[科普中国]-复合推进剂

发展沿革

复合推进剂是由无机氧化剂(高氯酸铵、硝酸铵等)、燃烧剂(铝粉等)和高分子粘结剂混合固化制成的火药。通常按高分子粘结剂的种类分为聚硫橡胶复合推进剂、聚氨酯复合推进剂、端羟基聚丁二烯复合推进剂和端羧基聚丁二烯复合推进剂等。复合推进剂能量高于双基推进剂，比冲量高达2200-2600牛·秒/公斤，且燃烧可控性强，压力指数低。由于采用浇注成型，可制成大型药柱，多用于大推力的火箭和导弹。

复合推进剂是四十年代末期出现的新型火药，中国于一九五八年开始探索研究，由第三研究所和八四五厂相配合，在肖淦、李直、何纪曾主持下，首先开展了聚硫橡胶复合推进剂的研究。他们从原理到实践进行反复研究试验，先后攻克了原材料处理、组分混合、固化成型和包复剂等技术关键，从而掌握了组分配方和制造工艺以及安全生产的特点，打下了制造复合推进剂的技术基础。著名科学家钱学森称赞这一成果时说，你们为中国导弹事业的发展争取了三年时间。他们乘胜前进，于六十年代中期，又研制成功了聚氨酯复合推进剂，成功地用于中国发射第一颗人造地球卫星“东方红一号”的第三级运载火箭。

七十年代，八四五厂相继研制成功了丁羧和丁羟两类复合推进剂，形成了复合推进剂的基本系列，适应了发展新型火箭、导弹的需要。八十年代，引进了丁羟复合推进剂的制造技术，并由第五设计院和八四五厂共同设计和建设了复合推进剂生产线和火箭发动机装药新型生产线。这是自动化连续生产，并有遥测控制、安全防护和科学的质量保证体系，其技术水平步人了国际八十年代先进行列。3

特点复合推进剂具有能量特性比较高，实际比冲目前达到2 256-2 453N/( kg/s)，密度在1. 75g/crn3左右，易于解决原料问题；压力指数和温度系数都较低，使发动机在不同使用温度下性能变动小；临界压力低，使燃烧室压力低，壳体轻；在低温下仍有相当好的力学特性等特点。测此，它在各类战术导弹和弹道导弹上获得了广泛的应用。

复合推进剂的生产大多采用真空浇铸丁艺，即推进剂各组分经预混、掺合形成均匀的推进剂药桨后，在真空条件下浇注入事先准备好的发动机燃烧室中。真空浇铸可避免药柱中出现气孔，保证药柱质量。为了使发动机中的药桨定型，需要把发动机放入规定温度的环境中进行固化。固化温度和时间因推进剂配方不同而不同。例如，聚丁二烯推进剂固化温度为50℃±2℃，保温时间为170h。推进剂固化好的发动机经过拨模、整形和x射线、超声波、内窥镜、CT成像等非破坏检验技术检验合格后，即可投入使用。2

种类氧化剂氧化剂是复合推进剂巾含量最多的组分，质量分数一般占60%-80%，对发动机的比冲，推进剂燃速及工艺性能等都有极大的影响。氧化剂的主要作用是为固体火箭推进剂的燃烧提供所需的氧，同时在黏合剂系统巾作为填料来增大推进剂的杨氏模量。氧化剂具有含氧量高、生成焓高、密度大、分解时生成低分子量气体、没有凝固相产物、化学物理安定性好以及与黏合刹相容性好等特性。用作氧化剂的有高氯酸锂( LiClO4)、高氯酸钾(KClO4)、高氯酸铵( NH4CIO4)、硝酸钾(KNO3)和硝酸铵(NH4NO3)等。此外，还有硝胺、黑索金(RDX)和奥克托金(HMX)可作为氧化剂，因为它们的生成焓高、密度大和含氧量高，能够明显地提高推进剂的比冲。

目前广泛采用的氧化剂是高氯酸铵。用高氯酸钾作氧化剂的固体火箭推进剂燃速高、压力指数大。因此，在需要高燃速、压力指数大时常采用高氯酸钾为氧化剂（或与高氯酸铵共同用作氧化剂）的推进剂。采用硝酸铵作氧化剂的固体火箭推进剂能量特性巾等，燃速低、压力指数低、燃气干净、价廉，多用于燃气发生器。2

黏合剂黏合剂是复合推进剂中另一重要组分，一般含量占10%-15%,。它的主要作用是将氧化剂固体颗粒和金属粉末牢牢地黏结在一起，使推进剂具有适当的力学性能，能承受在操作、贮存、点火及飞行过程中所受的载荷，并且和氧化剂一起燃烧时，提供可燃的C、H等元素，作为固体火箭推进剂中的燃料。目前用作复合固体火箭推进剂的黏合剂有聚硫橡胶( PS)、聚氨酯(PU)、各种聚丁二烯(PB)、聚氯乙烯(PVC)等。2

金属燃料加入金属燃料是为了提高固体火箭推进剂的燃烧温度，从而提高推进剂的特征速度和发动机比冲，同时也是为了抑制一定频率范围的不稳定燃烧和提高固体火箭推进剂密度。作为金属燃料的有铝( Al)、铍(Be)、锂(Li)、硼(B)、镁(Mg)等。铝粉因它具有燃烧热值较高、价格低廉、来源丰富、燃烧效率高等特点，故得到广泛应用。铝粉一般占固体火箭推进剂的50-20%。2

固化剂固化剂也是黏合剂系统的组成部分。加固化剂的目的是通过固化反应使它的活性官能团与黏合剂的官能团发生化学链反应使推进剂固化。固化剂的种类随黏合剂种类不同而不同，如端羧基聚丁二烯所用的固化剂是氮丙啶、环氧化合物；聚硫橡胶的固化剂是顺丁烯二酸酐和过氧化铝等。2

其他添加剂为了改善复合推进剂的能量特性、内弹道性能、力学性能、工艺性和贮存性能，加入的附加组分还有，改善内弹道性能的燃速催化剂（如Fe2O3等）、降速剂（如CaCO3等）。改进力学性能的增塑剂和增强剂，改善工艺性能的稀释剂（如苯乙烯）、润湿剂，改进贮存性能的防老剂、降感剂等。2

复合推进剂的抑制在某种程度上，复合推进剂的抑制较DB推进剂的抑制容易。据报道，复合推进剂(含或不含添加剂)的粘结剂即有抑制作用。这种抑制系统与复合推进剂有较强的粘接强度，并已被证明与所抑制的推进剂有更好的相容性和更长的储存寿命。环氧树脂或环氧酚醛树脂，无论是否含有惰性添加剂，由于其综合性能优良，通常首选用于抑制复合推进剂。为了提高成功率，一般采用“浇铸技术”进行抑制，并且抑制厚度通常应较高。在印度，抑制厚度为2.5mm～3.0mm时，首选“螺纹绕组技术”或“抑制剂套筒技术”，而抑制厚度为3.5mm～4.0mm时则采用“浇铸技术”。

考虑到粘接热力学，在粘接应用中，环氧/酚醛环氧树脂发挥着至关重要的作用，特别是抑制复合推进剂时。4