CN109384636B - 一种碳氢富燃料推进剂及其制备方法 - Google Patents

一种碳氢富燃料推进剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳氢富燃料推进剂，包括如下质量百分含量的组分：碳氢燃料：20～45％；氧化剂：27～41％；金属燃料：3～20％；粘合剂体系：15～25％；功能助剂：2～7％；其中，所述碳氢燃料为稠环芳香烃化合物，所述粘合剂体系包括粘合剂和固化剂。本发明还公开了一种碳氢富燃料推进剂的制备方法。本发明通过将具有弱极性且在常温下不升华的稠环芳香烃化合物作为碳氢燃料引入到富燃料推进剂配方，彻底杜绝了推进剂储存过程中因碳氢燃料升华导致的推进剂结构破坏，大大提高了推进剂的储存性能，改善了推进剂的燃烧性能，提高了能量释放效率，减少了凝聚相的产生，满足了固体冲压发动机对推进剂能量、工艺、燃烧等性能的要求。

Description

一种碳氢富燃料推进剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及富燃料推进剂技术领域，具体涉及一种碳氢富燃料推进剂及其制备方法。
背景技术
二十一世纪以来，世界各国都非常重视超视距非接触作战，因而能在宽广空域范围内进行超声速、高机动飞行、执行远距离目标攻击任务的新一代战术导弹的作用与地位日益突出。新型高性能飞行器的发展要求推进系统具有高航速、大载荷、远航程、小体积、低质量、结构简单、高度灵活等特点，这对于推进系统的性能提出了更高的要求。
固冲发动机有机地结合了固体火箭发动机和吸气式发动机的优点。利用空气中的氧气作氧化剂，大幅度提高了推进剂的能量；采用内型面压缩进气原理，省略了旋转部件等复杂结构，发动机结构得到简化。因此，以固冲发动机为动力的导弹具有体积小、重量轻、射程远的特点，可以实现全程有动力飞行，增强导弹的突防能力和末段攻击能力。
固冲发动机使用富燃料推进剂作为动力源，其中燃料含量达到30～50％，因此燃料性能是决定固冲发动机潜在优异性能能否充分发挥的关键因素之一，含硼富燃料推进剂具有很高的热值，是固冲发动机的首选推进剂，但是，由于硼自身的某些特性，制约了其在某些特殊领域中的应用。
为弥补含硼富燃料推进剂在某些应用领域中的不足，拓展固冲发动机的应用范围，西方发达国家都在大力发展点火性能优良、燃烧效率高、燃温适中、成气量高、凝聚相少、燃气相对洁净且残渣少的固体碳氢富燃料推进剂。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种碳氢富燃料推进剂及其制备方法，通过将稠环芳香烃化合物作为碳氢燃料引入富燃料推进剂配方中，改善了推进剂的燃烧性能，提高了能量释放效率，减少了凝聚相的产生，满足了固体冲压发动机对推进剂能量、工艺、燃烧等性能的要求。
本发明涉及如下技术方案：
一种碳氢富燃料推进剂，包括如下质量百分含量的组分：
碳氢燃料：20～45％；
氧化剂：27～41％；
金属燃料：3～20％；
粘合剂体系：15～25％；
功能助剂：2～7％；
其中，所述碳氢燃料为稠环芳香烃化合物，所述粘合剂体系包括粘合剂和固化剂。
优选地，所述稠环芳香烃化合物的粒径不大于400μm。
优选地，所述稠环芳香烃化合物为蒽、联二蒽、荧蒽、苯并芘、茚并芘、二苯并芘、聚茚、二苯并芴、二苯并苊、间二蒽嵌四并苯、三苯基苯中的一种或组合。
优选地，所述氧化剂为高氯酸铵、高氯酸钾、硝酸铵、硝酸钾、三氨基胍硝酸盐中的一种或组合，其粒径为0.5～400μm。
优选地，所述金属燃料为铝、镁、硼中的一种或组合，其粒径为1～40μm。
优选地，所述粘合剂为端羟基聚丁二烯或端羟基聚醚酯中的一种或组合。
优选地，所述固化剂为六甲撑二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种或组合。
优选地，所述功能助剂为硝酸酯乙基硝胺、卵磷脂、柠檬酸酯、甘油三碳酸酯、癸二酸二异辛酯、三[1-(2-甲基)氮丙啶基]氧化膦、三苯基铋、乙酰丙酮铁、三氟化硼三乙醇胺、氧化铁、辛基二茂铁、3-氨基1,2,4-三唑络高氯酸铜、N,N-二苯基对苯二胺、N-苯基-2-萘胺、N-苯基-N-环己烷基对苯二胺中的一种或组合。
本发明还公开了一种碳氢富燃料推进剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)称量：在干燥的环境中精确称量各组分，待用；
(2)混合：将功能助剂加入到粘合剂中手工混匀得预混药浆，接着将金属燃料、碳氢燃料、氧化剂依次加入到立式混合机中混合均匀，然后加入固化剂继续混合，控制混合温度，待体系完全混合均匀出料；
(3)浇注、固化：将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得推进剂产品。
优选地，所述步骤(2)中控制混合温度为30℃～50℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过将稠环芳香烃化合物作为碳氢燃料引入富燃料推进剂配方，解决了因氧化剂含量较低所导致的点火温度高、燃烧效率低、凝聚相多的问题，彻底杜绝了推进剂储存过程中因碳氢燃料升华导致的推进剂结构破坏，大大提高了推进剂的储存性能。
2、本发明所采用的稠环芳香烃化合物来源广泛、合成简单，易于放大生产，大大提高了碳氢推进剂的研制进程。
3、本发明所制备的碳氢富燃料推进剂，改善了推进剂的燃烧性能，提高了能量释放效率，减少了凝聚相的产生，点火性能优良、燃烧效率高、凝聚相少、成气量高、燃气洁净且残渣少。
4、本发明公开的碳氢富燃料推进剂可应用于多种先进吸气式动力装置，应用更加广泛。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实例对本发明的技术方案进行以下详细说明，本发明未描述的技术手段按本领域内常规方式进行，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明公开了一种碳氢富燃料推进剂，包括如下质量百分含量的组分：
碳氢燃料：20～45％；
氧化剂：27～41％；
金属燃料：3～20％；
粘合剂体系：15～25％；
功能助剂：2～7％。
所述碳氢燃料为稠环芳香烃化合物，可作为碳氢燃料的稠环芳香烃化合物具有弱极性，并且在常温下不升华，使得推进剂的结构不易被破坏，所述稠环芳香烃化合物为蒽、联二蒽、荧蒽、苯并芘、茚并芘、二苯并芘、聚茚、二苯并芴、二苯并苊、间二蒽嵌四并苯、三苯基苯中的一种或组合，其粒径不大于400μm。
所述氧化剂为高氯酸铵(AP)、高氯酸钾(KP)、硝酸铵(AN)、硝酸钾(KN)、三氨基胍硝酸盐(TAGN)中的一种或组合，其粒径为0.5～400μm。
所述金属燃料为铝(Al)、镁(Mg)、硼(B)中的一种或组合，其粒径为1～40μm。
所述粘合剂体系包括粘合剂和固化剂，所述粘合剂为端羟基聚丁二烯(HTPB)或端羟基聚醚酯(HPGA)中的一种或组合，所述固化剂为六甲撑二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)或4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)中的一种或组合。
所述功能助剂为硝酸酯乙基硝胺(NENA)、卵磷脂、柠檬酸酯、甘油三碳酸酯、癸二酸二异辛酯(DOS)、三[1-(2-甲基)氮丙啶基]氧化膦(MAPO)、三苯基铋(TPB)、乙酰丙酮铁(FeAA)、三氟化硼三乙醇胺(T313)、氧化铁(Fe2O3)、辛基二茂铁、3-氨基1,2,4-三唑络高氯酸铜、N,N-二苯基对苯二胺、N-苯基-2-萘胺、N-苯基-N-环己烷基对苯二胺中的一种或组合。
本发明还公开了一种碳氢富燃料推进剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)称量：在干燥的环境中精确称量各组分，待用；
(2)混合：将功能助剂加入到粘合剂中手工混匀得预混药浆，接着将金属燃料、碳氢燃料、氧化剂依次加入到立式混合机中混合均匀，然后加入固化剂继续混合，控制混合温度30℃～50℃，混合时间70min～110min，待体系完全混合均匀出料；
(3)浇注、固化：将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化5～8天得推进剂产品。
针对碳氢燃料固体推进剂的特性，调整碳氢富燃料推进剂的相关性能，可使其广泛应用于多种先进吸气式动力装置，如固体超燃冲压发动机、固体推进剂空气涡轮火箭发动机(SPATR)、流量可调固体火箭冲压发动机(VFDR)、固体燃料冲压发动机(SFRJ)、双模态冲压发动机(DMRJ)等。
实施例1
(1)推进剂配方
Figure BDA0001921910430000051
(2)推进剂性能
Figure BDA0001921910430000052
从实施例1可以得知，实测热值＝29.5MJ·L-1、燃烧效率＝95.1％，燃烧性能优良。
实施例2
(1)推进剂配方
Figure BDA0001921910430000061
(2)推进剂性能
Figure BDA0001921910430000062
从实施例2可以得知，实测热值＝31.9MJ·L-1、燃烧效率＝96.0％，燃烧性能优良。
实施例3
(1)推进剂配方
Figure BDA0001921910430000063
(2)推进剂性能
Figure BDA0001921910430000071
从实施例3可以得知，实测热值＝27.5MJ·L-1、燃烧效率＝95.8％，燃烧性能优良。
实施例4
(1)推进剂配方
Figure BDA0001921910430000072
(2)推进剂性能
Figure BDA0001921910430000073
从实施例4可以得知，实测热值＝27.0MJ·L-1、燃烧效率＝96.5％，燃烧性能优良。
实施例5
(1)推进剂配方
Figure BDA0001921910430000081
(2)推进剂性能
Figure BDA0001921910430000082
从实施例5可以得知，实测热值＝32.7MJ·L-1、燃烧效率＝96.9％，燃烧性能优良。
参比实施例1
(1)推进剂配方
Figure BDA0001921910430000083
Figure BDA0001921910430000091
(2)推进剂性能
Figure BDA0001921910430000092
从参比实施例1可以看出，现有含硼的富燃料推进剂实测热值较低，燃烧效率为75.5％，推进剂性能差，本发明与现有含硼的富燃料推进剂相比燃烧效率显著提高，改善了推进剂的燃烧性能。
参比实施例2
(1)推进剂配方
Figure BDA0001921910430000093
(2)推进剂性能
Figure BDA0001921910430000094
从参比实施例2可以看出，现有含硼的富燃料推进剂的燃烧效率在90％左右，本发明与现有含硼的富燃料推进剂相比燃烧效率大大提高，改善了推进剂的燃烧性能。
本发明提供了一种碳氢富燃料推进剂及其制备方法，通过将具有弱极性且在常温下不升华的稠环芳烃化合物作为碳氢燃料引入到富燃料推进剂配方，彻底杜绝了推进剂储存过程中因碳氢燃料升华导致的推进剂结构破坏，大大提高了推进剂的储存性能，改善了推进剂的燃烧性能，提高了能量释放效率，减少了凝聚相的产生，满足了固体冲压发动机对推进剂能量、工艺、燃烧等性能的要求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种碳氢富燃料推进剂，其特征在于包括如下质量百分含量的组分：
碳氢燃料：20～45％；
氧化剂：27～41％；
金属燃料：3～20％；
粘合剂体系：15～25％；
功能助剂：2～7％；
其中，所述碳氢燃料为稠环芳香烃化合物，所述稠环芳香烃化合物的粒径不大于400μm，所述稠环芳香烃化合物为联二蒽、荧蒽、苯并芘、茚并芘、二苯并芘、聚茚、二苯并芴、二苯并苊、间二蒽嵌四并苯、三苯基苯中的一种或组合；
所述粘合剂体系包括粘合剂和固化剂，所述粘合剂为端羟基聚丁二烯或端羟基聚醚酯中的一种或组合。
2.根据权利要求1所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：所述氧化剂为高氯酸铵、高氯酸钾、硝酸铵、硝酸钾、三氨基胍硝酸盐中的一种或组合，其粒径为0.5～400μm。
3.根据权利要求1所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：所述金属燃料为铝、镁中的一种或组合，其粒径为1～40μm。
4.根据权利要求1所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：所述固化剂为六甲撑二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种或组合。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：所述功能助剂为硝酸酯乙基硝胺、卵磷脂、柠檬酸酯、甘油三碳酸酯、癸二酸二异辛酯、三[1-(2-甲基)氮丙啶基]氧化膦、三苯基铋、乙酰丙酮铁、三氟化硼三乙醇胺、氧化铁、辛基二茂铁、3-氨基1,2,4-三唑络高氯酸铜、N,N-二苯基对苯二胺、N-苯基-2-萘胺、N-苯基-N-环己烷基对苯二胺中的一种或组合。
6.一种如权利要求1所述的碳氢富燃料推进剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)称量：在干燥的环境中精确称量各组分，待用；
(2)混合：将功能助剂加入到粘合剂中手工混匀得预混药浆，接着将金属燃料、碳氢燃料、氧化剂依次加入到立式混合机中混合均匀，然后加入固化剂继续混合，控制混合温度，待体系完全混合均匀出料；
(3)浇注、固化：将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得推进剂产品。
7.根据权利要求6所述的碳氢富燃料推进剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中控制混合温度为30℃～50℃。
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