CN108191589A - 一种高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂 - Google Patents

一种高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂 Download PDF

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Abstract

一种高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，包括：由粘合剂和增塑剂组成的粘合剂体系、氧化剂、金属燃料、团聚硼、无定形硼粉、固化剂、燃速催化剂和调节剂，调节剂选自氢化钛、芴、硝酸铵、纳米三氧化二铁、金刚烷、蒽、蒽醌中的一种。各组分的含量范围为：粘合剂体系20wt％‑28wt％；氧化剂20wt％‑28wt％；金属燃料10wt％‑20wt％；无定形硼粉5wt％‑15wt％；团聚硼10wt％‑20wt％；燃速催化剂3wt％‑6wt％；固化剂0.5wt％‑1.5wt％，调节剂0.5wt％‑6wt％。该推进剂能提高燃速压强指数并减少对富燃料推进剂能量性能的负面影响。

Description

一种高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂
技术领域
本发明属于固体火箭冲压发动机用含硼富燃料推进剂技术领域，具体涉及到一种固体火箭冲压发动机用的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂。
背景技术
随着导弹预警及反导技术的发展，现代高技术战争对导弹的突防能力和生存能力提出了更高的要求，提高飞行速度、提高机动性和增加射程是今后战术导弹的重要发展方向，这对导弹的动力装置提出了更高的要求。
固体火箭发动机需自身携带燃料燃烧所需氧化剂，因而推进剂的能量较低。采用固体火箭发动机作为动力装置的导弹，提高其射程必须大幅增加发动机装药量。而固体火箭冲压发动机利用空气中的氧作为主氧化剂，在体积和重量相同的条件下，其比冲和射程远远超过固体火箭发动机导弹。固体火箭冲压发动机的另一个优点是可实现导弹全程有动力飞行，可显著提高导弹的射程、巡航速度、机动性和快速突防能力，实现“超视距”或“防区外”精确打击，是新一代战术空射导弹动力装置的理想选择之一。
固体火箭冲压发动机卓越性能的发挥依赖于其采用的富燃料推进剂的能量性能和燃烧效率，富燃料推进剂能量越高、燃烧效率越高，固体火箭冲压发动机能量及其导弹射程的优势就越大。为提高该类推进剂的能量性能，添加高热值金属燃料是一个重要技术途径。与铝、镁等推进剂常用的金属燃料相比，硼的质量热值(59280kJ/kg)和体积热值(131602MJ/m3)高，含硼富燃料推进剂是目前富燃料推进剂中能量最高的，也是目前唯一能使固体火箭冲压发动机比冲达到10000N·s·kg-1以上的推进能源。
在固体火箭冲压发动机中，含硼富燃料推进剂的能量通过两次燃烧过程释放。首先，在燃气发生器内，含硼富燃料推进剂点火、燃烧，产生由凝聚相和气相组成的高温富燃燃烧产物，这一过程通常称为一次燃烧；含硼富燃料推进剂的部分能量在一次燃烧过程中以热能的形式释放出来，一方面用于维持推进剂稳定的一次燃烧，另一方面用于加热一次富燃燃烧产物；一次富燃燃烧产物通过喷射装置进入补燃室，同时冲压空气从进气道进入补燃室，一次富燃燃烧产物与空气发生掺混、燃烧等物理化学变化，这一过程通常称为二次燃烧；含硼富燃料推进剂的大部分化学潜能在二次燃烧过程中释放出来。
固体火箭冲压发动机在飞行高度变化很大时，会出现高空比冲下降、燃料利用率和燃烧效率降低，为了保持固体火箭冲压发动机良好的推进性能，需要对燃气发生器进行燃气流量调节，可通过调节燃气发生器喷喉面积或提高富燃料推进剂的燃速压强指数来实现。含硼富燃料推进剂的燃速压强指数越高，燃气发生器的流量可调性越好，固体火箭冲压发动机的高度适应性越强。
含硼富燃料推进剂良好的燃烧性能是其工程应用的前提和基础。国内外研究人员采用了多种方法提高硼颗粒的点火和燃烧性能，进而提高含硼富燃料推进剂的燃烧性能。第一种改进方法是向推进剂体系中添加镁、铝、钛、锆等易燃金属，促进硼颗粒的点火和燃烧；第二种改进方法是采用高氯酸钾、高氯酸铵、氟化锂、氟橡胶、硅烷和含能粘合剂等对硼颗粒进行表面包覆，促进硼颗粒燃烧；第三种改进方法是对硼颗粒进行团聚，硼颗粒团聚是提高含硼富燃料推进剂燃速和燃速压强指数的有效手段，在硼颗粒团聚造粒过程中掺入氧化剂或氟化石墨，可显著提高含硼富燃料推进剂的燃速压强指数；第四种改进方法是采用叠氮粘合剂等含能粘合剂，利用它们具有正的标准生成焓、燃烧剧烈等特点，有助于硼颗粒的点火燃烧。
含硼富燃料推进剂的燃速压强指数受配方各组份的综合影响，现有技术中，通常采用在所述推进剂体系中加入团聚硼颗粒、燃速调节剂、调节固体填料粒度级配、调节粘合剂体系增塑剂与粘合剂比例等技术手段，实现提高含硼富燃料推进剂燃速压强指数的目的。
虽然硼颗粒团聚可以有效提高含硼富燃料推进剂的燃速压强指数，但是在工程应用中，含硼富燃料推进剂配方中团聚硼含量确定后，进一步提高含硼富燃料推进剂的燃速压强指数变得非常困难，并且会对含硼富燃料推进剂能量性能产生负面影响。
发明内容
因此，本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，有效提高含硼富燃料推进剂的燃速压强指数的同时减少对推进剂能量性能的负面影响。
根据发明的一个方面，提供了一种高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，它包括：由粘合剂和增塑剂组成的粘合剂体系、氧化剂、金属燃料、团聚硼、无定形硼粉、固化剂和燃速催化剂，更特别的是，本发明的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂中还包括调节剂，所述调节剂选自氢化钛、芴、硝酸铵、纳米三氧化二铁、金刚烷、蒽、蒽醌中的一种。
进一步的，上述调节剂在高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂配方中的含量范围为：0.5wt％-6wt％。
由此可以看出，本发明主要是通过选用调节剂和改变调节剂添加含量，改变中硼含量富燃料推进剂不同压强下的燃速，提高推进剂燃速对压强的敏感程度，从而提高中硼含量富燃料推进剂的燃速压强指数且不对推进剂能量性能产生负面影响。
进一步的，上述粘合剂体系中的粘合剂选自端羟基聚丁二烯(HTPB)、聚端羟基环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚(PET)、聚乙二醇(PEG)和3，3-二叠氮甲基-氧杂环丁烷-四氢呋喃共聚醚(PBT)中的一种或多种的组合；所述粘合剂体系中的增塑剂选自癸二酸二辛脂(DOS)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、丁三醇三硝酸酯(BTTN)、三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)中的一种或多种的组合。
进一步的，上述金属燃料选自镁粉、镁合金粉AZ91D和镁铝合金粉中的一种或多种的组合；优选镁合金粉AZ91D，其参数为：中位粒径为100μm，Mg含量为90.0wt％-91.1wt％，Al含量为8.5wt％-9.5wt％，Zn含量为0.4wt％-0.9wt％。
进一步的，上述无定形硼粉的参数为：中位粒径为0.8-3.0μm，总硼含量≥90wt％，pH值为7.5-9.5，水含量<0.5wt％。
进一步的，上述团聚硼的参数为：中位粒径为280-900μm，总硼含量≥80wt％，pH值为6.5-8.0，水含量<0.5wt％。
上述具有指定参数的镁合金粉AZ91D、无定形硼粉及团聚硼均可通过公开的技术途径获得。
进一步的，上述固化剂选自甲苯二异氰酸酯(TDI)、六次甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和多官能度异氰酸酯(N-100)中的一种或多种的组合。
进一步的，上述燃速催化剂选自2,2-双乙基二茂铁丙烷(GFP)、叔丁基二茂铁(TBF)、正丁基二茂铁(NBF)中的一种或多种的组合；上述氧化剂为高氯酸铵(AP)。
进一步的，上述各组分的含量范围为：粘合剂体系为20wt％-28wt％；氧化剂为20wt％-28wt％；金属燃料为10wt％-20wt％；无定形硼粉为5wt％-15wt％；团聚硼为10wt％-20wt％；燃速催化剂为3wt％-6wt％；固化剂为0.5wt％-1.5wt％；调节剂为0.5wt％-6wt％。
本发明配方中调节剂含量范围为0.5wt％-6wt％，含量低，调节剂与推进剂各组份相容性好，有利于促进硼颗粒燃烧；可在不降低中硼含量富燃料推进剂能量性能的前提下，有效提高中硼含量富燃料推进剂的燃速压强指数。
本发明推进剂配方相比于现有技术能显著提高燃速压强指数的主要原因是，富燃料推进剂组份对燃速压强指数的影响可归结为对燃速的影响，提高推进剂燃速对压强的敏感程度，即可提高燃速压强指数；推进剂燃烧受到化学动力学和扩散的影响，添加氢化钛、芴、硝酸铵、金刚烷、蒽和蒽醌等调节剂，增加了凝聚相反应吸热，同时产气量增加，气相产物浓度增加，气相反应受压强影响的程度增大，从而提高了燃速压强指数。添加纳米三氧化二铁快速提高了推进剂局部气相产物浓度，气相反应受压强影响的程度增大，从而提高了燃速压强指数。
本发明的配方与一般含硼富燃料推进剂配方制备工艺一致，不需另外处理；具有配比科学、制备方便、效果明显和性能稳定的优点。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
一、高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂的不同配方组成及性能
实施例1～实施例6中，发明人根据现有技术中常见推进剂配方组成和含量范围，设计了参照配方，以用于与添加调节剂和/或组分含量调节后形成的本发明高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂配方进行性能对比。配方组成中的物质均可从公开途径获得。
实施例1
(1)推进剂组成
参照配方和本发明推进剂的配方组成如下表1所示，其中的含量以质量百分比计。
表1实施例1中的本发明配方与参照配方组成
(2)含硼富燃料推进剂性能：参照配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.35，氧弹实测热值为-23185.9kJ/kg；本发明配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.44，氧弹实测热值为-23791.4kJ/kg。
实施例2
(1)推进剂组成
参照配方和本发明推进剂的配方组成如下表2所示，其中的含量以质量百分比计。
表2实施例2中的本发明配方与参照配方组成
(2)含硼富燃料推进剂性能：参照配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.35，氧弹实测热值为-23185.9kJ/kg；本发明配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.44，氧弹实测热值为-24086.5kJ/kg。
实施例3
(1)推进剂组成
参照配方和本发明推进剂的配方组成如下表3所示，其中的含量以质量百分比计。
表3实施例3中的本发明配方与参照配方组成
(2)含硼富燃料推进剂性能：参照配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.35，氧弹实测热值为-23185.9kJ/kg；本发明配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.42，氧弹实测热值为-24043.6kJ/kg。
实施例4
(1)推进剂组成
参照配方和本发明推进剂的配方组成如下表4所示，其中的含量以质量百分比计。
表4实施例4中的本发明配方与参照配方组成
(2)含硼富燃料推进剂性能：参照配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.35，氧弹实测热值为-23185.9kJ/kg；本发明配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.46，氧弹实测热值为-23739.1kJ/kg。
实施例5
(1)推进剂组成
参照配方和本发明推进剂的配方组成如下表5所示，其中的含量以质量百分比计。
表5实施例5中的本发明配方与参照配方组成
(2)含硼富燃料推进剂性能：参照配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.35，氧弹实测热值为-23185.9kJ/kg；本发明配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.44，氧弹实测热值为-23937.4kJ/kg。
实施例6
(1)推进剂组成
参照配方和本发明推进剂的配方组成如下表6所示，其中的含量以质量百分比计。
表6实施例6中的本发明配方与参照配方组成
(2)含硼富燃料推进剂性能：参照配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.35，氧弹实测热值为-23185.9kJ/kg；本发明配方的推进剂在0.5-2.0MPa下的燃速压强指数为0.38，氧弹实测热值为-23269.9kJ/kg。
二、高燃速压强指数含硼富燃料推进剂性能测试方法
采用静态燃速仪，根据国军标GJB770B-2005《火药试验方法：方法706.1燃速靶线法》，测试上述实施例中的推进剂在0.5MPa、1.0MPa和2.0MPa三个压强下的燃速，根据维也里经验公式r＝aPn拟合压强和燃速的关系，得到燃速压强指数n。
采使用氧弹式量热仪，参照国军标GJB5891.28-2006《火工品药剂试验方法第28部分：燃烧热和爆热测定》，在氧气气氛下测试上述实施例中的推进剂的定容燃烧热，氧弹内氧气压强为3.0MPa，充气时间为60s。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，它包括：由粘合剂和增塑剂组成的粘合剂体系、氧化剂、金属燃料、团聚硼、无定形硼粉、固化剂和燃速催化剂，其特征在于，它还包括调节剂，所述调节剂选自氢化钛、芴、硝酸铵、纳米三氧化二铁、金刚烷、蒽、蒽醌中的一种。
2.如权利要求1所述的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，其特征在于，所述调节剂在高燃速压强指数含硼富燃料推进剂配方中的含量范围为：0.5wt％-6wt％。
3.如权利要求2所述的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，其特征在于，所述粘合剂体系中的粘合剂选自端羟基聚丁二烯、聚端羟基环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚、聚乙二醇和3，3-二叠氮甲基-氧杂环丁烷-四氢呋喃共聚醚中的一种或多种的组合；所述粘合剂体系中的增塑剂选自癸二酸二辛脂、邻苯二甲酸二丁酯、丁三醇三硝酸酯和三羟甲基乙烷三硝酸酯中的一种或多种的组合。
4.如权利要求2所述的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，其特征在于，所述金属燃料选自镁粉、镁合金粉AZ91D和镁铝合金粉中的一种或多种的组合。
5.如权利要求4所述的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，其特征在于，所述金属燃料为镁合金粉AZ91D，其参数为：中位粒径为100μm，Mg含量为90.0wt％-91.1wt％，Al含量为8.5wt％-9.5wt％，Zn含量为0.4wt％-0.9wt％。
6.如权利要求2所述的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，其特征在于，所述无定形硼粉的参数为：中位粒径为0.8-3.0μm，总硼含量≥90wt％，pH值为7.5-9.5，水含量<0.5wt％。
7.如权利要求2所述的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，其特征在于，所述团聚硼的参数为：中位粒径为280-900μm，总硼含量≥80wt％，pH值为6.5-8.0，水含量<0.5wt％。
8.如权利要求2所述的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，其特征在于，所述固化剂选自甲苯二异氰酸酯、六次甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和多官能度异氰酸酯中的一种或多种的组合。
9.如权利要求2所述的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，其特征在于，所述燃速催化剂选自2,2-双乙基二茂铁丙烷、叔丁基二茂铁和正丁基二茂铁中的一种或多种的组合；所述氧化剂为高氯酸铵。
10.如权利要求2所述的高燃速压强指数中硼含量富燃料推进剂，其特征在于，除调节剂外的各组分的含量范围为：粘合剂体系为20wt％-28wt％；氧化剂为20wt％-28wt％；金属燃料为10wt％-20wt％；无定形硼粉为5wt％-15wt％；团聚硼为10wt％-20wt％；燃速催化剂为3wt％-6wt％；固化剂为0.5wt％-1.5wt％。
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