[科普中国]-混胺燃料

简介

混胺燃料，是由不同分数的脂肪胺或芳香胺组成的液体火箭燃料的统称，为火箭发动机提供能源和工质（工作介质）的化学剂，它包含可燃物质和氧化剂。推进剂的选择和使用与3个因素有关：能量特性、使用性能和经济性。常用理论比冲表征推进剂的能量特性，要求单位重量推进剂具有高的能焓，反应（燃烧）产物为低分子量的气体。推进剂应具备良好的使用性能，如无毒或低毒、高的物理和化学稳定性、能和常用的结构材料相容等。经济性指原料来源广、价格低。

例如各为50%(质量)的三乙胺和二甲代苯胺组成的混胺燃料，国外称冬卡-250。与发烟硝酸等氧化剂组成可贮存双组元液体推进剂，用于各种战术导弹中。

分类推进剂按物态分为液体推进剂、固体推进剂和固、液组合使用的混合推进剂。

液体推进剂概述

液体推进剂能快速发生化学反应，提供大量热能。它的化学反应主要包括氧化燃烧反应、分解放热反应和复合反应。利用燃烧反应的液体推进剂含有氧化剂和燃料（燃烧剂）。 液体推进剂的特点是比冲高、使用可靠，得到了广泛应用。但是液体推进剂的密度较低，贮存、运输、加注等操作较复杂，在贮存和使用过程中存在液体或蒸气泄漏的可能，需要采取一定的防护措施。

以氟、氧元素为主组成的液体氧化剂具有强的氧化能力。含氟的液体氧化剂液氟(F2)、二氟化氧(OF2)、五氟化氯(ClF5)等与一般液体燃料组合的推进剂具有较高的比冲，但燃烧温度高、毒性大，与一些金属和非金属材料不相容，不能广泛使用。常用含氧的液体氧化剂有液氧(O2)、四氧化二氮(N2O4)、硝酸(HNO3)等。

氢以及它与锂、铍、硼、铝、碳、氮元素组成的液态化合物可作为燃料，经常大量使用的是碳、氮元素与氢组成的液体燃料，如烃类、肼类和胺类化合物。

氧化剂流量与燃料流量之比称为混合比。氧化剂和燃料的不同组合以及混合比的数值对比冲影响很大。燃烧室压力也影响比冲。选择液体推进剂时除要求高的能量特性外，还要求冰点低、沸点高、密度大、点火和燃烧性能良好。

分类

液体推进剂一般分为双元和单元两类。

（1）双元液体推进剂：由分开存放的一种液体氧化剂和一种液体燃料组成，如液氧和液氢。双元液体推进剂又分自燃和非自燃两种。自燃液体推进剂是指液体氧化剂和液体燃料接触时能立即自动燃烧而不需要点火装置的推进剂。

（2）单元液体推进剂：只有一种液体组元的推进剂。这类液体推进剂既可以是同一分子中同时含有氧化剂成分和燃料成分的液态化合物（如异丙基硝酸酯），也可以是氧化剂与燃料的混合溶液（如硝酸肼的肼溶液），或是一种能分解放热的液态物质（如肼）。单元液体推进剂在正常情况下是稳定的，遇热或与催化剂接触时急剧分解放热，产生大量高温气体。大多数有实用价值的单元液体推进剂的比冲不高，通常只用作辅助推进系统的推进剂。

液体推进剂按贮存性能又分为可贮存推进剂和低温推进剂。

（1）可贮存液体推进剂：在常温常压下能长期贮存的液体推进剂，可预先加注在贮箱内，广泛用于导弹和运载火箭。

（2）低温推进剂：即液化的气体，如液氧、液氢、深冷液体丙烷等。它不能长期贮存，一般在火箭发射前临时加注。低温推进剂能焓较高，常用在运载火箭上。

固体推进剂由氧化剂、燃料和其他添加剂组成的固态混合物，通常制成一定几何形状的药柱置于固体火箭发动机燃烧室中。氧化剂和燃料是基本组分，添加剂含量很少。最常用的氧化剂是过氯酸铵，过氯酸钾、硝酸铵、硝酸钾和硝化甘油等也都可用作氧化剂。常用的燃料是烃及其衍生物（如聚硫橡胶、聚丁二烯等高分子聚合物）和纤维素及其衍生物（如硝化纤维）等。为了提高能量，也常加入金属粉末（如铝粉）作为金属燃料。添加剂含量虽少，但种类繁多，功用各异，如调节燃速的催化剂和降速剂，改善燃烧性能的燃烧稳定剂，改善贮存性能和力学性能的防老剂和增塑剂，以及改善工艺性能的稀释剂、润湿剂、固化剂和固化阻止剂等。

固体推进剂可根据要求制成各种几何形状和尺寸的药柱，直接置于燃烧室中，能长期贮存。它使用方便，工作可靠，但燃速可调范围小，且受环境温度的影响，能量一般比液体推进剂低。但它的密度和体积比冲都大，可减轻发动机的结构重量，因而能部分地补偿比冲低的缺点。

固体推进剂按质地的均匀性分为均质推进剂（如双基推进剂）和异质推进剂（如复合和复合改性双基推进剂）。

（1）双基推进剂：由硝化纤维素、硝化甘油和添加剂组成。硝化纤维素溶解于硝化甘油成为凝胶体，又称胶体火药。它的燃速范围窄,高低温力学性能差，能量低,理论比冲为215～225秒。双基推进剂通常采用压伸法制造，主要用于中小型固体火箭发动机。

（2）复合改性双基推进剂：是在双基推进剂的基础上加入一定量的过氯酸铵和铝粉组成的混合物。为了提高推进剂能量，往往用奥克托金(HMX)或黑索金(RDX)来取代或部分取代过氯酸铵。为了改善推进剂力学性能，可采用交联剂使硝化纤维素交联，因而这种推进剂又称交联双基推进剂。复合改性双基推进剂具有较高的能量，理论比冲为255～265秒，安全性能与双基推进剂相同，通常采用浇铸法制造，多用于固体运载火箭的上面级发动机。

复合推进剂它通常是过氯酸铵、铝粉、粘合剂和添加剂的机械混合物。过氯酸铵除作为氧化剂外，还在粘合剂中充作填料以增加推进剂的模量。粘合剂一方面将过氯酸铵与铝粉粘合成为弹性体，使它具有一定的几何形状和力学性能；另一方面提供可燃元素，如碳、氢等。复合推进剂种类很多，按所用粘合剂可分为聚硫橡胶类、聚氨酯类、聚丁二烯类和聚氯乙烯类推进剂。复合推进剂性能良好，使用温度范围较宽，能量较高，理论比冲为225～260秒。除具有热塑性的聚乙烯类推进剂可压伸成型外，一般都用浇铸法制造，工艺简单，适宜于制造大尺寸的药柱。复合推进剂广泛用于各种类型的固体火箭发动机，尤其是大型发动机。

发展历史最早使用的推进剂是中国发明的黑火药，在很长一段时期内，黑火药是惟一可用的固体推进剂。1903年俄国К.Э.齐奥尔科夫斯基提出用液氧液氢或石油制品作推进剂，尔后德国H.奥伯特和美国R.H.戈达德也都用液体推进剂（如液氧、汽油）进行火箭试验。1932年研制出固体双基推进剂。30年代初至第二次世界大战前，人们把主要精力用在研制液体火箭上。1931年K.里迪尔用液氧、酒精，1934年H.沃尔特用过氧化氢开展研制工作，成为后来德国V-2火箭的推进剂。浓硝酸与苯胺的自燃性被发现以后，发展了混胺和糠醇两种系列的燃料，为自燃液体推进剂打开了新路。在这一时期双基推进剂也得到发展，主要用在火炮上。

第二次世界大战后，各国相继开展推进剂的研制试验工作。在液体推进剂方面，液氧、煤油得到很大发展。在可贮存液体推进剂方面，研制出肼的衍生物偏二甲肼和一甲基肼，采用了四氧化二氮，改进了红烟硝酸的腐蚀性能。60年代初，液氧液氢发动机研制成功并得到实际应用。60年代中铱催化剂的发现（它使肼自动分解），在单元液体推进剂使用中迈出一大步。在固体推进剂方面，1944年研制成由过氯酸钾和沥青组成的复合推进剂，为高能固体推进剂的发展提供了条件。复合推进剂经历了沥青、聚酯、聚硫、聚氯乙烯、聚氨酯和聚丁二烯等阶段，后两类推进剂得到了广泛使用。50年代末，由于铝粉的加入，使复合推进剂性能大大提高，不仅比冲增加，而且抑制了燃烧不稳定性。60年代在双基推进剂的基础上又发展出复合改性双基推进剂，使能量得到进一步提高。70年代出现的端羟基聚丁二烯是能量和力学性能均优的复合推进剂。

液体火箭燃料混胺-02再生技术混胺-2，是由三乙胺和异构甲苯胺各按50%混合而成的现役空军和海军战术导弹液体火箭发动机的主推进剂。合格的混按必须同时满足八项军用指标，其中包括水分含量不得超过0.5%。但在贮存、转注和训练过程中，常因环境中水分的浸人导致水分含量超标而报废，每吨混胺出厂价3.5万元，年报废量不少于50t，报废后部队无法处理。不仅蒙受巨大的经济损失，也因其是易燃易爆的有毒液体而危及社会安全、污染生存环境。可见，超水分废混胺再生方法的研制成功，不仅具有巨大的经济、军事效益，而且具有重大的社会和环境效益。1

卡尔费休容量滴定法测定混胺燃料中水含量卡尔费休法测定水含量具有灵敏度高、准确高效、重复性好等特点，已广泛用于测定液体、固体或气体中的含水量。该法分容量法和库仑法两种，其中容量法测定水分基于试剂中的碘能与试样中的水发生定量反应的原理。液体推进剂混胺燃料中的三乙胺和二甲苯胺各占约50%，在存放过程中极易吸收空气中的水，而水含量增加会影响液体推进剂的质量，严重时会影响导弹的正常发射。利用卡尔费休法快速有效地测定混胺燃料中的水含量，及时动态掌握混胺燃料的性能，对它的贮存和使用非常重要。但卡尔费休法对被测样品有条件限制，其中测定碱性物质会使得滴定无终点或终点延迟而产生误差，测定强酸性溶液会使反应滴定速度变慢，有文献指出反应溶液的pH值应在5～7范围内。2