[科普中国]-高燃速推进剂

简介

高燃速推进剂，通常指在20℃和工作压力为6.86MPa条件下，线燃速在25mm/s以上的固体推进剂。其中燃速25~100mm/s的固体推进剂称为高燃速推进剂；燃速大于100mm/s的固体推进剂称为超高燃速推进剂。采用高百分比含量细粒度（7μm左右）或超细粒度（≤1μm）高氯酸铵，添加二茂铁衍生物或过渡金属氧化物等燃速催化剂，可获得以高氯酸铵为氧化剂的高燃速固体推进剂。

高燃速固体推进剂主要用于反坦克火箭、战术导弹助推器、旋转发动机、点火发动机和航天飞行器发动机等。在高燃速固体推进剂药柱中嵌入导热系数大的金属（一般为银）丝或石墨纤维，可获得更高燃速的固体推进剂。使用多孔的高氯酸铵，添加碳硼烷类高效燃速催化剂，纳米级材料和快燃物或爆炸物等方法，也可获得超高燃速推进剂，但这些方法中的大部分技术不成熟，正处于研究开发阶段。1

发展趋势固体推进剂总的发展趋势是进一步提高能量、扩大燃速可调范围、钝感和少烟或无烟化。高燃速推进剂可使固体火箭发动机在短时间内产生较大的推力，能满足反坦克导弹、防空导弹、机载导弹、拦截导弹和高速动能弹等对推进剂燃烧性能的要求。另外，高燃速或超高燃速推进剂还可实现火箭发动机的端面燃烧装药，增加装填系数，可增大装药量和减轻发动机的消极质量，使减少多级发动机的结构部件、取消级间段的整体发动机结构方案成为可能，以改善推进系统的性能,增加射程。如果一枚三级的固体洲际导弹采用整体级方案，则比传统的结构方案有以下优点：在容积受限制的条件下，当有效载荷一定时，整体级能提高射程28.4%；当射程一定时，有效载荷能增加33%。2

提高燃速方法燃烧催化剂法添加燃烧催化剂是提高固体推进剂燃速最常用、简便的方法，对于RDX(HMX)-CMDB推进剂与DB推进剂而言，目前最常用和最有效的仍是铅 - 铜 - 碳黑三元复合催化体系，该催化体系使推进剂燃速约达42mm/s，而对于型号用微烟或少烟硝胺改性双基推进剂，在10MPa下的燃速一般很难超过30mm/s。

在含AP的复合推进剂中常用过渡金属化合物(如Fe2O3,Cu2O, CuO, CO2O3, Ni2O3,Cr2O3及亚铬酸铜、二茂铁等)和碳硼烷衍生物作燃烧催化剂以提高燃速，其中又以Fe2O3、亚铬酸铜、二茂铁化合物最为常用，关于二茂铁化合物作催化剂的研究工作最为活跃。 20世纪70、80年代为防止二茂铁的迁移而制备了许多二茂铁的衍生物，将二茂铁结构引入到粘合剂和氧化剂分子中，以克服二茂铁的挥发和迁移问题。其后90年代，美国和日本等国先后对二茂铁衍生物从合成方法、作用机理乃至推进剂工艺过程中药浆流动特性以及与碳甲硼烷的组合催化剂进行了研究，发现二茂铁衍生物不仅具有较Fe3O4为佳的燃速催化作用，且使推进剂的压力指数较Fe3O4为低。法国国营火药与炸药公司在含68%AP的复合推进剂中引入了含二茂铁的聚丁二烯树脂预聚物(Butacence)催化剂，将推进剂7MPa下的燃速提高到70mm/s，其压力指数为0.46。

碳硼烷衍生物是复合固体推进剂优良的燃速调节剂。这些衍生物具有闭形笼状结构，性质十分稳定，常温下是液体，这有利于其在推进剂中均匀分布，保证了燃速的稳定性。但是，碳硼烷在常温下是液体，具有一定的迁移性，合成困难，价格昂贵，而且毒性很大，因此其使用受到限制。2

增加热传导法增大推进剂燃烧表面的温度可以提高燃速，气相反应区向固相反应区的热传导对推进剂燃烧表面的温度起着重要的作用。在固体推进剂中嵌入金属丝或金属纤维，由于金属材料是热的良导体，它能加速燃烧产物向推进剂固相的热传递，使推进剂受到预热，同时它本身也是一种燃料，在燃烧时可以放出大量的热，使自己周围的推进剂温度升高，导致燃烧表面的温度升高，从而提高燃速。为了改善推进剂与金属丝出现脱粘现象，可以在金属丝的表面涂覆一层粘结性能较好的化学物质。例如将银丝进行包覆后，使端羧基聚丁二烯推进剂的燃速提高了7~8倍。2

采用纳米微粉或超细固体粒子法纳米材料在固体推进剂中的应用研究重点主要集中在以下两个方面：一是纳米金属粉作为高能添加剂的应用研究；二是纳米金属氧化物作为燃烧催化剂在固体推进剂中的应用研究。20世纪90年代美国Argonide公司用EEW工艺生产出50nm ~ 100nm的纳米活性铝Alex。有关专家研究了含Alex复合推进剂在不同压力下的燃烧特性，干燥的AP/Alex的混合物的差热分析表明，在270℃ ~ 330℃内有剧烈的放热转换；当用Alex完全取代目前推进剂所用的铝粉后，推进剂1MPa~ 9MPa范围内燃速增大2~5倍，而且压强指数降低。2

新型含能材料法一般说来，提高推进剂的爆热有利于推进剂燃速的提高。普通双基类(DB)推进剂中，通常以提高-O-NO2含量(即增大NG含量或NC含氮量)提高推进剂燃速；而对于含惰性粘合剂和惰性增塑剂的复合固体推进剂体系，则多采用含能粘合剂和含能增塑剂取代之，以提高燃速。3