CN105198681A

CN105198681A - 一种室温固化型洁净固体推进剂

Info

Publication number: CN105198681A
Application number: CN201410254551.0A
Authority: CN
Inventors: 陈中娥; 吴翼; 葛志强; 李忠友
Original assignee: Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology
Current assignee: Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: CN105198681B

Abstract

本发明提供一种室温固化型洁净固体推进剂，包含如下质量配比的组分：无氯氧化剂：55%~70%；金属燃料：5%~20%；增塑剂：5%~15%；端氨基聚醚粘合剂：5%~10%；异氰酸酯固化剂：0.5%~1.0%；功能助剂：0.01%~3%。本发明克服了现有技术中复合固体推进剂中因使用了氧化剂高氯酸铵，导致燃烧产物中含大量HCl气体，造成大气污染严重的不足，在复合固体推进剂体系引入高反应活性的端胺基聚醚高聚物粘合剂，利用端胺基基团与异氰酸酯固化剂的交联、固化反应，实现端胺基聚醚推进剂室温固化，通过添加无氯氧化剂，燃气产物中无HCl气体。

Description

一种室温固化型洁净固体推进剂

技术领域

本发明涉及一种室温固化型洁净固体推进剂，属于复合固体推进剂领域。

背景技术

以固体推进剂为动力源的固体火箭发动机由于结构简单、可靠性高、机动性好、生存能力强、低成本等许多优点，已在战略、战术导弹和运载火箭领域中得到了广泛应用。固体推进剂由于采用了以化学物质为工质燃料，其组分和燃烧产物大部分为有毒有害化学成分，对人体和环境造成一定危害性。长期以来，高氯酸铵（AP）一直是复合固体推进剂中的主要氧化剂，其在推进剂中的质量分数常达70%左右。由于含AP的复合固体推进剂的燃烧产物中含大量HCl气体，HCl在水存在条件下易形成酸雾，污染环境，破坏大气层中的臭氧，产生温室效应，不能满足环保要求。美国NASA对肯尼迪航天中心航天飞机发射时的监测数据表明，大型固体助推器工作后，放出的HCl气体约236吨，A1₂O₃颗粒约329吨。我国监测结果表明，某大型固体发动机（装药量为18吨）试验后，放出HCl约3.9吨，A1₂O₃颗粒约6.3吨。据统计，1991年美国火箭发射共产生HCl气体1800吨，在距发射台距离小于800m的范围内酸性废气影响明显，在约0.2km²范围内有部分鱼类和植物死亡。

由于面临着生态环保要求越来越大的压力，同时也面临着因三废处理带来的成本等一系列问题，洁净型固体推进剂日益受到关注。环境友好型固体推进剂是北约21世纪航天运载及战略导弹助推用的主要固体推进剂，世界各工业国都致力于研究环保型固体推进剂。欧洲主要工业国合作进行了一项名为EUCLID的洁净推进剂研究计划，主要研究含新型氧化剂的洁净推进剂；美国空军近年实施的战略环境研究发展计划（SERDP）中就包括发展环境友好的绿色固体推进剂项目；日本在研制含HCl清除剂的新型HTPB复合推进剂研究方面也开展了大量的工作，以将燃烧产物对环境的影响减至最低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种室温固化型洁净固体推进剂配方。通过将高反应活性的端氨基聚醚高聚物引入复合固体推进剂体系，取代常用的端羟基粘合剂如HTPB、PEG和PET以及GAP粘合剂等，利用端胺基基团与异氰酸酯的交联固化反应实现了推进剂的室温固化；通过添加无氯氧化剂，获得了燃气产物中无HCl气体的洁净固体推进剂配方。通过加入与聚醚粘合剂相容的含能增塑剂，配方保持了较高的性能水平。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种室温固化型洁净固体推进剂，包含如下质量配比的组分：

无氯氧化剂：55%~70%；

金属燃料：5%~20%；

增塑剂：5%~15%；

端氨基聚醚粘合剂：5%~10%；

异氰酸酯固化剂：0.5%~1.0%；

功能助剂：0.01%~3%。

所述无氯氧化剂为硝酸铵AN、硝酸钾KNO3、硝酸钠SN、二硝酰胺铵ADN、奥克托今HMX、黑索今RDX、1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯FOX-7、二硝酰胺钾盐KDN以及N-脒基脲二硝酰胺盐GUDN、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮NTO、六硝基六氮杂异伍兹烷CL-20、三硝基氮杂环丁烷TNAZ、硝仿肼HNF、硝仿羟胺HANF中的一种或两种及两种以上的混合物。

所述金属燃料为铝粉Al、硼粉B和镁粉Mg中的一种或两种及两种以上的混合物，其在配方中的质量百分含量为5%~15%。

所述增塑剂为二缩三乙二醇二硝酸酯TEGDN、三羟甲基乙烷三硝酸酯TMETN、1,2,4-丁三醇三硝酸酯BTTN、硝化甘油NG、双（氟-二硝基乙基）缩二氟甲醛FEFO、双(2,22-二硝基丙基)缩甲醛BDPF、双(2,2-二硝基丙基)缩乙醛BDPA、端叠氮基GAP(GAPA)和聚叠氮缩水甘油醚二乙酸酯GAPDA以及N-乙基-2-硝氧基乙基硝胺Et-NENA中的一种或组合。

所述端氨基聚醚粘合剂为端氨基聚醚高聚物ATPE。

所述异氰酸酯固化剂为异佛尔酮二异氰酸酯IPDI、多官能度多异氰酸酯N-100、二环己基甲烷二异氰酸酯HMDI、多亚甲基多苯基多异氰酸酯PAPI中的一种或组合。

所述功能助剂为安定剂、工艺助剂和键合剂中的组合。所述安定剂为MNA（N-甲基-对硝基苯胺）、2-NDPA（2-硝基二苯胺）中的一种或组合，其在配方中的含量为0.01%~1%；所述键合剂为烷醇胺类化合物或多胺类化合物的一种或组合，所述烷醇胺类化合物为三乙醇胺和二乙醇胺，所述多胺类化合物的通式为X2N(CH2CH2NX)n.CH2CH2NX，n为1~12的整数，X为氢、氰乙基、羧丙基或它们的混合物，X中至少有一个氢原子。所述键合剂在配方中的含量为0.01%~1%；所述工艺助剂为十二烷基磺酸钠、卵磷脂中的一种或组合，其在配方中的含量为0.01%~1%。

本发明的制备方法为：配方中各组分按规定配比和条件均匀混合后，成为具有良好流动性、流平性的药浆，将药浆真空浇注到装药燃烧室或模具内，在室温下固化一定时间，即可。

本发明与现有技术相比，具有如下优势：

（1）本发明采用了高反应活性的端胺基聚醚粘合剂，通过端胺基基团与异氰酸酯固化剂的交联固化反应实现了推进剂在室温下固化，与常用的反应活性较低的端羟基粘合剂如HTPB、PEG和PET以及GAP等在50℃~70℃下固化反应相比，本发明所采用的固化工艺能够有效降低复合固体推进剂的研制、生产成本。

（2）本发明采用了无氯氧化剂，解决了含高氯酸铵固体推进剂燃气产物中高HCl含量问题，有效避免了因推进剂燃气排放带来的酸雨污染问题，实现了固体推进剂燃气产物无HCl气体。

（3）本发明采用了与端胺基聚醚粘合剂相容的含能增塑剂，所获得的固体推进剂配方能够获得较高的能量水平。

（4）本发明由于引入了含能增塑剂，配方在较低固体含量时即可保持与常用HTPB推进剂相同的能量水平，同时，低固体含量配方具有较优的工艺性能。

符号说明：

DOS:癸二酸二异辛酯；T313：三氟化硼与三乙醇胺络合物；HCl：氯化氢。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下列实施例。

实施例1

如下表1给出了本发明1#ATPE/AN/IPDI洁净推进剂配方组成及性能。

表1ATPE/AN/IPDI推进剂配方及性能

从表1可看出，当固体含量为75%时，ATPE/AN/IPDI推进剂30℃时4d固化反应完全，推进剂的密度为1.655g/cm³，密度比冲为4061.2N.s/kg。

对比例1

如下表2给出了对比实施例2#HTPB/AN/IPDI推进剂配方组成及性能。

表22#HTPB/AN/IPDI推进剂配方及性能

从表2可知，当固化反应温度为60℃时，HTPB/AN/IPDI推进剂需要8d才能固化反应完全，并且药柱内出现大量气孔，该推进剂的密度和密度比冲明显低于ATPE/AN/IPDI推进剂。

实施例2

如下表3为本发明3#ATPE/ADN/N-100洁净推进剂配方组成及性能。

表33#ATPE/ADN/N-100推进剂配方组成及性能

从表3可看出，当固化温度为50℃时，固体含量为75%的3#ATPE/ADN/N-100洁净推进剂的固化时间为3.5d，该推进剂的密度、密度比冲分别1.792g/cm³和4435.6N.s/kg。

实施例3

如下表4为4#实施例ATPE/AN/HMX/HMDI洁净推进剂配方组成及性能。

表44#ATPE/AN/HMX/HMDI推进剂配方组成及性能

从表4可看出，4#ATPE/AN/HMX/HMDI洁净推进剂的密度为1.788g/cm³，密度比冲为4612.0N.s/kg，当固化温度为28℃时，推进剂3d能固化反应完全，药柱致密、无气孔。

实施例4

如下表5为实施例5#ATPE/NaNO3/RDX/CL-20/Al/PAPI洁净推进剂配方组成及性能。

表55#ATPE/NG/TEGDN/Al/PAPI推进剂配方组成及性能

从表5可看出，当RDX含量为57%时，5#ATPE/NG/TEGDN/PAPI洁净推进剂的密度为1.773g/cm³，密度比冲为4355.7N.s/kg，固化温度为25℃时，固化反应时间为3d。

实施例5

如下表6为实施例6#ATPE/NG/BTTN/Al/GUDN/AN/IPDI洁净、1.3级推进剂配方组成及性能。

表66#ATPE/NG/BTTN/Al/GUDN/AN/IPDI推进剂配方组成及性能

从表6可看出，6#ATPE/NG/BTTN/GUDN/AN/Al/IPDI洁净推进剂的密度比冲为4379.8N.s/kg，固化温度为28℃时，固化反应时间为4d，该推进剂的摩擦感度为12%、落锤撞击能大于49J、冲击波感度的卡片厚度值为7.32mm，满足1.3级复合固体推进剂要求。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种室温固化型洁净固体推进剂，其特征在于包含如下质量配比的组分：

无氯氧化剂：55%~70%；

金属燃料：5%~20%；

增塑剂：5%~15%；

端氨基聚醚粘合剂：5%~10%；

异氰酸酯固化剂：0.5%~1.0%；

功能助剂：0.01%~3%。

2.根据权利要求1所述的一种室温固化型洁净固体推进剂，所述无氯氧化剂为硝酸铵AN、硝酸钾KNO₃、硝酸钠SN、二硝酰胺铵ADN、奥克托今HMX、黑索今RDX、1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯FOX-7、二硝酰胺钾盐KDN以及N-脒基脲二硝酰胺盐GUDN、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮NTO、六硝基六氮杂异伍兹烷CL-20、三硝基氮杂环丁烷TNAZ、硝仿肼HNF、硝仿羟胺HANF中的一种或两种及两种以上的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种室温固化型洁净固体推进剂，所述金属燃料为铝粉Al、硼粉B和镁粉Mg中的一种或两种及两种以上的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种室温固化型洁净固体推进剂，所述增塑剂为二缩三乙二醇二硝酸酯TEGDN、三羟甲基乙烷三硝酸酯TMETN、1,2,4-丁三醇三硝酸酯BTTN、硝化甘油NG、双（氟-二硝基乙基）缩二氟甲醛FEFO、双(2,22-二硝基丙基)缩甲醛BDPF、双(2,2-二硝基丙基)缩乙醛BDPA、端叠氮基GAP(GAPA)和聚叠氮缩水甘油醚二乙酸酯GAPDA以及N-乙基-2-硝氧基乙基硝胺Et-NENA中的一种或组合。

5.根据权利要求1所述的一种室温固化型洁净固体推进剂，所述端氨基聚醚粘合剂为端氨基聚醚高聚物ATPE。

6.根据权利要求1所述的一种室温固化型洁净固体推进剂，其特征在于：所述异氰酸酯固化剂为异佛尔酮二异氰酸酯IPDI、多官能度多异氰酸酯N-100、二环己基甲烷二异氰酸酯HMDI、多亚甲基多苯基多异氰酸酯PAPI中的一种或组合。

7.根据权利要求1所述的一种室温固化型洁净固体推进剂，其特征在于：所述功能助剂为安定剂、工艺助剂和键合剂的组合。

8.根据权利要求7所述的一种室温固化型洁净固体推进剂，其特征在于：

所述安定剂为MNA（N-甲基-对硝基苯胺）、2-NDPA（2-硝基二苯胺）中的一种或组合，其在配方中的含量为0.01%~1%；

所述键合剂为烷醇胺类化合物或多胺类化合物中的一种或组合，所述烷醇胺类化合物为三乙醇胺和二乙醇胺，所述多胺类化合物的通式为X2N(CH2CH2NX)n.CH2CH2NX，n为1~12的整数，X为氢、氰乙基、羧丙基或它们的混合物，X中至少有一个氢原子；

所述键合剂在配方中的含量为0.01%~1%；

所述工艺助剂为十二烷基磺酸钠、卵磷脂中的一种或组合，其在配方中的含量为0.01%~1%。

9.一种权利要求1所述的一种室温固化型洁净固体推进剂的制备方法，其特征在于配方中各组分按规定配比和条件均匀混合后，成为具有良好流动性、流平性的药浆，将药浆真空浇注到装药燃烧室或模具内，在室温下固化3~5天，即可。