CN109503301B - 一种碳氢富燃料推进剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳氢富燃料推进剂，包括如下质量配比的组分：碳氢燃料：25～45％；辅助金属燃料：2～15％；氧化剂：20～40％；粘合剂体系：20～30％；性能调节剂：1～5％。本发明通过在推进剂体系中采用新型高密度笼型碳氢燃料、产气量大的含能粘合剂体系、添加新型添加剂等技术途径，解决了现有碳氢富燃料推进剂因为碳氢燃料在一次燃烧过程中裂解吸热导致燃温降低，从而导致推进剂一次喷射效率和燃烧效率低的问题，在不影响推进剂综合性能的前提下降低了推进剂在氧化剂含量较低的情况下因碳氢燃料裂解导致的热量损失，改善了富燃料推进剂的综合性能。

Description

一种碳氢富燃料推进剂
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。
背景技术
固体火箭冲压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。与固体火箭发动机相比，由于利用空气中的氧气作氧化剂，大幅度提高了推进剂的能量，比冲为固体火箭发动机的2～4倍；与吸气式发动机相比，由于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。
固体火箭冲压发动机使用固体富燃料推进剂作为动力源，由于其氧化剂含量约为常规固体火箭推进剂的一半，富燃料推进剂又被称贫氧推进剂。富燃料推进剂中粘合剂和固体燃料含量较高，因此燃料性能是决定固体火箭冲压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。
然而，由于碳氢燃料的燃烧过程比较复杂，推进剂点火后,碳氢燃料首先裂解成小分子碳氢碎片并与氧化剂混合，部分小分子碳氢碎片燃烧放热，而富燃料推进剂氧化剂含量较低，无法支持所有碳氢燃料的燃烧,未燃烧的小分子碳氢碎片随来流空气进入补燃室形成富燃燃气并进行二次燃烧。碳氢燃料的裂解过程是吸热过程，裂解吸热直接导致一次燃温降低，加上氧含量较低，部分小分子碳氢碎片在未进入补燃室之前再次积聚成大分子，甚至结焦，从而导致推进剂一次喷射效率较低，能量释放不足，燃烧效率低。
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，通过在推进剂体系中采用新型高密度笼型碳氢燃料、产气量大的含能粘合剂体系、添加新型添加剂等技术途径，解决了碳氢富燃料推进剂因为碳氢燃料在一次燃烧过程中裂解吸热导致燃温降低，推进剂一次喷射效率和能量释放不足燃烧效率较低的问题。
本发明涉及如下技术方案：
一种碳氢富燃料推进剂，包括如下质量配比的组分：
碳氢燃料：25～45％；
辅助金属燃料：2～15％；
氧化剂：20～40％；
粘合剂体系：20～30％；
性能调节剂：1～5％。
进一步地，所述碳氢燃料包括五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷、甲基五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷、双五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷、双甲基五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷、金刚烷、金刚烷二聚体中的一种或几种，其粒径不大于200μm。
进一步地，所述氧化剂为高氯酸铵、高氯酸钾中的一种或组合。
进一步地，所述氧化剂的粒径选用Ⅰ类(280～360μm)、Ⅲ类(90～140μm)、Ⅳ类(5～15μm)、Ⅴ类(0.5～2μm)中的一种或几种。
进一步地，所述辅助金属燃料为硼、镁、铝、钛中的一种或组合。
进一步地，所述硼、镁、铝、钛为球形粉末，粒径为1～30μm。
进一步地，所述粘合剂体系包括粘合剂、增塑剂和固化剂。
进一步地，所述粘合剂为端羟基聚叠氮缩水甘油醚，所述增塑剂为丁硝胺基硝酸酯、1,2,4-丁三醇三硝酸酯、二缩三乙二醇二硝酸酯中的一种或组合。
进一步地，所述固化剂为六甲撑二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、六甲撑二异氰酸酯三聚体、缩二脲三异氰酸酯中的一种或组合。
进一步地，所述性能调节剂为丙烯酸聚乙二醇单丁醚酯/丙烯腈/3-丁烯-1-胺/丙烯酸丁酯共聚物、三苯基铋、乙酰丙酮铁、卵磷脂、氧化铁、三[1-(2-甲基)氮丙啶基]氧化膦、卡托辛、三氟化硼三乙醇胺、辛基二茂铁、N-甲基对硝基苯胺、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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过采用新型高密度笼型碳氢燃料、产气量大耗氧量低的GAP含能粘合剂体系，添加新型添加剂PANE等技术途径，使得推进剂的一次喷射效率和燃烧效率显著提高。
2、本发明在不影响推进剂综合性能的前提下降低了推进剂在氧化剂含量较低的情况下因粘合剂分解导致的热量损失，改善了富燃料推进剂的综合性能。
3、本发明通过添加性能调节剂PANE解决了碳氢燃料升华以及硝酸酯挥发的问题，改善了推进剂的综合性能。
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，包括如下质量配比的组分：碳氢燃料：25～45％；辅助金属燃料：2～15％；氧化剂：20～40％；粘合剂体系：20～30％；性能调节剂：1～5％。
其中，所述碳氢燃料的粒径不大于200μm，包括五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷(PCU)、甲基五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷(MPCU)、双五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷(PCUD)、双甲基五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷(MPCUD)、金刚烷(ADA)、金刚烷二聚体(ADA-D)中的一种或几种。
所述氧化剂为高氯酸铵(AP)、高氯酸钾(KP)中的一种或组合，所述高氯酸铵(AP)或高氯酸钾(KP)的粒径选用Ⅰ类(280～360μm)、Ⅲ类(90～140μm)、Ⅳ类(5～15μm)、Ⅴ类(0.5～2μm)中的一种或几种。
所述辅助金属燃料为硼(B)、镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)中的一种或组合，所述硼(B)、镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)为球形粉末，粒径为1～30μm。
所述粘合剂体系包括粘合剂、增塑剂和固化剂，所述粘合剂为端羟基聚叠氮缩水甘油醚(GAP)；所述增塑剂为丁硝胺基硝酸酯(Bu-NENA)、1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)、二缩三乙二醇二硝酸酯(TEGDN)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)、六甲撑二异氰酸酯三聚体(T-HDI)、缩二脲三异氰酸酯(N-100)中的一种或组合。
所述性能调节剂为丙烯酸聚乙二醇单丁醚酯/丙烯腈/3-丁烯-1-胺/丙烯酸丁酯共聚物(PANE)、三苯基铋(TPB)、乙酰丙酮铁(FeAA)、卵磷脂、氧化铁(Fe2O3)、三[1-(2-甲基)氮丙啶基]氧化膦(MAPO)、卡托辛(GFP)、三氟化硼三乙醇胺(T313)、辛基二茂铁(OFC)、N-甲基对硝基苯胺(MNA)、N,N-二苯基对苯二胺(DPPD)、N-苯基-2-萘胺(防老剂D)、N-苯基-N-环己烷基对苯二胺(防老剂4010)中的一种或组合。
实施例1
(1)推进剂组成
Figure BDA0001944141550000041
(2)推进剂性能
Figure BDA0001944141550000042
Figure BDA0001944141550000051
实施例2
(1)推进剂组成
Figure BDA0001944141550000052
(2)推进剂性能
Figure BDA0001944141550000053
实施例3
(1)推进剂组成
Figure BDA0001944141550000061
(2)推进剂性能
Figure BDA0001944141550000062
实施例4
(1)推进剂组成
Figure BDA0001944141550000063
(2)推进剂性能
Figure BDA0001944141550000071
实施例5
(1)推进剂组成
Figure BDA0001944141550000072
(2)推进剂性能
Figure BDA0001944141550000073
从上述实施例1-5可以看出，本发明通过采用新型高密度笼型碳氢燃料、产气量大耗氧量低的GAP含能粘合剂体系，添加新型添加剂PANE等技术途径，使得碳氢富燃料推进剂的燃烧效率均在92％以上，一次喷射效率均在95％以上。
对比实施例
(1)推进剂组成
Figure BDA0001944141550000081
(2)推进剂性能
Figure BDA0001944141550000082
从对比实施例可以看出，采用环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚(PET)粘合剂体系的推进剂配方在氧化剂用量为30％的情况下，在0.61MPa下无法实现点火，且燃烧效率和一次喷射效率都较低。
综上所述，本发明提供了一种碳氢富燃料推进剂，通过采用新型高密度笼型碳氢燃料，同时采用产气量大的硝酸酯增塑的GAP含能粘合剂体系、添加新型添加剂PANE等技术途径，使推进剂的一次喷射效率由70％提高到95％以上，燃烧效率由80％提高到92％以上，在不影响推进剂综合性能的前提下降低了推进剂在氧化剂含量较低的情况下因碳氢燃料裂解导致的热量损失，改善了富燃料推进剂的综合性能。为固体冲压发动机的应用提供了重要的技术支撑，具有广阔的应用前景。
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 (6)

1.一种碳氢富燃料推进剂，其特征在于包括如下质量配比的组分：
碳氢燃料：25～45％；
辅助金属燃料：2～15％；
氧化剂：20～40％；
粘合剂体系：20～30％；
性能调节剂：1～5％；
所述粘合剂体系包括粘合剂、增塑剂和固化剂，所述粘合剂为端羟基聚叠氮缩水甘油醚；所述增塑剂为丁硝胺基硝酸酯、1,2,4-丁三醇三硝酸酯、二缩三乙二醇二硝酸酯中的一种或组合；所述固化剂为六甲撑二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、六甲撑二异氰酸酯三聚体、缩二脲三异氰酸酯中的一种或组合；所述性能调节剂为丙烯酸聚乙二醇单丁醚酯/丙烯腈/3-丁烯-1-胺/丙烯酸丁酯共聚物和选自三苯基铋、乙酰丙酮铁、卵磷脂、卡托辛、N-甲基对硝基苯胺的一种或组合。
2.根据权利要求1所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：所述碳氢燃料包括五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷、甲基五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷、双五环[5.4.0.02 ,6.03,10.05,9]十一烷、双甲基五环[5.4.0.02,6.03,10.05,9]十一烷、金刚烷、金刚烷二聚体中的一种或几种，其粒径不大于200μm。
3.根据权利要求1所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：所述氧化剂为高氯酸铵、高氯酸钾中的一种或组合。
4.根据权利要求1所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：所述氧化剂的粒径选用280～360μm、90～140μm、5～15μm、0.5～2μm中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：所述辅助金属燃料为镁、铝、钛中的一种或组合。
6.根据权利要求5所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：所述镁、铝、钛为球形粉末，粒径为1～30μm。
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