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推进剂

推进剂又称推进药,有规律地燃烧释放出能量,产生气体,推送火箭和导弹的火药。

是一类在燃烧时能迅速产生大量高温气体的化学物质,可用来发射枪炮的弹丸、火箭和导弹等发射体。推进剂与炸药、燃料相似,它们都能通过燃烧提供能量;但燃烧时的条件不同,燃料燃烧时需要有空气和氧气助燃,而推进剂和炸药则不需要。

推进剂具有下列特性:①比冲量高;②密度大;③燃烧产物的气体(或蒸气)分子量小,离解度小,无毒、无烟、无腐蚀性,不含有凝聚态物质;④火焰温度不应过高,以免烧蚀喷管;⑤应有较宽的温度适应范围;⑥点火容易,燃烧稳定,燃速可调范围大。⑦物理化学安定性良好,能长期贮存;⑧机械感度小,生产、加工、运输使用中安全可靠;⑨经济成本低、原料来源丰富;⑩若为固体推进剂,还应该有良好的力学性质,有较大的抗拉强度和延伸率。常用的推进剂主要有固体、液体两种,少量固液混合体也在试用。

除氧化剂外,复合推进剂中的其他组分包括金属铝粉、粘合剂、固化剂、增塑剂、键合剂、防老剂、安定剂、燃速调节剂、固化催化剂、工艺助剂等。与氧化剂相比.其他组分在复合推进剂中的含量相对较小,因此,准备工作相对较为简单,归纳起来包括以下几个方面:

1)检验原材料指标是否符合要求。

2)过筛去除异物与杂质。固体组分如硝胺炸药等需过20目筛以去除异物。液体组分一般用双层纱布过滤.粘合剂可采用钢板筛进行过滤。

3)烘干水分或对原材料进行预烘。草酸铵降速剂可参照细氧化剂进行粉碎和烘干。用量较多的原材料如氧化剂、铝粉、粘合剂等,使用前一般需在混合温度下预烘12 h以上。 [1]

设计火箭弹时一般都选用已经定型生产的推进剂。从火箭弹设计角度出发,对选择的推进剂有以下要求:

(1)能量尽量高,即推进剂的比冲尽量大。

(2)推进剂在燃烧室内正常燃烧的临界压强尽可能低。有利于减轻燃烧室的质量,提高火箭弹的速度与射程。

(3)压强温度系数小。燃烧室壳体是以高温最大压强设计其强度的,过大的压强温度系数会使低温和常温时强度储备过大,从而增加消极质量;压强温度系数小,可使高、低温压强差别小,对保证低温正常燃烧也有好处。

(4)具有良好的力学性能。在储存期内和使用环境条件下,推进剂的抗拉强度、伸长率和弹性模量应满足在储运和使用过程中结构完整性的要求,不产生过大的变形。对于贴壁浇药,一般要求推进剂具有较大的伸长率;而对于端面燃烧的实心自由装填药柱则要求推进剂具有较大的模量。

(5)物理化学安定性好,冲击摩擦感度小,可长期储存和安全运输。

(6)经济性好.原材料有稳定来源。生产工艺性好,适于大批生产。 [2]

20世纪前,黑火药是世界上唯一的火箭用推进剂。1888~1889年发明的双基火药在第二次世界大战前,主要用作火炮发射药。1930年后,英、德两国将此类双基火药挤压成管状,用作战术火箭的推进剂。1944年美国创制双基推进剂铸装成型法,将双基推进剂用于中程导弹。1940年创制第一代沥青、过氯酸钾复合推进剂,为固体推进剂的发展提供新的途径。1947年,研制出第二代聚硫橡胶、过氯酸铵、铝粉复合推进剂。50年代,又相继创用高分子胶粘剂聚氯乙烯、聚氨酯、聚丁二烯-丙烯酸、聚丁二烯-丙烯酸-丙烯腈、端羧基聚丁二烯和1962年创用端羟基聚丁二烯,制成固体推进剂,比40年代的复合推进剂的性能有所提高至今仍被广泛应用。

固体推进剂按其组成可分双基推进剂、复合推进剂、复合双基推进剂。固体推进剂的理论比冲约为 2157 ~2942Ns/kg,密度约为1.6~2.05g/cm;适用的温度范围为-60~150°C;工作压力的下限为0.1~3MPa。

1、双基推进剂

即双基火药(见发射药)是由高分子炸药和爆炸性溶剂,如硝化棉(见硝酸纤维素)和硝化甘油两类爆炸基剂再混入少量附加物溶解塑化而制成的,既用于发射药,也用于推进剂。1930年,英国和德国曾用于制造管状火箭推进剂。1935年,苏联曾用二硝基苯代替一部分硝化甘油制成火箭推进剂。

双基推进剂的理论比冲量为 2157~2300Ns/kg,密度为1.6g/cm,工作压力下限为2~4MPa。

2、复合推进剂

又称复合火药。由充分粉碎的无机氧化剂如过氯酸铵、硝酸铵等,和被用作燃料的高分子胶粘剂均匀包覆并加少量附加物而组成聚集态为异相的固体推进剂,是一种燃料加氧化剂类型的火药。多采用铸装法制成各种内孔形状直径可大到几米,主要用于中、远程导弹。复合推进剂中的附加物有:增塑剂、防老剂、润滑剂、燃速调节剂等。复合推进剂的理论比冲量可达 2942Ns/kg,使用温度范围为-60~150°C工作压力下限为0.1MPa,密度可达2.05g/cm,较双基推进剂价格低,还可利用氧化剂的粒度大小以调节燃速缺点是燃气有腐蚀性烟雾难于挤压成型,所以不适用于枪炮和战术火箭,

composite propellant 颗粒氧化剂(如高氯酸铵等)分散于聚合物黏合剂连续相中构成的一种固体推进剂。有时还用粉末金属(如铝、氢化铝等)燃料提高能量。依黏合剂聚合物种类分成聚氯乙烯、聚氨酯、聚丁二烯等推进剂。它是一种固体颗粒充填的聚合物复合材料。通常是将液体预聚物经交联固化而得,可采用浇注工艺制成壳体粘接式的大型固体发动机。广泛应用于战略导弹、战术导弹、火箭和航天运载上。

3、复合双基推进剂

介于双基和复合中间类型的火药。又称复合双基火药、复合改性双基推进剂或改性双基推进剂。利用双基火药胶包覆固体粒子如固体炸药、固体氧化剂、金属粉等组成推进剂主体,并含有少量附加物如催化剂、安定剂等形成聚集态为异相的固体推进剂。它可用于军事和空间的火箭发动机。

由于双基推进剂的能量较低,且用挤压法难以制造大型药柱,因而人们探索改进途径。1944年美国解决了双基推进剂的铸装方法,50年代又在浇铸双基推进剂基础上加入无机氧化剂,如过氯酸铵和金属燃料(铝粉)等从而制出了复合双基推进剂。中国也于1958年制造了复合双基推进剂。复合双基推进剂的主要组分是硝化棉、硝化甘油、过氯酸铵和铝粉等。

复合双基推进剂的理论比冲量可达2600Ns/kg,密度可达1.8g/cm,其他性质介于双基和复合推进剂间。

复合双基推进剂的制造工艺可分为两步。第一步先把原料制成复合双基浇铸药粒(1mm大小);第二步再把浇铸药粒制成大型柱体推进剂。浇铸药粒的制造又分挤压法和悬浮法两种,与上法相对应的成型柱体的方法为铸粒法和配浆法。由于配浆法优点较多,当前实际中多采用此法。它的成型原理和双基推进剂用的配浆浇铸法是一样的只是在配制浇铸液浆时,把氧化剂过氯酸铵或猛炸药,如黑索今、金属燃料(如铝粉)等,与药粒一起混拌均匀再与配制的溶剂液混合,拌匀配成浇铸液浆,进行浇铸,即成为产品药柱。

1898年俄国人К.Э.齐奥尔科夫斯基最先提出液体推进剂用于航空的理论。1926年,R.H.戈达德发射第一个液体火箭使用液氧和煤油二元推进剂。40年代,德国研制了有名的V-2火箭,使用液氧和酒精二元推进剂50年代苏联发射第一个人造地球卫星,仍使用液氧和煤油。60年代,美国发展了阿波罗土星计划,多次成功地将人送上月球这些大推力火箭有些使用液氧、液氢、四氧化二氮和混肼等,70年代后,苏、美两国继续使用液体推进剂发射各种类型的空间飞行器,装备远射程大弹头的战略导弹,并把单元推进剂用于空间姿态控制和鱼雷等 液体推进剂大体可分为单元和二元两类,

1、单元推进剂

可以是一种液体物质,也可以是一种互相溶解的多成分液体混合物,常用的有硝酸酯化合物等。

2、二元推进剂

包括液体氧化剂和液体可燃物,它们在燃烧前分开贮备。常用的氧化剂有硝酸、双氧水、四氧化二氮、液氧可燃物有偏二甲肼、一甲肼、混肼、煤油、液氢等。燃烧时将两种液体分别注入火箭发动机的燃烧室中。

与固体推进剂相比,液体推进剂的能量高,实际比冲量在低温已达4440Ns/kg。发动机可重复使用,成本低廉性能容易调节,精度高。缺点是设备复杂。因此,世界各国近地轨道卫星、通信卫星、侦察卫星、星际探测器和星际飞船等大推力运载火箭,都以使用液体推进剂为主,在战术火箭和导弹中则几乎不使用。近年来的研究指出,氟氧化合物单元推进剂,氟-氢、氟-氨二元推进剂有发展前途。

3、惰性推进剂

一些火箭设计的推进剂来自非化学能源或甚至是来自外部的能源。例如水火箭使用压缩气体,一般是空气,迫使水从火箭喷出。

太阳能火箭和核能火箭通常建议使用液氢以达到600-900秒Isp(比冲),或在某些情况下,用水蒸汽达到190秒Isp,

此外对于低性能要求的情况,如姿态喷射器,也有用惰性气体氮气的,

4、气体推进剂

气体推进剂通常涉及某种形式的压缩气体然而由于密度低且压力容器重量高,目前很少使用气体推进剂,但有时也用于attitude jet,特别是惰性推进剂,

GOX被用来作为Buran program的轨道操纵系统的推进剂之一

5、混合比例

给出的化学推进剂理论排空速率是每单位质量推进剂(具体能量)能量释放的函数。未燃尽的燃料或氧化剂会影响具体能源。令人惊讶的是,大多数火箭载富燃料运行,

虽然液氢有很高的Isp,其密度低是一个重要的缺点:每公斤氢占地的体积是密集燃料(如煤油)7倍多。 这不仅对贮槽设施不利,而且油箱的管道和燃油泵,需要原来体积和重量的7倍。(引擎的oxidiser一侧和渣当然不受影响)这使得航天器的干质量要高得多,所以使用液氢比起预想的不是这么有效。事实上,一些致密碳氢化合物/液氧推进剂组合具有较高的性能同时,干重的不利也包括在内。

由于较低的Isp, 密集推进剂运载火箭,具有更高的起飞质量,但这并不意味着一个成比例的高成本,相反,航天器很可能最终更便宜。液氢生产和储存是相当昂贵的,并在航天器的设计和制造带来许多实际困难。

由于较高的整体重量,密集燃料运载火箭必然要求更高的起飞推力,但它携带推力的能力要一直持续到达轨道这一点再加上更好的推力/重量比,这意味着密集燃料的航天器达到轨道早些时候,从而尽量减少重力阻力造成的损失因此,这些航天器的有效delta-v要求减少了。

但是,液氢给予明确的优势,整体重量需要最小;例如土星V飞行器在它的末级使用液氢;降低了重量,这意味着使用密集燃料的第一级可成比例的缩小,节省不少钱。 [3]


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