[科普中国]-富燃料推进剂

基本概念

富燃料推进剂，又称贫氧推进剂，其组成和制造方法与复合固体推进剂基本相同，只是氧化剂含量减少，主要用于固体火箭冲压发动机和固液火箭发动机的主推进剂。此外，还可作液体火箭发动机的燃气发生器、涡轮起动器以及贮箱增压、蓄压器的能源介质。

Mg、Al金属富燃料推进剂前苏联于上个世纪60年代研制了装配第三代整体式固体火箭冲压发动机的SA-6导弹，发动机采用富燃料烟火药推进剂，主要的成分Mg为64%，为24%，热值约为18.8MJ/kg，比冲小于4.9kN· s/kg。日本也开展了富燃料推进剂研制，已研究了0% ～ 70%铝粉含量推进剂的燃烧性能，认为维持推进剂自燃的铝的最大含量为50%，在发动机模拟实验中，通过6倍空气补燃，含铝推进剂在扣除残渣后计算得到5.88kN· s/kg ～7.84kN· s/kg的理论比冲。

Mg、Al富燃料推进剂配方中Mg、Al金属为40%，丁羟胶粘合剂体系为17% ～ 20%，氧化剂AP为32% ～ 38%，推进剂密度为1.55g/ ～ 1.65g/ 。推进剂热值22MJ/kg～ 24MJ/kg，固体火箭冲压发动机比冲约为5 500N· s/kg ～ 7 000 N· s/kg，虽然低于使用煤油的液体冲压发动机(11kN· s/kg～ 13kN· s/kg)和高能含硼富燃料推进剂(9kN·s/kg～ 10kN· s/kg)，但Mg、Al富燃料推进剂与空气燃烧所需的理论空气量较低(L=3 ～ 4)，低于含硼富燃料推进剂(L=6 ～7)，能达到最高的推力系数和机动性。

铝粉热值界于硼粉和镁粉之间，而密度最大，适用于中能富燃料推进剂，但一次燃烧温度较低(2000K左右)，铝粉几乎不参与燃烧反应，一般只经过因氧化剂的燃烧而熔化，然后再凝结的物理过程。即使铝粉含量较低，也可能发生“烧结现象”，铝粉的凝聚物将沉积于喷管和喷喉，严重时将造成燃气发生器的堵塞。这主要因为补燃室的温度远低于火箭发动机的燃烧温度，因而铝粉的燃烧效率也低于火箭发动机。

为了提高铝粉的燃烧效率，主要的解决途径是添加镁粉，因为镁粉的沸点低，一次燃烧产物主要以气相存在，不仅降低凝聚相的含量，而且Mg燃烧时需要的理论空气量是常用金属中最少的，以至于在发动机工作的极端情况下，仍能保持较好的燃烧效率，在补燃室能充分燃烧，燃烧时能为补燃室提供较高的燃温，促进铝化合物的充分燃烧。

目前，Mg、Al富燃料推进剂已通过氧化剂AP粒度级配和二茂铁催化剂解决了燃速调节技术，可实现3MPa下2mm/s～20mm/s可调，较高含量的HTPB体系也使推进剂具有较好的工艺性能和力学性能；技术难点是提高压力指数和降低残渣技术。1

含硼富燃料推进剂硼的燃烧热大(58.7MJ/kg)，单位质量热值高于一切已实际应用的金属组分；密度高(2.2g/ )，容积热值最高，几乎是碳氢燃料的三倍；硼燃烧产物在喷管流动过程中呈气态，减小了两相流损失，流动过程优于铝镁，因此，硼是高能富燃料推进剂较合适的燃料。从上个世纪70 年代开始，美国和德国率先开展了高能含硼富燃料推进剂的研究，其中，美国Thiokd聚硫橡胶公司和Hercules公司首次提出了用硼做高能燃料，并对此进行了大量研究，生产了可用的含硼药柱。法国宇航公司(ONERA)和德国的MBB公司为第二代反舰导弹研制了固体火箭冲压发动机。MBB公司研制了高能富燃料推进剂和调节燃气发生器流量的措施，其中含硼量高达50%，聚丁二烯粘结剂和高氯酸铵氧化剂等的含量为50%。硼含量的不同使推进剂热值在35.5MJ/kg～ 39.7MJ/kg范围内变化，比重约为1.7g/ 。含硼富燃料推进剂燃烧性能的改善主要是提高含硼富燃料推进剂的一次喷射效率和二次燃烧效率。2

在富硼推进剂的研究中，制约含硼推进剂应用的首要问题是硼在HTPB体系中存在工艺恶化问题。B粉表面的杂质 、 与HTPB中羟基反应生成硼酸酯，引起凝胶化反应，生成高粘度的悬浮体系，随着搅拌会形成弹性丝状凝胶而导致工艺恶化，导致药浆粘度增大，难以浇注。含硼推进剂工艺性能较差，除了因为B与HTPB不相容，改善B燃烧而添加的Mg粉对工艺也有不良影响，使推进剂药浆出现弹性“凝聚团”现象。试验研究表明，对Mg粉消除处理，MgO能改善工艺性能，这可能是由于镁粉贮存过程中表面氧化，MgO与HTPB不相容。

其次，硼的点火和燃烧性能较差。热力学计算表明，含硼推进剂具有很高的能量，这种高能量只有当硼粉在极其短暂的燃烧室停留时间内(通常低于5ms)充分燃烧才能实现，但硼在低压下存在点火、燃烧时间长和燃烧不稳定等问题。因为硼的熔点和沸点高，难以熔化和气化，硼的燃烧是表面氧化过程，因而燃烧效率较低。温度较低时，硼氧化十分缓慢，当温度上升到1850K时，硼的氧化速率剧增到每毫秒零点几个微米。大多数研究者认为，硼的燃点为1850K，因而，当温度达到1850K以上，硼才能点燃，而且点火延迟期较长，即使平均粒径为2μm的硼粒子，其着火与燃烧长达11ms，如果颗粒粗大，则在有限的燃烧室长度下难以完全燃烧。

为了改善含硼推进剂的燃烧性能和工艺性能，已经探索了多种硼粒子的表面处理技术，主要处理方法有提纯、包覆和团聚。其中，表面包覆是硼粉表面处理的核心，因为合适的包覆剂能改善推进剂的工艺、点火和燃烧。1

碳氢富燃料推进剂碳氢富燃料推进剂通过碳氢化合物、高分子化合物和粘合剂体系本身提高能量，如聚苯乙烯、碳黑等。与Mg、Al推进剂相比，碳氢富燃料推进剂的燃烧分解温度低，分解产生的CH碎片极易燃烧，补燃效率高，而且燃烧气体清洁，发动机羽流烟雾小，属于低特征信号推进剂。理论计算表明，含碳黑30%推进剂的热值比含镁65%的推进剂高15%，而在实际燃烧中，其燃烧完全，将可能表现出更优秀的性能。

碳氢富燃料推进剂的热值都较高(约为41.8MJ/kg)，但一般高分子化合物的密度远小于金属燃料，因而推进剂的密度较小，体积热值不会超过硼燃料，而且燃气发生器一次燃烧温度低，燃气在补燃室中不能自动点火，需要提供外部点火源。添加镁铝金属粉的多组元推进剂容积热值较高，发生器的一次燃温较高，在二次燃烧室可以自动点火。

目前有一种多环十一烷(PCU)烯烃二聚物是高密度燃料(ρ =1.2 g/ ～1.3g/ )，生成热较高(+231.5kJ/mol)。仅有的数据表明，其在一定环境条件下稳定，适于室温下长期贮存。尤为重要的是，在相同热力学条件和结构下，二聚物的点火时间比HTPB燃料快一个数量级，燃烧释放的热量至少高2倍，其完全适合于固体燃料冲压发动机，能够保证低压和高速横向气流中的点火和火焰稳定性。1

发展与应用固体火箭冲压发动机主要由放置富燃料推进剂药柱的燃气发生器(一次燃烧室)和补燃室(二次燃烧室)组成，其中，热值高、燃烧稳定性良好和喷射效率高的富燃料推进剂是决定冲压发动机推力水平的关键因素。

固体火箭冲压发动机对富燃料推进剂的要求（1）较高的体积热值为了增加导弹的射程，降低发动机的消极质量，富燃料推进剂除了力学性能、安全性能和储存性能基本要求，其首要技术指标是较高的体积热值。增大体积热值的途径有：添加高能燃烧剂和增大推进剂的密度。对于现有推进剂组分，其密度一定，增加推进剂密度的方法十分有限，因此，主要通过添加高能燃烧剂提高富燃料推进剂的体积热值；（2）推进剂燃烧效率高由于富燃料推进剂氧化剂含量低，推进剂组分以粘合剂碎片、金属燃料液滴及部分终产物的形式进入冲压燃烧室，而燃烧室内空气流动快，燃料停留时间短，因而燃烧效率较低，影响发动机比冲效率的提高。通过燃烧室优化设计，组织空气与燃料进行充分燃烧是一条首选途径，同时，从推进剂配方调整角度，可以添加高效燃烧催化剂，提高燃气发生器的喷射效率，降低燃料的燃烧活化能，提高推进剂的燃烧效率；（3）较低燃烧压力下具有较高的燃速和压力指数在高空低压状态下，非壅塞式固冲发动机燃烧室压力较低，推进剂具有较高的燃速才能保持稳定和正常燃烧，不致于熄火。理论计算表明，燃烧室压力要达到自动调节状态，要求富燃料推进剂的燃速在0.5MPa下为10mm/s以上，压力指数为0.5～ 0.7；（4）燃烧产物具有良好的成气性，且固态产物的颗粒较小推进剂在燃气发生器中燃烧后气态产物越多，有利于燃料碎片和空气充分掺混、燃烧，提高冲压燃烧室的燃烧效率；固态产物的颗粒越小，与空气的接触、燃烧越充分，能确保固态燃料颗粒在冲压燃烧室燃烧释放能量，而不是在燃烧室外，因此不会导致发动机比冲的降低。1

发展趋势随着固体火箭冲压技术的发展和导弹系统综合性能的提高，发动机对富燃料推进剂将会提出更高的要求，如较高的能量水平和安全性能，推进剂的燃烧可控，燃气流量随导弹飞行状态可变。而目前的固体富燃料推进剂均难以满足后者的要求，因此，为了适应武器型号需求，未来的富燃料推进剂应在以下几个方面有突破性进展：（1）提高实测能量和燃烧效率。高能含硼富燃料推进剂(9kN· s/kg～ 10kN· s/kg)的理论比冲高，但B燃烧效率较低,实测比冲较小，此外，HTPB/AP/B体系存在硼的点火和浇药工艺困难等问题，因此须开展新型含硼推进剂体系的研究；（2）能量可控。21世纪固体推进剂的发展面临着三个目标：低特征信号、低感度、灵活的能量控制。目前固体推进剂的一个缺点是点火后推力不可调，对于固体火箭冲压发动机，通过阀门调控推力的途径不完全有效，而采用膏状推进剂可能是研制能量可控冲压发动机的有效途径之一；（3）降低特征信号随着武器系统隐身性能的不断提高，采用冲压发动机的吸气式导弹也有低特征信号的应用要求。美国陆军MICOM已将低特征信号作为衡量火箭冲压发动机驱动战术导弹综合性能的一个关键指标，已先后研究过有烟富燃料推进剂和低特征信号富燃料推进剂。以含能粘合剂为主要组分是低特征信号富燃料推进剂的发展方向之一。1