固体推进剂的应用与发展

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：比推力、密度比推力固体推进剂的性能随燃料与氧化剂混合比率的不同而发生变化。但是固体推进剂的密度更大，因此当推力一定时，可以构成为更为小型的系统。表13-9 液体推进剂和固体推进剂火箭发动机的比较（续）①tf表示吨力，1tf≈9964N。固体推进剂火箭根据用途规定了适当的燃烧速度。机械特性固体推进剂药柱具有黏性和弹性组合的黏弹性物质特性。

固体推进剂火箭发动机根据用途、要求性能、功能等，决定推进剂的类型和药柱的大小与形状。

1.要求特性

对固体推进剂所要求的特性有比推力、密度比推力、燃烧特性和机械特性等。

（1）比推力、密度比推力固体推进剂的性能随燃料与氧化剂混合比率的不同而发生变化。特征排气速度c^*、比推力I_s与M成正比，为了提高推进剂的性能，应提高燃烧气体的温度T_f，且燃烧气体的分子量要小。要提高燃烧气体的温度，必须把高能燃料与氧化剂的组合比率做到最佳混合比率，即达到化学计量比。如，高能燃料与氧化剂高氯酸亚硝酰组合的推进剂，燃烧气体温度会达到4500K，这样的高温气体对喷管的耐热性有影响，故燃烧气体温度限制在3500K左右。因此，为了获得更大的特征排气速度c^*或比推力I_s，减小燃烧气体分子量M更具有实质性的意义。

对固体推进剂的要求特性中，要素之一为密度比推力I_s，d（=ρ_pI_s）。密度比推力I_sd定义为推进剂密度ρ_p与比推力I_s之积，固体推进剂火箭首选高密度固体推进剂。

液体推进剂和固体推进剂火箭发动机的特征相互比较见表13-9。通常固体推进剂火箭的比推力比液体推进剂火箭（450s）低300s或以下。但是固体推进剂的密度更大，因此当推力一定时，可以构成为更为小型的系统。

表13-9 液体推进剂和固体推进剂火箭发动机的比较

（续）

①tf表示吨力，1tf≈9964N。

（2）燃烧特性固体推进剂的燃烧在其表面的垂直方向进行，燃烧表面具有与初期表面始终平行的特性，这称为均匀火烧（Piobert）定律。另外，燃烧速度表示为燃烧表面垂直方向燃烧前进的速度。固体推进剂火箭根据用途规定了适当的燃烧速度。如导弹或助推器等需要较大初期加速度的情况下，需要较大的推进剂燃烧速度，如果在火箭的上端配备使用，所需的燃烧速度小。目前使用的推进剂燃烧速度为几毫米/秒到几厘米/秒范围内。

（3）机械特性固体推进剂药柱具有黏性和弹性组合的黏弹性物质特性。向推进剂施加应力时，初期显示为弹性性质，随时间发生一定的变形状态，一旦到达某一时间开始显示为黏性性质，发生变形突然减小的蠕变现象。因此，推进剂药柱在点火和燃烧所发生的应力、热应力和火箭运动所带来的运动应力作用下，会有发生变形或被破坏的可能性，因此必须采取措施防止发生此类情况。

（4）其他推进剂药柱不仅要满足比推力、燃烧速度、机械特性等参数要求，还要满足随时间变化的物理、化学性质要求，以及制造型、稳定性、经济性等要求。

固体推进剂火箭（武器）以长时间保存为前提，因此即使经过长期的保存时间，推进性能也不应发生变化，推进剂随长时间的变化量要小。另外，推进剂为了能成型，应具备适当的流动性，因为在制造过程中会施加一定的机械应力，也会发生一定程度的化学反应，因此必须保证制造工艺的稳定性。最后，在实用性方面应考虑成本低廉。

2.类型

固体推进剂通常区分为均质型和异质型：均质推进剂分为单基推进剂、双基推进剂；异质推进剂分为复合推进剂、改性双基推进剂。这些是按照是否存在比巨大分子更大规模的异质型来区分的。

均质型的硝化纤维素（NC）分子结构中包含可燃剂和氧化剂成分，这种单基推进剂具有自燃特性。双基推进剂（DB）主要由硝化纤维素（固体）和硝化甘油（NG）（液体）系列火药混合而成，固体火箭通常使用这种推进剂。异质推进剂由氧化剂粒子与可燃剂聚合黏合剂（高分子聚合树脂）或金属可燃剂粒子（铝等）构成，这称为复合推进剂，改性双基推进剂也属于此范畴。

复合推进剂从1942年由喷气推进研究所（JPL）最初发明使用以来，使用较多的由氧化剂、燃料、黏合剂、增塑剂等构成。复合推进剂由多种构成物质混合而成，因此其类型多种多样，新类型也正在不断研究开发中。典型的复合推进剂见表13-10。

表13-10 典型的复合推进剂

复合推进剂的类型标识方法通常以黏合剂、氧化剂、燃料的顺序标识，有时也仅用黏合剂标识。如，大力神助推器固体火箭推进剂的标识为PBAN/AP/AL。这表示燃料为铝粉（AL）、氧化剂为高氯酸铵（AP）、黏合剂为PBAN，也可以简单地以PBAN标识。

（1）燃料、氧化剂复合推进剂以聚合树脂作为黏合剂兼可燃剂，并混合固体氧化剂粉进行硬化。氧化剂有高氯酸铵（AP，NH₄CIO₄）等高氯酸盐类和硝酸铵（AN）等硝酸盐类，目前几乎大部分使用高氯酸铵。硝酸铵因燃烧速度低，作为氧化剂使用在液体推进剂火箭的涡轮泵驱动用气体发生器、航空器的起飞辅助用发动机等。

（2）黏合剂黏合剂为塑料或橡胶等高分子物质，其使用目的有两方面：一是，把燃料铝粉与氧化剂高氯酸铵相互结合，成为能成型为药柱的固体形状；二是，黏合剂自身作为燃料使用。

黏合剂有羟基聚丁二烯（HTPB）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）和聚丁二烯丙烯酸（PBAA）等。

（3）添加剂此外，为了改善推进剂的硬度、改善燃烧率、稳定燃烧（抑制急剧燃烧）、改善浇铸特性、改善结构特性（增塑剂）和吸收水分（稳定剂）等特性，多使用添加剂。

高性能复合推进剂为了增加比推力和防止燃烧不稳定性，混合金属粉末燃料。目前，作为金属燃料主要使用铝粉，正在考虑为了获得更大的比推力研发使用铍粉。但是铍粉点火温度较高、燃烧不完全，而且燃烧气体具有毒性，因此不适合于在地面使用。

固体推进剂的应用与发展

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