CN106929109A - 液体火箭降阻煤油及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体火箭降阻煤油及其制备方法。具体为选择与煤油相匹配的高分子物质作为煤油降阻剂，将降阻剂与火箭煤油在一定条件下经过多步复合技术制备得到降阻煤油。该降阻煤油可显著降低发动机煤油输送管路的流阻、提升涡轮泵效率、降低燃气温度。

Description

液体火箭降阻煤油及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种液体火箭降阻煤油及其制备方法。

背景技术

载人航天、载人登月、火星探测等重大航天活动的开展，需要大推力、高可靠性、高安全性、低成本的火箭发动机为支撑。液氧/煤油发动机作为运载火箭下面级主动力选择之一，是各航天大国研究的重点。美、俄等国在过去几十年研制了多种具有重大历史意义的液氧/煤油发动机，奠定了其航天强国的地位。

我国从上世纪九十年代开始对液氧/煤油发动机进行研究，到目前已成功研制了两种型号的液氧煤油发动机，并用于我国新一代运载火箭——CZ-5、CZ-6、CZ-7。而火箭煤油也已成为我国航天液体火箭的主力燃料。火箭煤油具有无毒环保、性能高、成本低等优势，既可作为运载火箭主动力的燃料，也可用于新型冲压发动机和组合发动机，是一种用途广泛的推进剂。

然而，火箭煤油在高速流经发动机组件时，受不规则湍流扰动影响会产生较大管路流阻，从而影响发动机性能的进一步提升。常通过涡轮泵或管路组件结构优化以降低系统流阻、提升发动机整体性能。例如，120t液氧煤油发动机研制中，为降低推力室燃料路流阻，多次改进优化推力室结构设计，进行了大量深入研究。目前，已难以通过结构设计来进一步降低流阻，提升发动机性能。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明针对火箭煤油在管路中湍流流动时流阻高无法通过优化结构来解决的问题，提供一种可有效降低火箭煤油湍流流阻的降阻煤油，并提供了该降阻煤油的制备方法。

本发明的具体技术方案：

本发明提供了一种液体火箭降阻煤油,包括降阻剂和火箭煤油；降阻剂和火箭煤油的质量比为1:20～1:100000；所述降阻剂为分子量大于1万的高分子聚合物质；所述火箭煤油为在常温、常压下液体的碳氢化合物。

优选地方式是：降阻剂和火箭煤油的质量比为1:1000。

上述降阻剂为聚丙烯腈、聚丙烯酸、反式聚丁二烯、反式聚异戊二烯、聚异丁烯、聚丙烯、聚丙烯酰胺中的单一物质或者至少上述两种物质的混合物。

上述火箭煤油为萘基煤油或挂式四氢双环戊二烯或含多个环丙烷碳氢化合物或其他用于火箭发动机的碳氢类物质。

上述火箭降阻煤油的制备方法，包括以下步骤：

1)降阻剂破碎：

降阻剂经机械破碎或捏合的方式得到粒径0.1mm～50mm的颗粒。如降阻剂本身为粘稠液体，则无需破碎，直接进行降阻剂溶胀；

2)降阻剂溶胀：

将破碎后的降阻剂颗粒与火箭煤油按照质量比1:1～1:200进行溶胀，溶胀过程中慢速搅拌，搅拌时，保证搅拌速度以降阻剂不粘壁，搅拌至体系中无人眼可见的降阻剂颗粒时停止搅拌，得到含降阻剂的质量百分含量大于0.5％的高浓度降阻煤油；

3)多相快速复合：

再采用鼓泡法或者机械搅拌方式，将溶胀好的高浓度降阻煤油与火箭煤油快速均匀复合，复合成含降阻剂的质量百分含量为0.001～5％的降阻煤油。

在进行上述火箭降阻煤油的制备方法时，还包括降阻剂筛选的过程，具体是：

首先应该考虑降阻剂的氢碳比和分子量，尽可能选择与火箭煤油氢碳比相同且不含硫原子、氯原子的降阻剂；

其次考虑降阻剂的自身稳定性，稳定性是指降阻剂在长时间放置发生分解的可能性；

第三考虑降阻剂与火箭煤油复合后稳定性，复合后稳定性是指复合后长时间放置发生沉降分层的可能性。

本发明的有益效果

1、采用本发明的降阻煤油可以提高发动机燃料涡轮泵的扬程。

2、采用本发明的降阻煤油可以降低涡轮泵转速，从而提高涡轮泵功率。

3、采用本发明的降阻煤油可以减少燃料流经燃烧室再生冷却通道时的压力损失。

4、采用本发明的降阻煤油可以增加燃料泵临界气蚀余量。

当煤油输送管路降阻率达到20％，经过计算可使液氧煤油发动机燃料泵扬程和功率相应增加20％，涡轮燃气温度降低40℃，并显著提高发动机燃气系统的可靠性。燃气温度是限制发动机推力提高的重要因素，如果保持燃气温度不变，则可以将120t液氧煤油发动机推力提高80kN，增加推进剂加注量后，能够使新一代运载火箭的发射能力增加，较大幅度提高有效载荷。

具体实施方式

本发明提供了一种液体火箭降阻煤油，包括降阻剂和火箭煤油；降阻剂和火箭煤油的质量比为1:20～1:100000；所述降阻剂为分子量大于1万的高分子聚合物质；火箭煤油为在常温、常压下液体的碳氢化合物。

降阻煤油做优化的配比是：降阻剂和火箭煤油的质量比为1:1000。

需要说明的是：

降阻剂包括聚丙烯腈、聚丙烯酸、反式聚丁二烯、反式聚异戊二烯、聚异丁烯、聚丙烯、聚丙烯酰胺中的单一物质或者至少上述两种物质按任意比例的混合物。

火箭煤油为萘基煤油或挂式四氢双环戊二烯或含多个环丙烷碳氢化合物或其他用于火箭发动机的碳氢类物质。

下面对降阻煤油的具体制备方法和降阻效果测试作出以下详细描述：

一、降阻剂筛选

选择降阻剂时，首先应该考虑降阻剂的氢碳比和分子量，尽可能选择与煤油氢碳比相同且不含硫、氯等杂原子的降阻剂，这样不会增加煤油燃烧后的结焦现象，如出现结焦，实际增加了流阻。

其次应考虑降阻剂的自身稳定性，常温、常压贮存过程中，不会发生分层、团聚、微乳、分解等现象。

第三应考虑降阻剂与火箭煤油复合后稳定性，在-70℃～250℃均具有良好的温度适应性，在该温度范围内不会发生分解反应。

二、降阻煤油的制备

1)降阻剂破碎：降阻剂经机械破碎或捏合等方式得到粒径小于5cm的颗粒，将破碎后的降阻剂与纯煤油溶胀；

2)降阻剂溶胀：溶胀时，降阻剂与纯煤油质量比为1:1～1:200，溶胀过程中慢速搅拌，搅拌速度以降阻剂不粘壁为准。至体系中无肉眼可见的降阻剂颗粒时停止搅拌，得到高浓度降阻煤油；

3)多相快速复合：采用快速搅拌、鼓泡法等方法，将溶胀好的高浓度降阻煤油与纯煤油快速均匀复合，复合后体系中降阻剂的质量百分含量为0.001～5％。其中，鼓泡法是指通过往火箭煤油中缓慢通入气体，如氮气、空气等，实现火箭煤油与高浓度降阻煤油的复合。

三、降阻煤油在直管中流阻测试

采用挤压或泵压式输运流体，分别使纯火箭煤油和降阻煤油高速流经不同直径的直圆管，雷诺数(Re)大于4000，测定圆管两端的静压头，两个静压头之差即为流阻。本发明中火箭降阻煤油在管路中湍流状态下的降阻率大于5％。

此处对两个技术名词作出以下解释：

“湍流状态”为火箭降阻煤油在管路中的流动状态呈现湍流无序状态，此时的雷诺数(Re)大于4000。

“降阻率”是指在相同的试验条件下，分别测定纯煤油和火箭降阻煤油在管路中流动时的流阻(压降)，流阻差值与纯煤油流阻的比值，即：降阻率＝(纯煤油流阻-降阻煤油流阻)/纯煤油流阻。本发明中火箭降阻煤油在管路中湍流状态下的降阻率大于5％。

为了更好的理解本发明的要保护的技术方案，接下来结合以下三个实施例对降阻煤油的制备方法作进一步的说明：

实施例1

选择分子量为10万的聚丙烯腈为降阻剂，火箭煤油为实验用萘基煤油。将聚丙烯经机械破碎得到粒径0.1mm的颗粒。将破碎后的聚丙烯与萘基煤油按质量比为1:1混合，溶胀过程中缓慢搅拌。至降阻剂全部溶解为止，停止搅拌，得到高浓度降阻煤油，降阻剂质量百分含量为50％。采用快速搅拌法，将溶胀好的高浓度降阻煤油与萘基煤油快速均匀复合，复合后体系中降阻剂的质量百分含量为0.005％。煤油输送采用泵压式，分别使萘基煤油和降阻煤油流经直径6mm的直圆管，流速为约10m/s，雷诺数(Re)为24900，测定圆管两端的压差(流阻)。试验结果：纯煤油流速为9.882m/s时，直管两端流阻为507kPa。当降阻煤油流速为9.846m/s时，直管两端流阻为324.8kPa，说明使用降阻煤油后管路流阻降低35.94％。

实施例2

选择分子量为200万的聚异丁烯和分子量为5万的反式聚异戊二烯按质量比1:1混合作为降阻剂，火箭煤油为挂式四氢双环戊二烯。将聚异丁烯和反式聚异戊二烯的混合物经机械破碎得到粒径小于20mm的颗粒。将破碎后的混合物颗粒与挂式四氢双环戊二烯按质量比为1:20混合，溶胀过程中缓慢搅拌。至降阻剂全部溶解为止，停止搅拌，得到高浓度降阻煤油，降阻剂质量百分含量为5％。采用快速搅拌法，将溶胀好的高浓度降阻煤油与挂式四氢双环戊二烯快速均匀复合，复合后体系中降阻剂的质量百分含量为0.02％。煤油输送采用挤压式，分别使纯煤油和降阻煤油流经直径4mm的直圆管，流速为约10m/s，雷诺数(Re)为16600，测定圆管两端的压差(流阻)。试验结果：纯煤油流速为9.882m/s时，直管两端流阻为507kPa。当降阻煤油流速为9.824m/s时，直管两端流阻为245.1kPa，说明使用降阻煤油后管路流阻降低51.66％。

实施例3

选择分子量为400万的聚丙烯为降阻剂，火箭煤油为多个环丙烷碳氢化合物。将聚丙烯经机械破碎得到粒径小于50mm的颗粒。将破碎后的聚丙烯与多个环丙烷碳氢化合物按质量比为1:200混合，溶胀过程中缓慢搅拌。至降阻剂全部溶解为止，停止搅拌，得到高浓度降阻煤油，降阻剂质量百分含量为0.5％。采用快速搅拌法，将溶胀好的高浓度降阻煤油与多个环丙烷碳氢化合物快速均匀复合，复合后体系中降阻剂的质量百分含量为0.1％。煤油输送采用挤压式，分别使多个环丙烷碳氢化合物和降阻煤油流经直径4mm的直圆管，流速为约60m/s，雷诺数(Re)为99600，测定圆管两端的压差(流阻)。试验结果：纯煤油流速为58.373m/s时，直管两端流阻为14.375MPa。当降阻煤油流速为59.530m/s时，直管两端流阻为3.903MPa，说明使用降阻煤油后管路流阻降低72.85％。

从以上三个实施例可以看出来，当降阻煤油中降阻剂的质量百分含量为0.1％时，降阻的效果最好，降阻剂的含量过高或过低都会影响降阻煤油的效果。

Claims (6)

1.一种液体火箭降阻煤油,其特征在于:包括降阻剂和火箭煤油；降阻剂和火箭煤油的质量比为1:20～1:100000；所述降阻剂为分子量大于1万的高分子聚合物质；所述火箭煤油为在常温、常压下液体的碳氢化合物。

2.根据权利要求1所述的液体火箭降阻煤油,其特征在于:降阻剂和火箭煤油的质量比为1:1000。

3.根据权利要求1或2所述的液体火箭降阻煤油,其特征在于:所述降阻剂包括聚丙烯腈、聚丙烯酸、反式聚丁二烯、反式聚异戊二烯、聚异丁烯、聚丙烯、聚丙烯酰胺中的单一物质或者至少上述两种物质的混合物。

4.根据权利要求3所述的液体火箭降阻煤油,其特征在于:所述火箭煤油为萘基煤油或挂式四氢双环戊二烯或含多个环丙烷碳氢化合物或其他用于火箭发动机的碳氢类物质。

5.基于权利要求书1-4任一权利要求所述液体火箭降阻煤油的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)降阻剂破碎：

降阻剂经机械破碎或捏合的方式得到粒径0.1mm至50mm的颗粒；

2)降阻剂溶胀：

将破碎后的降阻剂颗粒与火箭煤油按照质量比1:1～1:200进行溶胀，溶胀过程中慢速搅拌，搅拌时，保证搅拌速度以降阻剂不粘壁，搅拌至体系中无人眼可见的降阻剂颗粒时停止搅拌，得到含降阻剂的质量百分含量大于0.5％的高浓度降阻煤油；

3)多相快速复合：

再采用鼓泡法或者机械搅拌方式，将溶胀好的高浓度降阻煤油与火箭煤油快速均匀复合，复合成含降阻剂的质量百分含量为0.001～5％的降阻煤油。

6.根据权利要求书5所述液体火箭降阻煤油的制备方法，其特征在于，还包括降阻剂筛选的过程，具体是：

首先应该考虑降阻剂的氢碳比和分子量，尽可能选择与火箭煤油氢碳比相同且不含硫原子、氯原子的降阻剂；

其次考虑降阻剂的自身稳定性，稳定性是指降阻剂在长时间放置发生分解的可能性；

第三考虑降阻剂与火箭煤油复合后稳定性，复合后稳定性是指复合后长时间放置发生沉降分层的可能性。