CN107428627A - 固体火箭推进剂 - Google Patents

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Abstract

在此描述了包含氧化剂、亲氧金属‑嗜盐金属配制品和粘合剂的固体燃料火箭推进剂。进一步描述了用于制备此类推进剂的方法和经由燃烧此类推进剂来减少氯化氢生产的方法。此类配制品的非限制性实例包括铝‑锂合金。

Description

固体火箭推进剂
相关申请的交叉引用
本专利申请涉及并且要求2015年3月9日提交的美国临时专利申请序列号62/130,108以及2015年3月9日提交的美国临时专利申请序列号62/120,132的优先权权益，这些申请的内容以引用方式特此整体并入本披露中。
政府利益声明
本发明是在由美国空军授予的FA9550-13-1-0004和由美国国防部授予的32CFR168a下由政府支持进行的。政府对本发明具有某些权利。
背景技术
固体火箭推进剂中最常用的氧化剂是高氯酸铵(“AP”)，NH4ClO4。使用这种氧化剂是因为它具有高的氧含量和在燃烧过程中产生的大的气体体积。然而，氧化剂中的氯通常易于形成氯化氢作为它的主要产物。在使用AP的普通推进剂配制品中，多达98％的可用氯离子可转化为氯化氢。氯化氢污染对环境和臭氧层两者均具有严重的负面影响，并且是发射场设备腐蚀的主要原因。氯化氢还形成用于雾化水产物的成核位点，促使由排气羽流形成二次烟雾，从而使火箭更易于检测，这对于一些应用是不利的。
总体上已经调研了三种方法用于复合火箭推进剂中的氯化氢减少，即使用减少氯的推进剂、中和氯化氢和使用清除剂。
使用减少或不含氯的氧化剂减少了或消除了氯化氢形成，尽管通常存在性能上不可接受的损失或爆轰感度的增加。硝酸铵(“AN”)作为AP替代品已经被广泛研究，但它的性能已经被证明远低于AP，并且具有较小的弹道可调适性。其他研究人员已经研究了掺入硝酸酯和/或硝胺代替全部或部分AP氧化剂。虽然这些高能的配制品已经由于它们的高性能而被广泛使用，但它们通常更加敏感并且被认为是1.1类推进剂，这使它们的处理实质性地更加危险。
酸碱化学作为通过使用镁作为推进剂中的燃料来中和由固体火箭推进剂形成的氯化氢的方法已经被研究。当与AP燃烧时，形成氧化镁和氢气。氢气随后将与火箭发动机外部的环境氧气一起燃烧以形成水，水进而与氧化镁反应以形成氢氧化镁。然后氢氧化镁可与氯化氢反应以形成氯化镁和水。虽然这种推进剂具有足够的理论性能和中和效果，但它也具有由此需要较重负载的低密度和严重的缺点，因为它需要足够的大气氧气来燃烧氢。由于较高海拔处的氧气含量低，因此这种方法具有受限的可应用性。
用于减少氯化氢形成的另一种可能的方法是使用强烈的嗜盐材料，诸如碱金属，以在燃烧过程中“清除”氯离子从而形成碱金属氯化物。因为这些材料的高反应性和潜在的健康影响，所以碱金属通常不作为纯元素金属而在配制品中使用。因此，已经使用碱金属硝酸盐(诸如LiNO3和NaNO3)来稳定地引入嗜盐材料，从而代替化学计算量的AP。虽然这些配制品确实减少了燃烧过程中的氯化氢形成，但它们这样做对性能的损失是不可接受的。已经证明，向配制品中加入硝胺可以在一定程度上抵消这种性能缺陷，但它们的添加结果是1.1类推进剂，这对处理是非常危险的。
虽然已经调研了对双亲氧-嗜盐燃料组合当与含氯氧化剂(诸如美国专利号3,133,841中所披露的)相结合时作为改善比冲量(ISP)手段的一些一般性研究，但作为氯化氢清除剂的这种用途先前还没有被调研，并且所提出的合金的范围缺乏合适的性能特征。因此，存在对能够显著减少氯化氢形成的高性能固体燃料火箭推进剂的未满足的需要。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种包含具有约14％与34％之间的Li-Al重量比的Al-Li合金、氧化剂和粘合剂的固体火箭推进剂。
在本发明的另一个方面，提供了一种用于减少固体火箭燃烧中氯化氢形成的方法，该方法包括以下步骤：将嗜盐金属与亲氧金属组合以形成合金，将该合金与氧化剂和粘合剂组合以形成推进剂，并且燃烧该推进剂。
在本发明的又一个方面，提供了一种用于产生固体形式推进剂的方法，该方法包括将嗜盐金属与亲氧金属配制以形成多个配制的亲氧-嗜盐金属颗粒，并且将配制的亲氧-嗜盐颗粒与含氯氧化剂和粘合剂组合以形成固体形式的推进剂。
在本发明的又一个方面，提供了一种固体火箭推进剂，该固体火箭推进剂包含亲氧金属–嗜盐金属配制品、粘合剂和氧化剂。
在本发明的另一个方面，提供了一种含氯固体火箭推进剂，其中在燃烧时基本上没有氯化氢产生。
在本发明的又一个方面，提供了一种用于减少固体火箭燃料推进剂中的大熔融液滴(“LMD”)的方法。
附图说明
图1A示出纯铝/AP/HTPB推进配制品的热化学平衡结果。高于250秒的比冲量轮廓线代表2.5秒的步长，低于250秒的轮廓线代表5秒的步长，并且横向轮廓线代表推进剂固体负载。
图1B示出纯锂/AP/HTPB推进配制品的热化学平衡结果。高于250秒的比冲量轮廓线代表2.5秒的步长，低于250秒的轮廓线代表5秒的步长，并且横向轮廓线代表推进剂固体负载。
图1C示出80/20铝-锂/AP/HTPB推进配制品的热化学平衡结果。高于250秒的比冲量轮廓线代表2.5秒的步长，低于250秒的轮廓线代表5秒的步长，并且横向轮廓线代表推进剂固体负载。
图2示出作为锂含量的函数的Al-Li体系的理论性能。
图3示出作为燃料添加剂中Li含量的函数的Cl→氯化氢、Cl→LiCl和Li→LiCl的转化率。
图4是纯Al和Al-Li的粒度分布曲线。
图5是纯AP的DSC/TGA和离子电流曲线。
图6是30％铝/70％AP混合物的DSC/TGA和离子电流曲线。
图7是30％铝-锂合金/70％AP混合物的DSC/TGA和离子电流曲线。
图8是HCl检测装置。
图9是纯AP和30％Al-Li/AP混合物的分解的FTIR光谱。
具体实施方式
提供了一种固体火箭推进剂，该固体火箭推进剂包含粘合剂、氧化剂和亲氧金属-嗜盐金属配制品。当使用诸如AP的含氯氧化剂作为氧化剂时，选择该配制品以便具有减少氯化氢形成的能力，而同时保持可接受的性能。
如实例1和实例2所列出的热化学计算表明，当与含氯氧化剂反应时，二元的亲氧-嗜盐燃料产生良好的性能。可以通过合金化、机械活化或包封来将嗜盐燃料与合适的亲氧-金属燃料组合。然后可以将所得配制的亲氧-嗜盐金属组合物与氧化剂和粘合剂组合以形成推进剂。当燃烧时，该推进剂导致减少的氯化氢形成和改善的性能。
通过使用这种配制品方法，可以调整化学计量的亲氧:嗜盐(金属)比率以最小化氯化氢形成、最小化非碱金属氯化物物种形成，并且最大化性能。进行推进剂的建模和性能测试以说明本发明的某些实施例。例如，不同铝锂合金配制品在氯化氢气体的形成中均显示超过95％的预测和实验的减少。另外，建模以重要的性能指标比冲量(Isp)表明关于发动机性能增加大于2％的预测。
这些建模研究涉及使用不同Al-Li比率以及纯铝、纯锂和用NaNO3代替一部分AP的基线清除推进剂的理论性能计算。如实例2所列出，完成这项工作以确定Al-Li体系能够用作高性能卤化物清除剂(“HPHS”)的锂含量范围。这些三元体系模拟的实例在图1中呈现。产生每种燃料添加剂的最高比冲量的混合比列于表1，并且它们的相应的性能值列于表2。具有最高HPHS值的混合比的80/20Al-Li体系由表1-2中的星号(*)表示，并且是用于所有实验结果的混合比。最高HPHS值处的固体负载不同于最大ISP的相应负载。
表2中的性能值包括比冲量、脉冲密度、穿过喷嘴的焓变、燃烧室温度、排气分子量以及氯到HCl和碱金属到MCl的转化率，其中“M”表示碱金属。比冲量具有以下关系：
其中I是总冲量，mp是推进剂质量，g是标准重力，Δh是穿过喷嘴的焓变，T0是燃烧产物的滞止温度，以及□是燃烧产物的分子量。第一比例性由排气速度是恒定的并且存在通过喷嘴的等熵流的假设得到，并且是Cheetah 7.0平衡代码用于如实例1所列出的计算ISP的关系。第二比例性产生排气产物是理想和热量完美的气体的假设，并且表明高燃烧室温度和低产物分子量提高比冲量。
表2显示，不管Al-Li中存在的Li的量如何，Al-Li体系具有比纯Al或纯Li更高的比冲量。另外，显示当锂含量为至少约15重量％时，氯化氢形成(％Cl)显著减少。
表1
表2
来自表2的数据表示在图2和图3中。Al-Li体系的理论性能作为锂含量的函数显示在图2中。该数据表明，存在足够的锂以与AP中的氯化学计量地结合，从而在大于约15重量％的锂的值下产生良好的性能以及低的氯化氢含量。还表明，Al-Li体系(诸如合金)的理论性能随着锂含量的增加而不断提高。然而，如图3所示，燃料添加剂中存在超过约15％的过量的锂，从而形成除氯化锂以外的锂物种。虽然这些其他锂物种显示出提高超过15％的性能，但对于环境更清洁的配制品来说只有LiCl是令人希望的。
通过参考图1可以看出铝锂合金超过纯铝或纯锂的性能优点。图1中的曲线根据实例1计算。轮廓线代表ISP，而横向轮廓线代表推进剂的固体负载。图1A和图1B分别示出根据实例1计算的纯铝和纯锂的脉冲性能。这些材料中的每种的最大ISP均低于如图1C所示的20/80锂铝合金的ISP。当将NaNO3以56/44的AP/NaNO3重量百分比(标准配制品)加入到推进剂时，性能降低。这些数据在表2中列出，并且据观察20/80合金的ISP性能是271.9秒，而纯Al和纯Li分别仅是264.8秒和263.4秒，而掺加NaNO材料仅记录246.1秒。ISP越大，由相同量的推动剂产生的推力越大，并且因此，增加的ISP是令人希望的特征。
由于许多因素，Al-Li配制品导致比任一种纯母体材料更高的比冲量和更低的燃烧产物分子量。在配制品中用锂代替一些铝导致一些氧化铝产物(分子量为101.9)的形成被氯化锂(“LiCl”)(分子量为42.4)代替。此外，在整个燃烧事件(沸点2977℃，1atm)中，氧化铝将主要保持在凝聚相中，而LiCl将主要保持气态(沸点1382℃，1atm)。在一些情况下，LiCl可能在喷嘴膨胀过程中凝结，但燃烧室压力为68.0atm，最佳地膨胀至1.0atm，导致理论喷嘴出口温度为2070℃，远高于LiCl的沸点温度。另外，用LiCl代替氯化氢(“HCl”)(分子量为36.5)仅适度地增加基于氯的物种的分子量，但通过释放过量的氢气(分子量为2.0)，显著降低了全局分子量。
图3示出在燃烧推进剂的过程中从实例1用于将Cl转化成HCl和LiCl的热化学平衡计算。HCl形成显示朝向基线的稳定下降，特别是当锂的重量百分比增加超过约15％时。在较高的重量百分比下，由HCl形成的LiCl的量保持较高，而不是LiCl的锂产物的量增加。
根据实例1和实例2的计算，最佳的HPHS推进剂将是约63％的AP，约22％的具有约83％的Al和约17％的Li负载的Al-Li配制品(诸如合金)和约15％的HTPB粘合剂，以便固体负载量为85％。基于来自AP的氯，这种固体火箭推进剂将具有约270.5秒的比冲量、约2.1％的氯化氢含量，和约97.0％的Li到LiCl的转化率。这种推进剂和基于表2的插值之间的值的差异是由于在该配制品中较低的固体负载。
在本发明的许多实施例中，亲氧金属是铝并且嗜盐金属是锂，并且配制品是合金，正如本领域技术人员通常所理解的。在此类实施例中，合金中锂与铝的重量比在约14重量％与约34重量％之间。另外的实施例包括锂与铝的重量比在约14％与30％之间、约14％与24％之间、约14％与20％之间、和约16％与18％之间，以及在给定重量范围之间的值。例如，在此进一步提供了各自为约14％、15％、16％、17％、18％、19％、或20％的单独实施例。当以重量百分比报告值时，通过使用“约”字来理解的可变性大约为1％。因此，约15％的重量百分比意指14％至16％。无论是否明确存在，使用“约”字意在修改在此列出的所有重量百分比的值。
锂的重量比对推进剂的性能很重要。如图3所示，当锂的重量百分比小于14％时，则形成的氯化氢的量快速增加。大于34％的重量比导致差的脉冲密度(每单位体积推进剂的总推力)。在此列出的实施例的特别优选的比率是其中锂-铝合金中锂-铝微晶的相是简单立方晶相的那些。这种相存在约12重量％与约20重量％之间的锂，并且是特别有利的。结晶相在可接受的重量范围内提供相对于其他相的最佳性能能力，同时还显著减少氯化氢气体形成。这样的范围因为以下原因也很重要：当例如在合金中锂含量增加超过约20％时，除了优选的LiCl之外，形成的Li产物的量显著增加，并且游离的锂是高反应性的。此类其他产物可能对环境有害，而LiCl是相对良性的。因此，尽管大于20％的锂量可用于与铝的配制品中，但优选使用其中锂含量在约14重量％与约20重量％之间范围内的配制品，范围在12％与14％之间的重量导致较高的氯化氢形成。另一个实施例是当基本上合金的全部均是结晶时，以约20％的锂和80％的铝的重量发生。
在本发明的这些和其他实施例中，Al-Li配制品(诸如合金)的重量百分比在约5重量％与约40重量％之间。其他实施例包括约20重量％与约40重量％之间和约20重量％与约30重量％之间的范围，以及在约5％与约40％之间的所有值，诸如约6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％,16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、或39％。
本发明的推进剂进一步包含氧化剂。推进剂中氧化剂的量在约55重量％与约79重量％之间。其他范围包括约55重量％与约65重量％之间、约58重量％与约65重量％之间、和约60重量％与约64重量％之间，以及在这之间的所有值，包括约59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、或78％。氧化剂典型地含有氯，其中常用的氧化剂是高氯酸铵。
本发明进一步包括含有粘合剂的推进剂。此类粘合剂通常是有机的。适于在此使用的粘合剂的实例包括羟基封端的聚丁二烯(“HTPB”)、羧基封端的聚丁二烯(“CTBP”)、聚丁二烯丙烯腈(“PBAN”)、二环戊二烯(“DCPD”)、聚氨酯(“PU”)、增塑硝化纤维素(“PNC”)、缩水甘油基叠氮化物聚合物(“GAP”)、氧杂环丁烷聚合物(“PolyNIMMO”)、环氧乙烷聚合物(“polyGLYN”)、双叠氮甲基氧杂环丁烷/叠氮甲基甲基氧杂环丁烷(“BAMO/AMMO”)或它们的组合。此类粘合剂可用于增加用于燃烧的燃料。在本发明的许多实施例中，粘合剂在约5重量％与约25重量％之间存在。其他范围包括约10重量％与约20重量％之间。其他范围包括约10重量％与约16重量％之间和约11重量％与约15重量％之间，以及约5％与约25％之间的所有值，包括约6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、或24％。
在本发明的某些实施例中，提供了固体火箭推进剂，其中Al-Li配制品是合金、氧化剂是高氯酸铵，并且粘合剂是HTPB、CTBP、PBAN、DCPD、PU、PNC、GAP、PolyNIMMO、polyGLYN、BAMO/AMMO中的一种或多种或它们的组合。在此类实施例中，存在的合金的量在约5重量％与约40重量％之间。其他实施例包括约20重量％与约40重量％之间和约20重量％与约30重量％之间的范围，以及在5％与40％之间的所有值，诸如约6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％,16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、或39％。此类合金中锂与铝的重量比在约14重量％与约34重量％之间，包括约14％与30％之间、约14％与24％之间、约14％与20％之间、和约16％与18％之间，以及约15％、16％、17％、18％、9％、或20％。在此类实施例中，高氯酸铵的量在约55重量％与约79重量％之间。其他范围包括约55重量％与约65重量％之间、约58重量％与约65重量％之间、和约60重量％与约64重量％之间，以及在这之间的所有值，包括约56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、或78％。在此类实施例中，羟基封端的聚丁二烯的量在约5重量％与约25重量％之间。其他范围包括约10重量％与约20重量％之间。仍然其他范围包括约10重量％与约16重量％之间和约11重量％与约15重量％之间，以及约5％与约25％之间的所有值，包括约6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、或24％。
粒度也可能影响本发明的固体火箭推进剂的性能特征。诸如高氯酸铵的氧化剂的典型粒度在约1微米与约400微米之间。“粒度”意指体积加权平均粒度。在实施例中，当高氯酸铵是氧化剂时，使用两种不同的粒度。在一些此类实施例中，“粗”粒度在约100微米与400微米之间，包括约150微米与250微米之间，包括在这之间的所有值，诸如约200微米。在“粒度”的情况下，“约”字意指加或减10％。因此，约100微米的值意指90微米与110微米之间。无论是否明确存在，使用“约”字意在修改在此列出的所有粒度测量值。在一些实施例中，“细”粒度在约1微米与75微米之间，包括约10微米与50微米之间，并且进一步包括约10微米与30微米之间，包括在这之间的所有值，诸如约20微米。
当Al-Li配制品是合金时，典型的粒度在约10微米与200微米之间，包括约10微米与约100微米之间，包括约20微米与50微米之间，包括约25微米与45微米之间，以及在这之间的值，诸如约26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、或39微米。根据实例3制备的Al-Li合金的粒度分布曲线列于图4。随着粒度减小，配制品变得硬或脆，这从处理和性能的角度来看是不利的。
本发明还涉及含有氯化物的固体燃料火箭推进剂，该固体燃料火箭推进剂包含氧化剂、亲氧金属-嗜盐金属合金以及粘合剂，其中在燃烧燃料时基本上没有氯化氢产生，并且其中该合金能够清除氯化氢。在许多这些实施例中，合金是铝-锂合金，氧化剂是高氯酸铵并且粘合剂是HTPB。“基本上没有氯化氢”意指小于使用不能在任何明显程度上清除氯化氢的燃料(诸如纯Al)时所产生的氯化氢的5％。在其他实施例中，基本上没有氯化氢包括小于3％、或2％、或1％。合金中锂与铝的优选组合包括在此列出的比率，诸如约14％与约20％之间作为优选范围。
本发明进一步涉及用于制备在此描述的本发明固体火箭推进剂的方法。在一些实施例中，描述了方法，其中固体形式的推进剂包括将嗜盐金属与亲氧金属配制以形成多个配制的亲氧-嗜盐金属颗粒，并且将配制的亲氧-嗜盐颗粒与含氯氧化剂和粘合剂组合以形成固体形式的推进剂。通常，该配制品是合金，并且嗜盐金属选自锂、钠、钾、铷或它们的组合，并且亲氧金属选自铝、铍、硼、镁、硅、钛、锆或它们的组合。典型的配制品是Al-Li。在此类实施例中，氧化剂通常是高氯酸铵，并且粘合剂是羟基封端的聚丁二烯。本发明进一步涉及如此制备的固体火箭推进剂。
除了通过合金配制之外，本发明包括配制金属的其他方法，诸如通过机械活化以诸如使用球磨来形成纳米复合材料、微米级颗粒，或者通过包封，其中嗜盐金属涂覆有亲氧金属或另一种试剂。
本发明的固体火箭推进剂还可包含添加剂以影响性能。这种添加剂可以是高能炸药、或燃烧速率改进剂或它们的组合。高能炸药的实例包括HMX、RDS、CL-20、TNT、或它们的共结晶体。高能炸药通过增加ISP起作用。燃烧速率改进剂的实例包括FeO、CuCr2O4、TiO2、氧化石墨烯、正丁基二茂铁、氧化铜、氧化钴或它们的组合。燃烧速率改进剂影响燃烧的速率。
本发明进一步涉及用于通过制备本发明的固体燃料火箭推进剂并且将它们燃烧而在燃烧固体燃料火箭推进剂的过程中减少氯化氢形成的方法。例如，如表2所列出，当与诸如铝的传统燃料相比时，含有诸如锂-铝配制品的燃料的本发明推进剂可以显著地减少氯化氢形成。超过诸如铝的单金属燃料的另外优点是，本发明的配制品在燃烧过程中不形成LMD。当铝燃烧时，常常形成LMD，这导致长的燃烧停留时间，这是不利的并且还可能导致不完全的燃烧。LMD在固体火箭发动机中导致粘性和热不平衡(不是所有的热量和动量均转移到工作气体)，从而导致发动机效率损失高达10％(即，两相流动损失)。
在文献中已经表明，通过将纳米级聚合物夹杂物引入铝颗粒中，在推进剂表面可引起微爆炸，尽管性能可能受到损害。因此，微爆炸的这种使用可能能够减少LMD形成。
对于碳氢化合物燃料，微爆炸已经进行广泛的调研和实施。由于液体燃料中的不同组分在不同的温度下挥发，因此具有最低挥发点的液体将开始排气，而其他组分仍处于凝聚相。在这个前提下，微爆炸是由内部气泡成核以及在燃料液滴内的生长(即，颗粒内沸腾)引起的，这导致液滴破碎。微爆炸液体燃料典型地是有利的，因为它们促进快速的燃料雾化，这可以减少停留时间并且增加燃烧完全度。
通过使用具有背光的显微透镜研究来自镀铝APCP和80/20Al-LiAPCP(参见实例3)两者的LMD形成。对于纯Al推进剂，观察到铝颗粒将烧结并且在表面凝聚或聚结，并且然后最终作为LMD(约50-100μm直径)喷射。相比之下，观察到Al-Li推进剂在表面形成起泡熔融层。从熔融层喷射的大部分LMD将分散地沸腾或经历快速膨胀，随后通过微爆炸进入推进剂表面几毫米内的雾化雾。
铝(2,519℃)与锂(1,342℃)之间的沸点的大差异允许在Al-Li合金液滴内发生颗粒内沸腾，从而有效地使液滴破碎和雾化。这种微爆炸现象类似于微爆炸的大规模(missive)多组分液体燃料，并且可有利于提高火箭发动机内的金属燃烧效率，并且还降低两相流动损失。对于在空气中以213W cm-2经由CO2激光器加热的纯Al-Li合金颗粒，也观察到类似的颗粒膨胀和随后的破碎，这表明与先前的研究一致，氯不需要用Al-Li体系诱发破碎的微爆炸。然而，可能由于氯的存在所提供的增加的表面加热(Li/Cl反应)，氯的存在似乎显著增强了微爆炸(从Al-Li/AP物理混合物的等效CO2激光加热可明显看出)。
实例1-建模
使用Cheetah 7.0(劳伦斯利弗莫耳国家实验室(Lawrence Livermore NationalLaboratory)，版本LLNL-SM-599073)平衡代码(JCZS产品库和JCZ3气体状态方程)完成了热平衡计算，假设腔室压力为6.89MPa并且理想的膨胀到一个标准大气压。羟基封端的聚丁二烯(“HTPB”)用作所有模拟的粘合剂。在这些模拟中使用以下Al-Li合金组合物(Li重量％)：0、5、10、15、20、25、30、100。另外，还研究了Al/(AP/NaNO3 56/44重量％)/HTPB体系作为基线清除推进剂配制品。对于每个三元体系进行了总共10,000次模拟，系统地改变了总燃料(总燃料＝粘合剂+燃料添加剂)中的氧化剂与燃料比率(O/F)和燃料添加剂的重量百分比。在MATLAB中进行这些计算的后处理。
假设所有Al-Li合金燃料添加剂均是铝和锂的物理混合物用于所有适用的平衡计算，并且二元Al-Li合金比率随每批模拟而改变。不同Al-Li比的生成热、ΔfH由于合金混合和/或金属间化合物形成焓而实际地改变，并且是不确定的。应当认识到，这个假设产生由于升高的理论燃烧温度而人为地高的ISP值。然而，预计这个误差是小的。LiAl金属间相在所考虑的Al-Li合金范围内具有最大ΔfH强度(测量在-9.77至-21.8kJmol-1之间)，这产生仅0.7％的最大ISP误差。
实例2-利用清除的建模
使用以下方程(1)并将其评定为“高性能卤化物清除剂”(HPHS)度量以说明氯化物清除：
其中ISP是当前混合比的比冲量，ISP，max是用三元体系可获得的最大比冲量，并且％Cl→HCl是以当前混合比以及在膨胀到1atm压力下形成HCl的有效氯的百分比。出于评估比其他可用配制品更干净、高性能的推进剂配制品的目的，这种选择的性能指标在比冲量和HCl减少两个方面均衡。100％的HPHS值表示在体系的峰值比冲量下发生完全的HCl减少。
实例3-推进剂的制备
使用以下燃料添加剂制备两种固体复合推进剂：A.)纯铝(阿法埃莎(AlfaAesar)，-325目，纯度99.5％)；和B.)80/20重量％的Al-Li合金(稳定的LiAl金属间相)(西格马阿德里奇(Sigma Aldrich))。将所接收的80/20Al-Li合金筛分至-325目(<44μm)以与所接收的纯铝粉末相当。使用异丙醇作为分散介质通过激光衍射(Malvern MastersizerHydro 2000μP)测定两种粉末的粒度分布。通过扫描电子显微镜(SEM，FEI Quanta 3D-FEG)进行两种粉末的表面成像。
筛分的纯铝(用于比较)和80/20Al-Li合金粉末的成像和粒子筛选表明，纯铝在形态学上名义上等轴，并且80/20Al-Li合金具有不规则的小平面形态，典型地具有尖锐/脆性表面特征。纯铝和Al-Li合金粉末分别具有17.1μm和29.8μm的平均粒度(算术的)，以及19.3μm和33.3μm的体积加权平均粒度(D)。
将所接收的80/20Al-Li合金筛分至-325目(<44μm)以与所接收的纯铝粉末相当。使用异丙醇作为分散介质通过激光衍射(Malvern Mastersizer Hydro 2000μP)测定两种粉末的粒度分布。通过扫描电子显微镜(SEM，FEI Quanta 3D-FEG)进行两种粉末的表面成像。
用于推进剂配制品的组分包括：高氯酸铵(ATK，20μm和200μm)和用芳族聚异氰酸酯(Desmodur，E744)固化的作为粘合剂的HTPB(Firefox，R45)。使用以下配制品来制备大约20克的每种混合物的推进剂：
金属添加剂：26.8％
粗AP，200μm：49.2％
细AP，20μm：12.3％
HTPB(固化剂11.5％)：11.7％
为了与图1A和图1C中的理论性能预测进行比较，这些比率对应于1.60的O/F、69.6％的燃料添加剂重量％和88.3％的固体负载。没有观察到芳族多异氰酸酯固化剂的不相容性，尽管浸湿的推进剂的工作时间短(大约30分钟)。
将推进剂组分在60mL容器(McMaster-Carr 42905T23)中以90％强度共振混合(Resodyn LabRAM共振混合器)10分钟。然后将条填充到直径为5.8mm的圆柱形模具中，并且在室温下在空气中固化大约3天。在通风橱中使用彩色高速照相机(Vision Research，Phantom v7.3)以1000fps研究推进剂的燃烧特性。
实例4-HCl检测–实验装置
将纯铝和Al-Li合金推进剂两者在填充有50ml蒸馏水的封闭130mL不锈钢帕尔池中燃烧(即，湿式炸弹实验)，因为这种方法已被用于先前的研究。在图8中示出湿式炸弹实验的示意图。在氩气中在2.5MPa下燃烧推进剂条(50.0±0.2mg)。在每次湿式炸弹实验之前和之后，用数字pH计(Omega，PHH-37)测量蒸馏水的pH。对于每种推进剂类型，将实验重复三次。
还使用同时的差示扫描量热法/热重分析(DSC/TGA)(Netzsch JupiterSTA449F1)与经由质谱法(MS，Netzsch Aeolos)和傅里叶变换红外吸收(FTIR，BrukerTensor 37)进行的在线气体分析来分析AP的纯粉末(200μm，Firefox)和30/70重量％金属/AP的搅拌混合物。选择金属/AP的30/70重量％比率，因为它类似于实验推进剂的金属/AP比率。对3.1mg Ap样品和4.1mg金属/AP样品进行实验，使得每个样品中含有的AP总量相似。
在开始实验之前，将DSC/TGA仪器的铂炉抽真空并且用吹扫气体回填三次。将样品在40mL min-1的超高纯氩(99.999体积％)的稳定流下，以20℃min-1的加热速率从室温加热到700℃。使用加热(200℃)歧管和二氧化硅毛细管将仪器排气与FTIR和MS仪器相连。经由加热(200℃)的Bruker TGA-IR光管将毛细管与FTIR仪器的液氮冷却MCT检测器接口连接。在DSC/TGA实验过程中，分别使用10至100的质量范围和2cm-1的IR光谱分辨率以大约3℃的温度增量记录MS和IR数据。使用Netzsch Proteus软件、NISTMS、Bruker Opus软件包，以及NIST/EPA MS和FTIR库后处理数据。
实例5-性能和HCl检测–结果
使用湿式炸弹燃烧实验和DSC/TGA结合同时质谱法和FTIR来评估基于Al-Li的推进剂的氯化氢减少。对于湿式炸弹燃烧实验，测量铝推进剂的pH为2.10±0.04，Al-Li推进剂的pH为2.71±0.08。这导致[H+]的75.5±4.8％的减少，这与HCl浓度的相对变化成正比。在这种混合比和压力下，两种推进剂之间的理论HCl减少为91％。可能的是，小型实验由于羽流对低温室壁和水的淬火而抑制推进剂的完全燃烧，从而导致理论值和测量值发生改变。然而，HCl减少仍相当大。此实验已经被证明代表用于量化火箭发动机羽流中的HCl含量的其他方法，并且已经观察到完全燃烧的类似损失。
图5中纯AP的DSC/TGA-MS迹线表明，在大约240℃下存在从斜方到立方的吸热结晶相变(未检测到气体逸出)，其后是在大约300℃下的宽的放热分解(检测到N2O、NO和H2O逸出)。这种宽的分解之后是在大约410℃下开始的快速的热分解(检测到HCl、N2O、NO、H2O、以及O2逸出)，从而导致75％的总质量损失。如图6所示，在添加铝的情况下，类似的趋势是明显的，这表明铝的存在对AP的加热速率分解机理具有很小影响。
如图7所示，当AP存在80/20Al-Li时，AP的放热分解降低到大约180℃(检测到NH3、NO、N2O、以及H2O逸出)，与锂的熔点一致。放热分解后紧接着的是在大约240℃下非常弱的吸热相变(未检测到新的气体逸出)。第二次快速放热分解在360℃下开始(检测到NH3、NO、N2O、H2O、以及O2逸出)，随后在大约420℃下开始第三次放热分解(检测到NH3和O2逸出)。然后放热过程后接着进行的是在大约540℃、600℃和660℃下的三次不同的吸热事件(未检测到新的气体逸出)。在660℃下的最后吸热对应于纯铝的熔融温度；80/20Al-Li合金的熔点为695℃，这表明在660℃之前，可能在180℃的放热下从Al-Li相中提取锂。大约600℃的吸热可能对应于Al-Li相图中的共晶熔点(596℃，26at.％锂)或LiCl的熔点(605℃)，这将表明LiCl形成发生在进行先前放热事件中的一个或多个的温度之前。在Al-Li/AP体系中没有检测到HCl逸出。此外，可能由于LiCl形成，Al-Li合金的存在能够将AP分解显著地从大约300℃降低到180℃(远低于AP晶体相变)。此外，质谱数据显示没有HCl的证据，而图5和图6两者中均检测到HCl。
图9中的FTIR测量确认，纯AP在大约450℃下产生3100-2600cm-1之间的强HCl振动带。然而，从FTIR测量，还明显的是，在大约320℃下存在低水平的HCl形成，这与图5所示的第一次放热一致。在相同温度下几乎相同的HCl振动带在Al/AP FTIR测量中是明显的，这再次表明铝的存在对来自AP分解的加热速率HCl逸出具有很小(如果有的话)的影响。来自Al-Li/AP的3100-2600cm-1之间的FTIR测量结果表明，在180℃和360℃附近在2800cm-1上存在一些宽的吸收特征(与Al-Li/AP放热峰一致)，但在任何温度下均未检测到如纯AP检测到的强烈HCl振动带。对Al-Li/AP图的仔细观察表明，在360℃以上可能存在一些低水平的HCl振动带，但吸收信号水平接近仪器噪声本底，因此不能确认HCl存在。然而，该数据与仅有少量的HCl一致。
Al推进剂与Al-Li推进剂之间的燃烧特性差异很大。在室温和大气压下在空气中进行推进剂测试。纯镀铝推进剂燃烧表面主要是大的明亮的铝液滴从推进剂表面脱落。液滴暂时地悬浮在燃烧表面上方，并且然后渐渐地下降。Al-Li推进剂的特征是大的明亮的品红色火焰和相对较暗的推进剂表面。该品红色火焰指示LiCl发射。观察到非常少的粗液滴从Al-Li表面喷射出。此类液滴因为它们在火箭推进剂中是不期望的，可能导致两相流动损失。
实例6：
在另一个实施例中，可冷冻碾磨Al-Li合金，以便安全地减小所接收的粉末的粒度直到它处于有利的范围。然后可以在用于推进剂混合的制备中将冷冻碾磨的Al-Li合金筛分至期望的粒度分布。
用于复合推进剂配制品的材料可以包括：纯铝粉末、Al-Li合金、高氯酸铵、以及基于聚丁二烯的粘合剂。可以根据表1中概述的不同混合比来混合推进剂。可通过将表1中的粘合剂含量增加到约5％与约25％之间来实现火箭发动机系统中的可行性(例如，可铸性)提高，其中金属与AP比率保持相对恒定。可以经由共振混合、振荡器混合、或物理混合/搅拌来实现推进剂的混合。
实例7-推进剂
制备以下组合的火箭推进剂：
AP：62.963％
Al-Li合金(80/20重量％)：18.594％
铝：3.443％
HTPB粘合剂：15.000％
其中这些材料来源于如实例3所列出。使用刮刀将这些手动混合以制备推进剂。
实例8-微爆炸研究
在本研究中使用根据实例3制备的固体形式火箭推进剂。使用彩色高速照相机(Vision Research，Phantom v7.3)以9900fps以及使用长距离显微镜(Infinity Photo-Optical，K2透镜，CF2物镜)研究了推进剂表面的燃烧特性。在空气中进行成像，并且用绿色发光二极管(LED，型号CREEXPE2-COL-X，具有型号为1000320mm窄点LED透镜)背光照亮推进剂条。使用两个凹球形铝镜(Edmond Optics，152cm焦距)将LED光源扩展并且对准推进剂条后面。
使用CO2激光器(Coherent GEM 100A，10.6μm波长)进行松散粉末样品的激光点火。使用ZnSe平凸聚焦透镜(ThorLabs，型号LA7270-F)聚焦光束，从而产生1.29mm的光斑尺寸直径。将大约2mg粉末(纯Al-Li或Al-Li/AP)放置在瓷砖(OZM Research，Part NumberBFST-Pt-100)上，并且排列成细排(<0.5mm)。使用高速视频(Vision Research，Phantomv7.3)以4000fps以及使用200mm微距透镜(Nikon f/4 AF-D Micro-NIKKOR)观察颗粒燃烧。

Claims (91)

1.一种固体火箭推进剂，该固体火箭推进剂包括其中锂与铝的比率在约14重量％与约34重量％之间的铝-锂配制品、氧化剂和粘合剂。
2.如权利要求1所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比在约14重量％与约30重量％之间。
3.如权利要求2所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比在约14重量％与24重量％之间。
4.如权利要求3所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比在约14重量％与20重量％之间。
5.如权利要求4所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比在约16重量％与18重量％之间。
6.如权利要求5所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比为约17重量％。
7.如权利要求3所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比在约19重量％与21重量％之间。
8.如权利要求7所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比为约20重量％。
9.如权利要求1-8所述的固体火箭推进剂，其中该铝-锂配制品是合金。
10.如权利要求9所述的固体火箭推进剂，其中该合金是结晶。
11.如权利要求1-8所述的固体火箭推进剂，其中该推进剂中该铝-锂配制品的量在约5重量％与40重量％之间。
12.如权利要求11所述的固体火箭推进剂，其中该推进剂中该铝-锂配制品的量在约20重量％与40重量％之间。
13.如权利要求12所述的固体火箭推进剂，其中该推进剂中该铝-锂配制品的量在约20重量％与30重量％之间。
14.如权利要求13所述的固体火箭推进剂，其中该推进剂中该铝-锂配制品的量为约27重量％。
15.如权利要求1-8所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约55重量％与约79重量％之间，并且其中该氧化剂是高氯酸铵。
16.如权利要求15所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约55重量％与约65重量％之间，并且其中该氧化剂是高氯酸铵。
17.如权利要求16所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约55重量％与约65重量％之间，并且其中该氧化剂是高氯酸铵。
18.如权利要求17所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约58重量％与约65重量％之间，并且其中该氧化剂是高氯酸铵。
19.如权利要求18所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约60重量％与约64重量％之间，并且其中该氧化剂是高氯酸铵。
20.如权利要求11所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约55重量％与约79重量％之间，并且其中该氧化剂是高氯酸铵。
21.如权利要求12所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约55重量％与约79重量％之间，并且其中该氧化剂是高氯酸铵。
22.如权利要求13所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约55重量％与约79重量％之间，并且其中该氧化剂是高氯酸铵。
23.如权利要求13所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约55重量％与约79重量％之间，并且其中该氧化剂是高氯酸铵。
24.如权利要求13所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约60重量％与约64重量％之间，并且其中该氧化剂是高氯酸铵。
25.如权利要求24所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂的量在约60重量％与约64重量％之间，并且该推进剂中该铝锂合金的量为约27重量％。
26.如权利要求1-8所述的固体火箭推进剂，其中该粘合剂的量在约5重量％与25重量％之间。
27.如权利要求26所述的固体火箭推进剂，其中该粘合剂是羟基封端的聚丁二烯、羧基封端的聚丁二烯，聚丁二烯丙烯腈、二环戊二烯、聚氨酯、增塑硝化纤维素、缩水甘油基叠氮化物聚合物、氧杂环丁烷聚合物、环氧乙烷聚合物、双叠氮甲基氧杂环丁烷/叠氮甲基甲基氧杂环丁烷或它们的组合。
28.如权利要求1-8所述的固体火箭推进剂，其中该粘合剂是羟基封端的聚丁二烯、羧基封端的聚丁二烯，聚丁二烯丙烯腈、二环戊二烯、聚氨酯、增塑硝化纤维素、缩水甘油基叠氮化物聚合物、氧杂环丁烷聚合物、环氧乙烷聚合物、双叠氮甲基氧杂环丁烷/叠氮甲基甲基氧杂环丁烷或它们的组合，并且以约5重量％与25重量％之间的量存在，并且该配制品是合金。
29.如权利要求28所述的固体火箭推进剂，其中该羟基封端的聚丁二烯以约10重量％与20重量％之间的量存在。
30.如权利要求29所述的固体火箭推进剂，其中该羟基封端的聚丁二烯以约11重量％与15重量％之间的量存在。
31.如权利要求1所述的固体火箭推进剂，其中该推进剂中该铝-锂合金的量在约5重量％与40重量％之间，该氧化剂的量在约55重量％与79重量％之间，并且该粘合剂的量在约5重量％与25重量％之间。
32.如权利要求31所述的固体火箭推进剂，其中该推进剂中该铝-锂合金的量在约20重量％与40重量％之间，该氧化剂的量在约55重量％与约65重量％之间，并且该粘合剂的量在约8重量％与15重量％之间。
33.如权利要求18所述的固体火箭推进剂，其中该推进剂中该铝-锂合金的量在约20重量％与30重量％之间，该氧化剂的量在约58重量％与65重量％之间，并且该粘合剂的量在约10重量％与13重量％之间。
34.如权利要求33所述的固体火箭推进剂，其中该推进剂中该铝-锂合金的量为约27重量％，该氧化剂的量为约61重量％，并且该粘合剂的量为约12重量％。
35.如权利要求31-34所述的固体火箭推进剂，其中该氧化剂是高氯酸铵并且该粘合剂是羟基封端的聚丁二烯。
36.如权利要求31、32、33、或34所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比在约14重量％与约34重量％之间，其中该氧化剂是高氯酸铵并且该粘合剂是羟基封端的聚丁二烯、羧基封端的聚丁二烯，聚丁二烯丙烯腈、二环戊二烯、聚氨酯、增塑硝化纤维素、缩水甘油基叠氮化物聚合物、氧杂环丁烷聚合物、环氧乙烷聚合物、双叠氮甲基氧杂环丁烷叠氮甲基甲基氧杂环丁烷或它们的组合。
37.如权利要求36所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比在约14重量％与30重量％之间。
38.如权利要求37所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比在约14重量％与24重量％之间。
39.如权利要求38所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比率在约14重量％与20重量％之间。
40.如权利要求39所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比率在约16重量％与18重量％之间。
41.如权利要求40所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比为约17重量％。
42.如权利要求39所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比在约19重量％与21重量％之间。
43.如权利要求42所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的质量比为约20重量％。
44.如权利要求36所述的固体火箭推进剂，其中该高氯酸铵包括高氯酸铵的粗粉末和细粉末。
45.一种用于减少固体火箭燃烧中氯化氢形成的方法，该方法包括以下步骤：将嗜盐金属与亲氧金属组合以形成配制品，将该配制品与氧化剂和粘合剂组合以形成推进剂，并且燃烧该推进剂。
46.如权利要求45所述的方法，其中该配制品是合金。
47.如权利要求46所述的方法，其中该亲氧金属是铝、铍、硼、镁、硅、钛、锆、或它们的组合。
48.如权利要求46所述的方法，其中该嗜盐金属是锂、钠、钾、铷或它们的组合。
49.如权利要求46所述的方法，其中该氧化剂是高氯酸铵。
50.如权利要求46所述的方法，其中该粘合剂是羟基封端的聚丁二烯。
51.如权利要求45、46、47、48、49、或50所述的方法，其中该亲氧金属是铝，该嗜盐金属是锂，并且其中该推进剂中该锂与率的比率在约14质量％与约34质量％之间。
52.如权利要求51所述的方法，其中该推进剂中该锂与铝的比率在约14重量％与30重量％之间。
53.如权利要求52所述的方法，其中该推进剂中该锂与铝的比率在约14重量％与24重量％之间。
54.如权利要求53所述的方法，其中该锂与铝的质量比在约14重量％与20重量％之间。
55.如权利要求54所述的方法，其中该锂与铝的质量比在约16重量％与18重量％之间。
56.如权利要求55所述的方法，其中该锂与铝的质量比为约17重量％。
57.如权利要求56所述的方法，其中该锂与铝的质量比在约19重量％与21重量％之间。
58.如权利要求57所述的方法，其中该锂与铝的质量比为约20重量％。
59.一种用于制备固体形式推进剂的方法，该方法包括将嗜盐金属与亲氧金属配制以形成多个配制的亲氧-嗜盐金属颗粒，并且将该配制的亲氧-嗜盐颗粒与含氯氧化剂和粘合剂组合以形成固体形式的推进剂。
60.如权利要求59所述的方法，其中该配制通过制备该嗜盐金属和该亲氧金属的合金来完成。
61.如权利要求59所述的方法，其中该嗜盐金属是锂、钠、钾、铷或它们的组合。
62.如权利要求59所述的方法，其中该亲氧金属是铝、铍、硼、镁、硅、钛、锆、或它们的组合。
63.如权利要求59所述的方法，其中该含氯氧化剂是高氯酸铵。
64.如权利要求59所述的方法，其中该粘合剂是羟基封端的聚丁二烯。
65.如权利要求59、60、61、62、63、或64所述的方法，其中该推进剂中该锂与铝的比率在约14重量％与约34重量％之间。
66.如权利要求65所述的方法，其中该锂与铝的质量比在约14重量％与约30重量％之间。
67.如权利要求66所述的方法，其中该锂与铝的质量比在约14重量％与24重量％之间。
68.如权利要求67所述的方法，其中该锂与铝的质量比在约14重量％与20重量％之间。
69.如权利要求68所述的方法，其中该锂与铝的质量比在约16重量％与18重量％之间。
70.如权利要求69所述的方法，其中该锂与铝的质量比为约17重量％。
71.如权利要求70所述的方法，其中该锂与铝的质量比在约19重量％与21重量％之间。
72.如权利要求71所述的方法，其中该锂与铝的质量比为约20重量％。
73.如权利要求59所述的方法，其中该配制通过制备合金、机械活化或包封来完成。
74.如权利要求73所述的方法，其中该配制通过包封来完成。
75.如权利要求74所述的方法，其中该包封用铝覆盖锂金属的表面。
76.通过如权利要求45-50所述的方法制备的固体火箭推进剂。
77.如权利要求76所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的比率在约16重量％与18重量％之间。
78.如权利要求76所述的固体火箭推进剂，其中该锂与铝的比率在约19重量％与21重量％之间。
79.通过如权利要求35所述的方法制备的固体火箭推进剂。
80.如权利要求1-8所述的固体火箭推进剂，进一步包含添加剂。
81.如权利要求80所述的固体火箭推进剂，其中该添加剂是高能炸药、催化剂、燃烧速率改进剂、或它们的组合。
82.提供一种包含氧化剂、亲氧金属–嗜盐金属合金和粘合剂的含氯固体火箭推进剂，其中在燃烧时基本上没有氯化氢产生。
83.该固体火箭推进剂，其中该合金是Al-Li合金，该氧化剂是高氯酸铵，并且该粘合剂是羟基封端的聚丁二烯、羧基封端的聚丁二烯，聚丁二烯丙烯腈、二环戊二烯、聚氨酯、增塑硝化纤维素、缩水甘油基叠氮化物聚合物、氧杂环丁烷聚合物、环氧乙烷聚合物、双叠氮甲基氧杂环丁烷/叠氮甲基甲基氧杂环丁烷或它们的组合。
84.如权利要求83所述的固体火箭推进剂，其中该合金中该Li与Al的比率在约14％与约20％之间。
85.如权利要求84所述的固体火箭推进剂，其中所产生的氯化氢气体的量小于在该推进剂中对于给定量的高氯酸铵可产生的氯化氢气体最大量的5％。
86.如权利要求85所述的固体火箭推进剂，其中所产生的氯化氢气体的量小于在该推进剂中对于给定量的高氯酸铵可产生的氯化氢气体最大量的3％。
87.如权利要求85所述的固体火箭推进剂，其中所产生的氯化氢气体的量小于在该推进剂中对于给定量的高氯酸铵可产生的氯化氢气体最大量的1％。
88.一种燃烧固体燃料推进剂的方法，其中不形成LMD，该方法包括制备如权利要求1-8或31-34所述的固体燃料推进剂并且燃烧该推进剂。
89.如权利要求1-8所述的固体火箭推进剂，其中该配制品是结晶合金。
90.如权利要求89所述的固体火箭推进剂，其中该结晶相是简单的立方体。
91.如权利要求1-8或31-34所述的固体火箭推进剂，其中该粘合剂是羟基封端的聚丁二烯。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108147934A (zh) * 2018-01-15 2018-06-12 湖北航天化学技术研究所 一种低熔点热塑性固体推进剂及其制备方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG11201707227XA (en) * 2015-03-09 2017-10-30 Purdue Research Foundation Solid-rocket propellants
WO2018222138A1 (en) * 2017-05-30 2018-12-06 Orica International Pte Ltd Explosives composition
EP3826984A4 (en) * 2018-07-23 2022-06-01 Adranos Energetics, LLC SOLID PROPELLANT COATINGS FOR ROCKET
US20200377428A1 (en) 2019-05-31 2020-12-03 United Technologies Corporation Solid Rocket Motor Propellant Manufacture and Configurations
CN111054440B (zh) * 2019-12-02 2023-03-31 西安近代化学研究所 一种用于固体推进剂的石墨烯-二茂铁复合物及其合成方法
IL285325B2 (en) * 2021-08-02 2023-08-01 Powder Fuels Ltd Energetic compositions containing graphene oxide modified with epoxy groups
CN116410043A (zh) * 2021-12-29 2023-07-11 南京理工大学 环保型无壳射钉弹发射药及其制造方法
CN115784822B (zh) * 2022-12-02 2023-12-12 西安近代化学研究所 一种氨基功能化氧化石墨烯/bamo-ammo-etpe复合物的制备方法
CN116947578A (zh) * 2023-08-08 2023-10-27 北京理工大学 一种Al-Li/PTFE/WAX复合含能材料的制备方法

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3133842A (en) 1961-02-02 1964-05-19 United Aircraft Corp Propellant compositions containing oxyphylic and halophylic metals
US3153903A (en) * 1961-04-04 1964-10-27 Jacques C Morrell Lithium rocket propellants and process for using the same
US3133841A (en) 1961-10-19 1964-05-19 United Aircraft Corp Solid propellants
US3788906A (en) 1961-12-28 1974-01-29 Minnesota Mining & Mfg Solid propellant compositions containing lithium passivated by a coating of polyethylene
US3325318A (en) * 1962-02-19 1967-06-13 Trw Inc Fuel system comprising sulfur hexafluoride and lithium containing fuel
US3650855A (en) * 1962-12-19 1972-03-21 Donald G De Long Solid rocket fuel composition containing metal hydride with butyl rubber and method of making same
US3180770A (en) 1963-05-24 1965-04-27 George J Mills Propellant fuel containing magnesium aluminum alloy
US3695952A (en) * 1964-04-30 1972-10-03 Us Army Solid propellant compositions containing hydroxymethyl-terminated polydienes
US4070212A (en) 1964-11-23 1978-01-24 Thiokol Corporation High performance fast burning solid propellant
US3634049A (en) * 1967-01-30 1972-01-11 Ethyl Corp Incendiary composition containing an aluminum alkyl compound
US3755020A (en) * 1968-04-18 1973-08-28 Us Navy Incendiary composition containing lithium and a gelled hydrocarbon carrier
FI842470A (fi) 1984-06-19 1985-12-20 Raikka Oy Hoegenenergiblandning som aer avsedd foer drivaemnen, pyrotekniska blandningar, spraengaemnen eller motsvarande och foerfarande foer dess framstaellning.
US5388518A (en) * 1988-11-10 1995-02-14 Composite Materials Technology, Inc. Propellant formulation and process
US5076868A (en) 1990-06-01 1991-12-31 Thiokol Corporation High performance, low cost solid propellant compositions producing halogen free exhaust
US5801325A (en) 1990-08-02 1998-09-01 Cordant Technologies Inc. High performance large launch vehicle solid propellants
US5180452A (en) 1990-12-27 1993-01-19 Thiokol Corporation Solid propellant formualtions producing acid neutralizing exhaust
US5861571A (en) * 1997-04-18 1999-01-19 Atlantic Research Corporation Gas-generative composition consisting essentially of ammonium perchlorate plus a chlorine scavenger and an organic fuel
US6613168B2 (en) * 2001-05-29 2003-09-02 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy High energy propellant with reduced pollution
US6875294B2 (en) 2001-11-14 2005-04-05 The Regents Of The University Of California Light metal explosives and propellants
IL166797A0 (en) * 2005-02-10 2006-01-15 High-energy materials with encapsulated fluid components
US20070116620A1 (en) 2005-11-21 2007-05-24 Kanazirev Vladislav I Halide scavengers for high temperature applications
US9227883B2 (en) * 2012-07-31 2016-01-05 Purdue Research Foundation Mechanically activated metal fuels for energetic material applications
SG11201707227XA (en) * 2015-03-09 2017-10-30 Purdue Research Foundation Solid-rocket propellants

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108147934A (zh) * 2018-01-15 2018-06-12 湖北航天化学技术研究所 一种低熔点热塑性固体推进剂及其制备方法
CN108147934B (zh) * 2018-01-15 2020-09-18 湖北航天化学技术研究所 一种低熔点热塑性固体推进剂及其制备方法

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