兩種［14］，因此選取典型材料開展外界磁場條件下的固體發動機殼體材料磁感應性能研究。

表5 給出了EPDM 絕熱層、T700 復合材料以及D406A三種材料平行于磁場方向的表面磁性能試驗結果。和HTPB 及NEPE 推進劑類似，EPDM 絕熱層、T700 復合材料在不同強度外界磁場作用下表面的磁感應強度也沒有明顯變化。D406A表面磁感應強度呈現一定的異常，當外界磁場強度較低時，D406A表面的磁感應強度小于外界磁場強度，而當外界磁場強度不低于4.09 mT 時，D406A 表面磁感應強度大于外界磁場強度，而且外界磁場強度越大，D406A表面磁感應強度增加越顯著，呈非線性增大趨勢，此現象是由D406A自身剩磁大小及其方向在外界磁場作用下逐步發生變化所致。

表5 平行于磁場方向的殼體材料表面磁性能(單位：mT)Tab.5 Surface magnetic properties of case materials parallel to the magnetic field direction(Unit：mT)

2.3 矩形試件的磁感應性能

目前測試的小尺寸推進劑在磁場中表現為極弱磁性或沒有磁性，考慮發動機結構因素，開展矩形試件的磁感應性能研究。兩種推進劑矩形試件平行于磁場方向的表面磁性能試驗結果列于表6中。

表6 平行于磁場方向的矩形試件表面磁性能(單位：mT)Tab.6 Surface magnetic properties of rectangular specimen parallel to the magnetic field direction(Unit：mT)

由表6可知，和線圈中不放置試件時測得的磁感應強度相比，HTPB 試件和NEPE 試件表面的磁感應強度沒有明顯變化，進一步驗證了前文HTPB 和NEPE推進劑磁性極弱或沒有磁性的結論。

和線圈中不放置試件時測得的磁感應強度相比，45#鋼制成的HTPB 鋼制矩形試件和20#鋼制成的NEPE 鋼制矩形試件表面磁感應強度均有所增加。隨著外界磁場強度的增加，鋼制矩形試件表面的磁感應強度增加量在逐漸降低。在試驗磁場范圍內，HTPB鋼制矩形試件和NEPE鋼制矩形試件表面磁感應強度分別比線圈中不放置試件時線圈中測得的磁感應強度增加6.1%和5.6%。

對比表1、5 和表6 的數據可知，在外界磁場中GCr15鋼和D406A磁感應強度均表現出非線性增強的趨勢，而45#鋼和20#鋼磁感應強度則表現出較弱的增強趨勢。通過進一步的試驗可知，當外界磁場消失時，經過磁場試驗的45#鋼、20#鋼試件平行于磁場方向的表面磁場強度為0，而GCr15 鋼、D406A 的表面磁感應強度為0.5～0.7 mT。下文通過對比不同類型鋼材的成分，進一步分析差異產生的原因。

依據《復合固體推進劑安全性能試驗方法第7部分：落錘撞擊感度》標準，GCr15鋼常作為各項感度試驗中的擊柱，是一種高碳鉻軸承鋼，按《高碳鉻軸承鋼》標準可知，主要化學成分依次為Cr、C、Ni、Mn 和Si 等，Cr 和C 的含量分別為1.40%～1.65%、0.95%～1.05%。D406A 作為發動機殼體材料，是一種低合金超高強度鋼，主要化學成分依次為Si、Cr、Mn、C 和Ni 等，Si 和Cr 的含量分別為1.4%～1.7%、1.0%～1.3%。兩者成分有相似之處。45#鋼和20#鋼常用于制作矩形試件。45#鋼是一種含碳量為0.42%～0.5%的優質碳素結構鋼，還含有Mn、Si、Ni、Cr 和Mo等，Ni等過渡金屬含量不大于0.30%。20#鋼是一種低碳鋼，含碳量為0.2%，還含有Mn 等元素，Mn的含量為0.8%～1.2%。由此可見，產生這種變化的主要原因是矩形試件鋼制材料成分的差異造成，跟過渡金屬類型和含量相關。

以4 A電流產生的5.47 mT均勻外界磁場為基礎，研究了高斯計離開樣品試件表面不同距離時平行于磁場方向的磁感應強度變化規律。不同試件測得的相對磁感應強度和距離的關系如圖6所示。

圖6 離開推進劑表面不同距離的磁感應強度變化規律Fig.6 Magnetic induction intensity at different distance away from the the propellants' surface

由圖6可知，不論哪種類型或厚度的推進劑，磁感應強度均隨著距離增大而減小，當距離超過5 mm時，磁感應強度比不放置試件時測得的磁感應強度高出約0.1 mT。由前文可知HTPB 和NEPE 推進劑磁性極弱或沒有磁性，故對磁感應強度影響最大的因素是高斯計探頭與鋼材之間的距離，并且45#鋼對磁感應強度的影響略大于20#鋼，進一步驗證了前文的試驗結果。

3 結論

通過典型固體推進劑及矩形試件磁性能試驗研究，得出以下主要結論：

a）準靜態磁場試驗中HTPB 和NEPE 推進劑、6061 鋁、EPDM 絕熱層、T700 復合材料均表現為極弱或沒有磁性，固體推進劑研制生產過程中不用考慮準靜態磁場環境下的安全性。

b）不同鋼在外界磁場環境中磁性能差異較大，主要跟過渡金屬類型和含量相關。當外界磁場消失時，GCr15鋼、D406A試驗后存在剩磁，磁感應強度約0.5～0.7 mT，而20#鋼和45#鋼則不存在剩磁。

c）隨著外界磁場強度增加，矩形試件的磁感應強度隨之增加。當離開推進劑表面一定距離或推進劑厚度增加，矩形試件的磁感應強度迅速衰減，距離超過5 mm時，趨近于外界背景磁場。