[科普中国]-推进剂浇注

基本概念

推进剂浇注，是指将推进剂药浆浇注入火箭发动机燃烧室或模具的工艺过程。

浇注方法常用的浇注方法有真空喷淋浇注、插管浇注、真空喷淋/(加压)插管浇注和底部浇注。

根据发动机大小、药型、允许进行浇注的开口大小、装填速度等选择浇注方法。真空喷淋浇注，适于较大开口各种发动机成型。小开口发动机和异型药柱成型则选择插管或底部浇注。

复合固体推进剂的浇注工序复合固体推进剂的浇注工序是装药制造过程的关键工序。在采用卧式混合机混合时，由于药浆在混合过程未经除气，因此必须在浇注时排除药浆内部的气体，以保证装药的质量。真空花板浇注工艺，将浇注发动机置于真空缸内，药浆通过花板，分成细药条，在下落时经过真空排除内部气体，落入发动机内。此时浇注的推动力是大气压强与真空缸内的绝对压强之差以及药浆自身重力形成的压头之和。药浆在发动机内流平则依靠堆积药浆的静力压头。对于固体含量不高，粘度不大的推进剂药浆，利用真空花板浇注工艺可以满足要求。但对能量要求高的推进剂，如其固体含量增大；高燃速的推进剂，如其细氧化剂含量增大，都会使推进剂药浆的表观粘度增大，工艺性能变差。另外，用真空花板浇注容易在药柱中形成气孔。1

复合固体推进剂振动浇注的作用机理主要是利用复合固体推进剂药浆的假塑性和振流性。目前，国内外研制和生产的复合推进剂药浆，绝大部分属于假塑性体。据有关的测试研究表明，其剪切速率指数在0.86 ~ 0.97之间。假塑性体的流变特性是，当剪切应力或剪切速率增大时，其表观粘度下降。这是由于药浆中的大分子聚合物在应力作用下，结构发生变化，长链分子偏离平衡结构而沿流动方向取向；取向程度增大时，聚合物中的缠结分子链彼此分离，相对运动变易，导致表观粘度下降。在药浆浇注过程中，振动功的输入，增大了药浆的剪切应力或剪切速率，因而使药浆的表观粘度下降，增大了流动性。通常情况下，药浆进入发动机后，流平依靠堆积药浆的静力压头，此值大于药浆的屈服值时就可以流平。在振动浇注的条件下，当堆积药浆的静压头以及振动加速度形成的力之和大于药浆屈服值即可流平，因此大大增加了药浆的流平性。由于流动性和流平性的改善，药浆更易于充满所有空隙，因而可以增加其密度。对于流动性、流平性已较好的推进剂药浆，振动作用就不能增大其密度了。1

振动方式的选择根据有关资料的分析，固体推进剂振动浇注可有下列三种方式：（1）插入浆料一定深度的棒式振动器。此种振动器被广泛用于水泥砂浆的现场浇注。美国发射航天飞机用大型助推器的现场浇注也曾用过此种振动方式。振动棒在浇注过程中需不断提升，以控制其在药浆中的插入深度。由于战术导弹发动机浇药间隙小，采用此种振动方式浇注难以实现，特别是在真空缸内实现振动棒的提升操作，更为困难。（2）附着式振动器。将振动器固定在浇注发动机壳体上，在药浆浇注过程中对壳体施振，如何保证施振均匀，又不对发动机壳体和绝热包筱层质量带来不利影响是很难解决的问题。（3）台式振动器。利用此种振动器，可将浇注件、料斗、真空缸一起刚性固定在振动台上，实现整体或部分振动。可供选择的振动台种类、型号很多。国产振动台有机械的、电动的和液压的三种，其中机械振动台使用频率较低、噪声较大、价格便宜；电动振动台使用频率宽、精度高、价格较高；液压振动台工作平稳、噪声小，使用频率较机械台高，但设备占地面积大，维修麻烦，价格也较高。

选用何种振动方式，要根据浇注发动机的特点和使用环境综合考虑，但无论选择哪种方式都必须考虑技安间题。特别是有可能产生火花的电器装置，绝对不能置于真空缸内运转，国外已有过振动台装于真空缸内引起爆炸的惨痛教训。1

振动参数选择固体推进剂振动浇注的目的是消除装药内部的缺陷，提高装药的密度，因此在选择振动参数时，必须确保在振动过程中药浆中的固体颗粒分布是均匀的，不允许出现上下不一致的“ 分层” 现象。此外还要尽量减少振动的衰减，减少能耗。由于目前国内所使用的推进剂药浆大多数是未经除气的高固体填充的浓悬浮液体系，通过各组分的性能来计算出所需的振动参数，几乎是不可能的，因此只能根据推进剂特性、浇注发动机以及工艺特点，通过实验选取。

振动浇注所涉及的参数主要有：振动频率和振幅，振动加速度，振动持续时间。目前所使用的振动台(器) 一般都为简谐振动，因此已知主要参数( 通常是频率和加速度)，其余参数可根据关系式计算出来。1

应用范围复合固体推进剂振动浇注的研究成果，已成功地应用于某型号小型发动机的装药生产中。根据该发动机的特点和工艺要求，设计了可同时浇注多发的振动浇注装置。应用此项技术前，因药浆粘度大，工艺性能久佳，容易在装药中形成气孔等缺陷，产品合格率低于50%，而应用此项技术后，合格率达到10%，取得良好的经济效益和社会效益。1

振动技术用于小型发动机浇注过程容易实现、应用前景广阔。但鉴于目前国内的工艺现状，用于较大尺寸发动机浇注难以实现，主要障碍是药浆在混合时未经除气。如果采用立式真空混合除气，加压浇注并配上低频冲击振动技术，那么就可以提高装药的质量。这也是推进剂装药的发展方向。2