CN109206287A - 一种压装型高密度富燃料推进剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于固体火箭冲压发动机的压装型高密度富燃料推进剂及其制备方法，包括组份：氧化剂，30%～45%；燃料，45%～60%；粘结剂，3%～6%；增塑剂，1%～3%；钝感剂，1%～3%；燃烧催化剂，0.5～2%。本发明的推进剂无需固化交联，生产周期短，成本低，能耗低，解决了现有浇注型高固体含量（固体含量大于88%）富燃料推进剂工艺性差的问题。本发明推进剂可压性较好，常温单向压制，比压低于240MPa时，药柱（Ф40mm）的密度为理论密度的97.5%。本发明推进剂能量与密度高，推进剂的密度大于2.0g/cm3，热值大于45MJ/kg，一次喷射效率大于96%，0～10MPa，压力指数小于0.55。

Description

一种压装型高密度富燃料推进剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于固体火箭冲压发动机的压装型高密度富燃料推进剂，属于复合推进剂领域。
背景技术
富燃料推进剂又称贫氧推进剂，含有相对较少的氧化剂和较多的金属可燃剂而具有高的能量特性。贫氧固体推进剂是固体火箭冲压发动机的动力之源，主要由氧化剂和燃料组成,因贫氧富燃能够利用空气中的氧气，增加了高能燃料的含量、减少了氧化剂比重而具有更高的有效载荷，同时又减轻了发动机的质量，不仅经济而且大大提高了发动机的比冲、延长了导弹的射程。固体冲压发动机的卓越性能是以贫氧推进剂的高能量特性为基础的，贫氧推进剂能量越高则固体冲压发动机潜在的优势越大。
20世纪60年代以来，世界各国竞相研制固体火箭冲压发动机技术，研究背景涉及地空、空空、反舰和反辐射等导弹，在某些背景型号中就明确提出了采用流量可调固体火箭冲压发动机的需求。前苏联的SAM-6是迄今为止唯一采用整体式固体火箭冲压发动机并经过实战考验的战术导弹，其组成为：64%Mg，24%NaNO3，7.8%萘，2.7%石墨；其热值为18.8MJ/kg，比冲约为5000N·s/kg。
浇注型碳氢富燃料推进剂Arcadene 399是美国第一种真正经过试验演示的工程化少烟推进剂，其热值为21.4MJ/kg。法国SNPE研制的碳氢富燃料推进剂的主要组成为：52%碳氢物质，38%AP，添加剂为10%，其密度为1.267g/cm3，压强指数为0.6。
发明内容
本发明提供了一种用于固体火箭冲压发动机的压装型高密度富燃料推进剂，本发明的推进剂无需固化交联过程，生产周期短，成本低，能耗低，解决了现有浇注型高固体含量（固体含量大于88%）富燃料推进剂工艺性差的问题。该推进剂可压性较好，常温单向压制，比压低于240MPa时，药柱（Ф40mm）的密度为理论密度的97.5%。该推进剂能量与密度高，推进剂的密度大于2.0g/cm3，热值大于45MJ/kg，一次喷射效率大于96%，0～10MPa，压力指数小于0.55。
本发明还提供了上述压装型高密度富燃料推进剂的制备方法。
本发明的技术方案包括如下质量配比的组份：
氧化剂：30%～45%；
燃料：45%～60%；
粘结剂：3%～6%；
增塑剂：1%～3%；
钝感剂：1%～3%；
燃烧催化剂：0.5～2%。
本发明所述组份的优选配比为：
氧化剂：35%～45%；
燃料：50%～60%；
粘结剂：3%～6%；
增塑剂：1%～3%；
钝感剂：1%～3%；
燃烧催化剂：0.5～2%。
所述氧化剂为KDN（二硝酰胺钾），ADN（二硝酰胺铵），AP（高氯酸铵），KP（高氯酸钾）中的一种或组合；氧化剂采取了颗粒级配，粗颗粒氧化剂的粒度d50为200～300μm，占氧化剂总质量的60%～80%，细颗粒的氧化剂的粒度d50为90～180μm，占氧化剂总质量的20%～40%。
所述燃料为硼（B）粉，铝粉，镁粉，硼镁合金，硼铝合金，硼镍合金，锆粉（Zr），钛粉，碳化硅（SiC），炭粉，铝镁合金的一种或组合；燃料采取了颗粒级配，粗颗粒的燃料的粒度d50为20～40μm，占燃料总质量的25%～45%，细颗粒的燃料的粒度d50为1～15μm，占燃料总质量的55%～75%。
所述的粘结剂为F23橡胶，F26橡胶，F246橡胶，氟硅橡胶，偏氟醚橡胶，聚四氟乙烯（PTFE），含氟树脂，PAMMO（聚3-叠氮甲基-3-甲基环氧丁烷），PBAMO(聚3,3-双叠氮甲基氧杂丁烷)，BAMO-THF（3,3-双（叠氮甲基）氧杂环丁烷-四氢呋喃）共聚物，BAMO-GAP（3,3-双（叠氮甲基）氧杂环丁烷-聚叠氮缩水甘油醚）共聚物，AMMO-GAP共聚物，BAMO-AMMO的共聚物，PNMMO（聚3-硝酸酯甲基-3-甲基氧杂环丁烷）一种或组合。
所述的增塑剂为BuNENA（N–丁基硝氧乙基硝胺），BDNPF/A为由双(2, 2–二硝基丙基)缩甲醛和双(2, 2–二硝基丙基)缩乙醛组成的混合物；TMETN（三羟甲基乙烷三硝酸酯），TA（三乙酸甘油酯）、ATBC（乙酰柠檬酸三丁酯），已二酸二辛酯（DOA），全氟油中的一种或组合。
所述的钝感剂为石墨，石蜡，聚乙烯蜡，石墨烯，聚丙烯蜡，液体石蜡中的一种或组合。
所述的燃烧催化剂为Fe2O3、Cr2O3、辛基二茂铁、卡托辛、草酸铵的一种或组合。
本发明的制备方法为：
（1）将所述组分按上述所选定配方比例称量；首先粘结剂溶解，然后加入钝感剂，氧化剂，燃料及其他组分，
（2）将上述组分依次加入到立式混合机中进行混合，混合温度50℃~70℃，混合时间70min~90min，得料浆；
（3）将料浆进行造粒，过16目筛，干燥得到推进剂。
本发明所述的溶剂为乙酸乙酯，四氢呋喃，环已烷，二氯甲烷，丙酮中的一种或组合；溶剂与粘结剂的质量比为1:4。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
1）解决了易吸湿组分在推进剂中的应用的问题，推进剂无需固化交联过程，不存在适用期的问题，生产周期短，可以连续化生产，成本低，能耗低；
2）解决了浇注型高固体含量（固体含量大于88%）富燃料推进剂工艺性差的问题；
3）该推进剂可压性较好，常温单向压制，比压低于240MPa时，药柱（Ф40mm）的密度为理论密度的97.5%；
4）本发明所得的推进剂密度高，密度大于2.0g/cm3；
5）本发明所得的推进剂能量高，其热值大于45MJ/kg；
6）本发明所得的推进剂的喷射效率高，一次喷射效率大于96%；
7）本发明所得的推进剂具有压力指数低的特点，0～10MPa，其压力指数小于0.55。
具体实施方式
实施例1
一种压装型高密度富燃料推进剂，其配方组成（按质量百分比计算）如下：
粘结剂：F23橡胶，3.5%；聚四氟乙烯，1.5%；
氧化剂：AP，15%，d50为298um；
氧化剂：KP，15%；d50为288um的KP含量为7%，d50为120um的KP含量为8%；
燃料：B粉，45%；d50为30um的B粉含量为24%，d50为5um的B粉含量为21%；
燃料：镁粉，5%，d50为10um；铝粉，10%，d50为5um；
增塑剂：TA，1%；
钝感剂：石墨，0.5%；石蜡，1.5%；
燃烧催化剂：，Fe2O3，1%；卡托辛，1%。
制备方法为：
（1）将F23橡胶用乙酸乙酯溶剂溶解，F23橡胶与溶剂重量比为1:4，配置成胶液；按配比称量上述各组分；
（2）将胶液，聚四氟乙烯、钝感剂，增速剂，燃烧催化剂，加入到立式混合机中混合5～10min，然后加入氧化剂混合30～40min，然后加入燃料混合30～40min；混合温度为60℃；
（3）将料浆进行造粒，过16目筛，干燥得到推进剂；
该推进剂的性能如下：
理论密度为2.202g/cm3，药柱（Ф40mm）密度为2.147g/cm3，热值为48.86MJ/kg，压力指数为0.46。
实施例2
一种压装型高密度富燃料推进剂，其配方组成（按质量百分比计算）如下：
粘结剂：BAMO-GAP共聚物，3%；
氧化剂：KP，20%，d50为288um；
氧化剂：AP，15%；d50为298um的AP含量为7%，d50为100um的AP含量为8%；
燃料：B粉，45%；d50为30um的B粉含量为22%，d50为5um的B粉含量为23%；
燃料：镁铝合金，10%，d50为10um；Zr，3%，d50为5um；
增塑剂：BDNPF/A，1%；
钝感剂：石墨烯，1%；石墨，1%；
燃烧催化剂：1%，辛基二茂铁。
该推进剂的性能如下：
理论密度为2.174g/cm3，药柱（Ф40mm）密度为2.120g/cm3，热值为45.28MJ/kg，压力指数为0.42，快速烤燃、慢速烤燃试验与子弹撞击试验的响应等级均为燃烧。
制备方法为：
（1）将BAMO-GAP共聚物用丙酮与四氢呋喃复合溶剂溶解，BAMO-GAP共聚物与溶剂重量比为1:4，配置成胶液；按配比称量上述各组分；
（2）将胶液，钝感剂，增速剂，燃烧催化剂，加入到立式混合机中混合5～10min，然后加入氧化剂混合30～40min，然后加入燃料混合30～40min；混合温度为65℃；
（3）将料浆进行造粒，过16目筛，干燥得到推进剂。
实施例3
一种压装型高密度富燃料推进剂，其配方组成（按质量百分比计算）如下：
粘结剂：BAMO-THF共聚物，6%；
氧化剂：AP，20%，d50为298um；
氧化剂：KP，25%；d50为288um的KP含量为13%，d50为120um的KP含量为12%；
燃料：B粉，40%；d50为30um的B粉含量为25%，d50为5um的B粉含量为15%；
燃料：镁铝合金，5%；d50为10um；
增塑剂：BuNENA，2%；
燃烧催化剂：辛基二茂铁，0.5%；卡托辛，0.5%；
钝感剂：石蜡，0.5%；聚乙烯蜡，0.5%；
该推进剂的性能如下：
理论密度为2.09g/cm3，药柱（Ф40mm）密度为2.038g/cm3，热值为46.62MJ/kg，压力指数为0.39，快速烤燃、慢速烤燃试验与子弹撞击试验的响应等级均为燃烧。
制备方法为：
（1）将BAMO-THF共聚物用四氢呋喃溶剂溶解，BAMO-THF共聚物与溶剂重量比为1:4，配置成胶液；按配比称量上述各组分；
（2）将胶液，钝感剂，增速剂，燃烧催化剂，加入到立式混合机中混合5～10min，然后加入氧化剂混合30～40min，然后加入燃料混合30～40min；混合温度为68℃；
（3）将料浆进行造粒，过16目筛，干燥得到推进剂。
实施例4
一种压装型高密度富燃料推进剂，其配方组成（按质量百分比计算）如下：
粘结剂：BAMO-AMMO的共聚物，4%；
氧化剂：AP，15%；d50为298um
氧化剂：KP，17%；d50为288um的KP含量为8%，d50为120um的KP含量为9%；
燃料：B粉，48%； d50为30um的B粉含量为22%，d50为5um的B粉含量为26%；
燃料：镁铝合金，8% ，d50为10um；ZrH2，4% ,d50为10um；
增塑剂：BDNPF/A，1%；
钝感剂：石蜡；1.5%，石墨，0.5%；
燃烧催化剂：辛基二茂铁；1%。
该推进剂的性能如下：
理论密度为2.20g/cm3，药柱（Ф40mm）密度为2.145g/cm3，热值为46.56MJ/kg，压力指数为0.40，快速烤燃、慢速烤燃试验与子弹撞击试验的响应等级均为燃烧。
制备方法为：
（1）将BAMO-AMMO共聚物用二氯甲烷与丙酮复合溶剂溶解，BAMO-AMMO共聚物与溶剂重量比为1:4，配置成胶液；按配比称量上述各组分；
（2）将胶液，钝感剂，增速剂，燃烧催化剂，加入到立式混合机中混合5～10min，然后加入氧化剂混合30～40min，然后加入燃料混合30～40min；混合温度为60℃；
（3）将料浆进行造粒，过16目筛，干燥得到推进剂。
实施例5
一种压装型高密度富燃料推进剂，其配方组成（按质量百分比计算）如下：
粘结剂：BAMO-GAP共聚物，6%；
氧化剂：ADN，10% ,d50为298um;
氧化剂：KP，25%；d50为288um的KP含量为8%，d50为120um的KP含量为9%；
燃料：B粉，45%； d50为30um的B粉含量为20%，d50为5um的B粉含量为25%；
燃料：ZrH2，6%，d50为10um；硼铝合金，5%，d50为5um；
增塑剂：BuNENA，1%；
钝感剂：石蜡，0.5%；石墨烯，0.5%；
燃烧催化剂：卡托辛，1%。
制备方法为：
（1）将BAMO-GAP共聚物用四氢呋喃环已烷复合溶剂溶解，BAMO-GAP共聚物与溶剂重量比为1:4，配置成胶液；按配比称量上述各组分；
（2）将胶液，钝感剂，增速剂，燃烧催化剂，加入到立式混合机中混合5～10min，然后加入氧化剂混合30～40min，然后加入燃料混合30～40min；混合温度为60℃；
（3）将料浆进行造粒，过16目筛，干燥得到推进剂；
该推进剂的性能如下：
理论密度为2.17g/cm3，药柱（Ф40mm）密度为2.116g/cm3，热值为45.86MJ/kg，压力指数为0.45，快速烤燃、慢速烤燃试验与子弹撞击试验的响应等级均为燃烧。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种压装型高密度富燃料推进剂，其特征在于包括如下质量配比的组份：
氧化剂：30%～45%；
燃料：45%～60%；
粘结剂：3%～6%；
增塑剂：1%～3%；
钝感剂：1%～3%；
燃烧催化剂：0.5～2%。
2.根据权利要求1的所述的一种压装型高密度富燃料推进剂，其特征在于：所述组份的配比为：
氧化剂：35%～45%；
燃料：50%～60%；
粘结剂：3%～6%；
增塑剂：1%～3%；
钝感剂：1%～3%；
燃烧催化剂：0.5～2%。
3.根据权利要求1或2所述的一种压装型高密度富燃料推进剂，其特征在于：所述氧化剂为二硝酰胺钾（KDN）、二硝酰胺铵（ADN）、高氯酸铵（AP）、高氯酸钾（KP）中的一种或组合；所述氧化剂采取了颗粒级配，粗颗粒氧化剂的粒度d50为200～300μm，占氧化剂总质量的60%～80%，细颗粒氧化剂的粒度d50为90～180μm，占氧化剂总质量的20%～40%。
4.根据权利要求1或2所述的一种压装型高密度富燃料推进剂，其特征在于：所述燃料为硼（B）粉，铝粉，镁粉，硼镁合金，硼铝合金，硼镍合金，锆粉（Zr），钛粉，碳化硅（SiC），炭粉，铝镁合金的一种或组合；所述燃料采取了颗粒级配，粗颗粒燃料的粒度d50为20～40μm，占燃料总质量的25%～45%，细颗粒的燃料的粒度d50为1～15μm，占燃料总质量的55%～75%。
5.根据权利要求1或2所述的一种压装型高密度富燃料推进剂，其特征在于：所述粘结剂为氟橡胶、聚四氟乙烯（PTFE）、含氟树脂、聚3-叠氮甲基-3-甲基环氧丁烷（PAMMO）、聚3,3-双叠氮甲基氧杂丁烷（PBAMO)、 3,3-双（叠氮甲基）氧杂环丁烷-四氢呋喃（BAMO-THF）共聚物、3,3-双（叠氮甲基）氧杂环丁烷-聚叠氮缩水甘油醚（BAMO-GAP）共聚物，AMMO-GAP共聚物，BAMO-AMMO的共聚物，聚3-硝酸酯甲基-3-甲基氧杂环丁烷（PNMMO）中一种或组合。
6.根据权利要求1或2所述的一种压装型高密度富燃料推进剂，其特征在于：所述增塑剂为N-丁基硝氧乙基硝胺（BuNENA）、BDNPF/A[双(2,2-二硝基丙基)缩甲醛和双(2, 2-二硝基丙基)缩乙醛组成的混合物]、三羟甲基乙烷三硝酸酯（TMETN）、三乙酸甘油酯（TA）、乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）、癸二酸二辛酯（DOA）全氟油中的一种或组合。
7.根据权利要求1或2所述的一种压装型高密度富燃料推进剂，其特征在于：所述的钝感剂为石墨，石蜡，聚乙烯蜡，石墨烯，聚丙烯蜡，液体石蜡中的一种或组合。
8.根据权利要求1或2所述的一种压装型高密度富燃料推进剂，其特征在于：所述的燃烧催化剂为Fe2O3、Cr2O3、辛基二茂铁、卡托辛、草酸铵的一种或组合。
9.一种权利要求1至8所述压装型高密度富燃料推进剂的制备方法，其特征在于：
（1）将所述组分按上述所选定配方比例称量；首先将粘结剂溶解，然后加入钝感剂，氧化剂，燃料及其他组分；
（2）将上述组分依次加入到立式混合机中进行混合，混合温度50℃~70℃，混合时间70min~90min，得料浆；
（3）将料浆进行造粒，过16目筛，干燥得到推进剂。
10.根据权利要求9所述的一种压装型高密度富燃料推进剂，其特征在于：所述的溶剂为乙酸乙酯，四氢呋喃，环已烷，二氯甲烷，丙酮中的一种或组合；溶剂与粘结剂的质量比为1:4。
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