CN110467512B - 一种固-液推进剂及其制备方法和使用方法 - Google Patents

一种固-液推进剂及其制备方法和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固‑液推进剂及其制备方法和使用方法，属于航空航天推进技术领域。本发明提出的新型固‑液推进剂，由固体燃料和液体氧化剂组成，固体燃料部分是惰性物质，不含氧化剂，因此在生产、储存、运输、测试和工作过程中具有较高的安全性。

Description

一种固-液推进剂及其制备方法和使用方法
技术领域
本发明涉及一种固-液推进剂及其制备方法和使用方法，属于航空航天推进技术领域。
背景技术
随着国防技术、航天发射和载人航天活动的拓展，人们对飞行器的动力系统提出了越来越高的要求。良好的可控性、极低的成本、更高的安全性、可靠性、可重复使用以及对环境无污染等目标，是飞行器动力系统发展的方向。
目前飞行器动力系统所采用的推进剂技术主要是化学推进剂，根据推进剂的性质可将化学推进剂分为液体推进剂和固体推进剂。其中液体推进剂一般由液体氧化剂和液体燃料组成，具有比冲高、工作时间较长、能多次重复启动、工作可靠、推力可调节和可多次使用等特点，在大型运载火箭、航天飞机以及各种航天器上广泛应用；但液体推进剂也有发动机结构复杂、成本高、燃料贮存寿命短等明显的缺点。固体推进剂由粘合剂、氧化剂、金属燃料通过固化反应或挤压成为一体，其发动机结构简单，燃料易于工业制成，同时便于存储和运输，基本没有挥发性和借助空气传播的毒性，而且贮存寿命可长达十年以上。但是固体推进剂的燃烧比冲较小，燃烧时间较短，推力调节困难，所以用途也受到一定限制。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有固体推进剂和液体推进剂技术的缺陷，提供一种固-液推进剂及其制备方法和使用方法。
本发明的技术解决方案是：
一种固-液推进剂，该固-液推进剂包括液体氧化剂和固体燃料；
所述的液体氧化剂包括固体氧化剂和过氧化氢，以液体氧化剂的总质量为100％计算，固体氧化剂的质量百分含量为5％-80％，过氧化氢的质量百分含量为20％-95％；固体氧化剂为为易溶于过氧化氢的氧化性物质，如二硝酰胺铵(ADN)、高氯酸铵(AP)、硝酸铵(AN)中的一种或两种以上的混合物；液体氧化剂的制备方法为：将固体氧化剂加入到液体过氧化氢中，搅拌，得到均匀的溶液即为液体氧化剂；
所述的固体燃料包括金属燃料、炸药和成型剂，以固体燃料的总质量为100％计算，金属燃料的质量百分含量为10％-60％，炸药的质量百分含量为0％-90％，成型剂的质量百分含量为0％-30％；金属燃料为铝、铝镁合金、铝锂合金、三氢化铝(AlH3)中的一种或两种以上的混合物；炸药为奥克托金(HMX)、黑索今(RDX)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、二硝基茴香醚(DNAN)中的一种或两种以上的混合物；
所述的成型剂包括两种类型，一种为固化型成型剂，一种为压装型成型剂；
固化型成型剂包括粘合剂、固化剂、增塑剂和防老剂；
粘合剂为复合固体推进剂常用的HTPB时，固化剂为TDI或IPDI；
粘合剂为复合固体推进剂常用的NEPE时，固化剂为N100；
粘合剂为复合固体推进剂常用的GAP时，固化剂为N100或IPDI；
粘合剂为环氧树脂时，固化剂为聚酰胺；
压装型成型剂包括粘合剂和降感剂；
粘合剂为氟橡胶、硝化纤维素或顺丁橡胶；氟橡胶优选氟橡胶23或氟橡胶26；
降感剂为石蜡；
当炸药为二硝基茴香醚(DNAN)时，成型剂的质量百分含量为0。
当固体燃料中成型剂为固化型成型剂时，且炸药为HMX、RDX或Cl-20时，固体燃料的制备方法为：
(1)将炸药加入到粘合剂、增塑剂和防老剂的混合物中，使粘合剂对炸药进行润湿包覆，然后再加入金属燃料，搅拌，混合均匀后再加入固化剂，搅拌均匀后得到料浆；
(2)将步骤(1)得到的料浆采用真空浇注的方式装入倒模具中，脱除料浆中夹带的气体，然后加热固化成型，得到固体燃料；
当固体燃料中的成型剂为0，炸药为二硝基茴香醚(DNAN)时，固体燃料制备方法为：
(1)将二硝基茴香醚(DNAN)加热至熔融状态，然后加入金属燃料，搅拌，混合均匀后得到混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物装入到模具中，然后加热熔融，最后冷却至室温成型得到固体燃料；
当固体燃料中的成型剂为压装型成型剂时，炸药为HMX、RDX或Cl-20时，固体燃料的制备方法为：
(1)将粘合剂、降感剂和挥发性溶剂(丙酮、汽油)进行混合，使粘合剂和降感剂溶解在挥发性溶剂中得到胶液，然后在胶液中加入炸药，使成型剂对炸药进行润湿包覆，然后再加入金属燃料，搅拌，混合均匀后再除去挥发性溶剂，得到粉末；
(2)将步骤(2)得到的粉末装入到模具中，然后采用压机压制成型得到固体燃料。
一种固-液推进剂的使用方法，固体燃料固定在燃烧室内，使用时通过喷嘴将液体氧化剂喷在燃烧室内的固体燃料上点燃开始工作。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明提出的新型固-液推进剂，由固体燃料和液体氧化剂组成，固体燃料部分是惰性物质，不含氧化剂，因此在生产、储存、运输、测试和工作过程中具有较高的安全性；
(2)本发明提出的新型固-液推进剂，可以通过控制液体氧化剂的流量来控制发动机的开关机，实现多次点火和推力控制，这是固体推进剂无法实现的；
(3)本发明提出的新型固-液推进剂，易实现高能量，其比冲高于固体推进剂，密度比冲高于液体推进剂；
(4)本发明提出的新型固-液推进剂，使用的燃料和氧化剂无毒，且羽流排放物不含HCl，对环境污染小。
(5)本发明涉及一种固-液推进剂及其制备方法，属于航空航天推进技术领域。该固-液推进剂由液体氧化剂和固体燃料两部分组成，其中液体氧化剂包含下列质量百分比含量的组分：固体氧化剂5％～80％、过氧化氢20％～95％。其中，固体氧化剂为易溶于过氧化氢的氧化性物质。固体燃料是由与上述氧化剂极易发生反应的还原剂组成的固体复合物，包含下列质量百分比含量的组分：金属、金属氢化物燃料：10～60％、炸药0～90％、成型剂0～30％。本发明的液体氧化剂的制备为一般溶液的配制方法，将固体氧化剂加入到过氧化氢液体中搅拌成均匀的溶液即可。固体燃料可以采用与复合固体推进剂相同的制备方法制备，也可以采用压装、熔铸炸药制备方法压制或熔铸成型。
(6)本发明提供的固-液推进剂分开存放，固体燃料固定在燃烧室内，使用时液体氧化剂通过喷嘴喷在固体燃料上点燃开始工作，本发明提供的推进剂能量高，安全，可以通过液体氧化剂的喷入量和持续时间实现推力可控和调节，适应不同需要。
(7)而固-液混合推进剂将固体燃料与液体氧化剂分开存贮，直到发动机实际点燃，燃料才与氧化剂接触发生化学反应产生推力。与液体火箭发动机相比，固-液推进剂具有少使用一半管路的优势，因为只需为氧化剂设计和安装管路；与固体推进剂相比，固-液推进剂通常采用氧化剂和燃烧剂相对分离，因此具有较高的安全性。固-液推进剂能够通过控制氧化剂流量来控制发动机的开关机，这是固体推进剂无法比拟的，因而固-液推进剂具有很好的可控性。固-液推进剂兼顾了固体推进剂的简单和液体推进剂可控的优点，具有设计简单、生产安全、制造成本低、可靠性更高等特点。
具体实施方式
一种固-液推进剂，推进剂由液体氧化剂和固体燃料两部分组成，两种材料分开存放，固体燃料固定在燃烧室内，使用时通过喷嘴将液体氧化剂喷在燃烧室内的固体燃料上点燃燃料开始工作。
若主炸药是可熔铸的，则不使用成型剂。
一种固-液推进剂的制备方法，所述液体氧化剂：包括以下步骤：
步骤(1)、按照以下质量百分比含量称取原料：
固体氧化剂5～80％、过氧化氢20～95％；
步骤(2)、将步骤(1)所述固体氧化剂加入到液体过氧化氢中搅拌制成均匀的溶液。
一种固-液推进剂的制备方法，其特征在于所述固体燃料：包括以下步骤：
步骤(1)、按照以下质量百分比含量称取原料：
金属、金属氢化物燃料10％～60％、炸药0～90％、成型剂0～30％。
步骤(2)、将步骤(1)所述原料混合均匀制成料浆或粉末；
步骤(3)、将步骤(2)所述料浆或粉末装入模具中，采用加热固化、熔铸或压制方式制成所需要的形状。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供的固-液推进剂由液体氧化剂和固体燃料两部分组成。
液体氧化剂包含下列质量百分比含量的组分：固体氧化剂5～80％、过氧化氢20～95％。其中，固体氧化剂为易溶于过氧化氢的氧化性物质。
固体燃料包含下列质量百分比含量的组分：金属、金属氢化物燃料：10～60％、炸药10～60％、成型剂0～30％。
具体地，本发明实施中，所述固体氧化剂为易溶于过氧化氢的氧化性物质，最佳为二硝酰胺铵(ADN)、高氯酸铵(AP)、硝酸铵(AN)的一种或两种及以上的组合。
具体地，本发明实施中，所述过氧化氢为纯度90％以上的制品。
具体地，本发明实施中，所述金属、金属氢化物燃料最佳为：铝、铝镁合金、铝锂合金、三氢化铝(AlH3)中的一种或组合。
具体地，本发明实施中，所述炸药最佳为奥克托金(HMX)、黑索今(RDX)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、二硝基茴香醚(DNAN)中的一种或组合。
具体地，本发明实施中，所述成型剂为聚氨酯橡胶、氟橡胶、环氧树脂或硝化纤维素中的一种或组合。其中聚氨酯橡胶最佳为复合固体推进剂常用的端羟基聚丁二烯(HTPB)、硝酸酯增塑的聚醚(NEPE)和缩水甘油叠氮聚醚(GAP)构成的热固型聚氨酯橡胶。
具体地，本发明实施例中，若聚氨酯橡胶为端羟基聚丁二烯HTPB、NEPE、GAP时，成型剂需要添加二异氰酸酯、DOS、硝酸酯等物质，用于固化和改善工艺，组合物的质量百分比含量为10％～30％。
本发明固-液推进剂中所述液体氧化剂的制备方法包括以下步骤：
步骤(1)、按照以下质量百分比含量称取原料：
固体氧化剂5％～80％、过氧化氢20％～95％；
步骤(2)、将步骤(1)所述组份混合均匀制成溶液。
本发明固-液推进剂中所述固体燃料的制备方法包括以下步骤：
步骤(3)、将步骤(2)的料浆或粉末装入模具中，采用加热固化、熔铸或压制方式制成所需要的形状。
具体地，本发明实施例中，步骤(2)中将原料混合均匀制成料浆或粉末的具体方法如下：
步骤(1)、按照以下质量百分比含量称取原料：
金属、金属氢化物燃料10～60％、炸药0～90％、成型剂0～30％。
步骤(2)、将步骤(1)所述原料混合均匀制成料浆或粉末；
步骤(3)、将步骤(2)所述料浆或粉末装入模具中，采用加热固化、熔铸或压制方式制成所需要的形状。
所述步骤(2)中将原料混合均匀制成料浆或粉末的具体方法如下：
方法1若胶粘剂为液体橡胶或液体树脂，则采用所述液体橡胶或液体树脂对炸药进行润湿包覆，然后加入金属、金属氢化物粉末，混合均匀制成料浆；
方法2若其中炸药为可熔铸的，则将所述可熔铸的主炸药加热熔化，然后加入固体金属、金属氢化物粉末，搅拌混合均匀，得到混合物；
方法3若成型剂为固体橡胶、固体树脂或纤维，则采用易挥发性溶剂将所述胶粘剂溶解制成胶液，然后用胶液对主炸药进行润湿包覆，再加入固体金属、金属氢化物粉末，搅拌混合均匀后去除溶剂，得到干燥粉末。
所述步骤(3)中将料浆或粉末装入模具中，采用加热固化、熔铸或压制方式制成所需要的形状的具体方法如下：
将方法1中得到的混合料浆采用真空浇注的方式装入模具中，脱除料浆中夹带的气体，然后加热固化成型；
将方法2中得到的混合物装入模具中，加热熔融，然后冷却成型；
将方法3中得到的干燥粉末装入模具中，用压机压制成型。
实施例1
本实施例提供了一种固-液推进剂：
1、固-液推进剂配方参见表1：
表1一种固-液推进剂配方
表1a液体氧化剂
Figure BDA0002138975570000071
表1b固体燃料
Figure BDA0002138975570000072
液固比(液体氧化剂与固体燃料的质量比)：1.5～2.5：1
2、固-液推进剂制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：按照表1a的配方称取原料；
步骤(2)：将原料中的ADN加入H2O2(浓度90％)中，搅拌混合均匀；得到液体氧化剂。
步骤(3)：按照表1b的配方称取原料；
步骤(4)：在50～60℃下将增塑剂DOS、Al粉、固化剂TDI加入到粘合剂HTPB体系中，混合均匀得到推进剂药浆，真空浇注，50～70℃固化120～168小时，即可制得固化成型的固体燃料。
3、制得的产品性能结果如下：
本发明实施例制备的固-液推进剂，其液体氧化剂密度：1.50g/cm3；固体燃料密度：1.62g/cm3，液固比2.5时，推进剂真空比冲337.8s(2MPa，膨胀比60)，比传统固体推进剂真空比冲322.8s高约15s。液固比2.0时，真空比冲为338.5s。
使用时通过喷嘴将液体氧化剂喷在燃烧室内的固体燃料上点燃开始工作。
实施例2
本实施例提供了一种固-液推进剂：
1、固-液推进剂配方参见表2：
表2一种固-液推进剂配方
表2a液体氧化剂
Figure BDA0002138975570000081
表2b固体燃料
Figure BDA0002138975570000082
液固比：1.5～2.5：1
2、固-液推进剂制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：按照表2a的配方称取原料；
步骤(2)：将原料中的AP加入H2O2(浓度90％)中，搅拌混合均匀；得到液体氧化剂。
步骤(3)：按照表2b的配方称取原料；
步骤(4)：在30～40℃下将增塑剂DOS、Al粉、AlH3、固化剂TDI加入到粘合剂HTPB体系中，混合均匀得到推进剂药浆，真空浇注，40～45℃固化120～168小时，即可制得固化成型的固体燃料。
3、制得的产品性能结果如下：
本发明实施例制备的固-液推进剂，其液体氧化剂密度：1.47g/cm3；固体燃料密度：1.48g/cm3，液固比2.5时，推进剂真空比冲340.5s(2MPa，膨胀比60)，比传统固体推进剂真空比冲高17s。液固比2.0时，推进剂真空比冲为341.5s。
使用时通过喷嘴将液体氧化剂喷在燃烧室内的固体燃料上点燃开始工作。
实施例3
本实施例提供了一种固-液推进剂：
1、固-液推进剂配方参见表3：
表3一种固-液推进剂配方
表3a液体氧化剂
Figure BDA0002138975570000091
表3b固体燃料
Figure BDA0002138975570000092
液固比：1.5～2.5：1
2、固-液推进剂制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：按照表1a的配方称取原料；
步骤(2)：将原料中的AN加入H2O2中，搅拌混合均匀；得到液体氧化剂。
步骤(3)：按照表1b的配方称取原料；
步骤(4)：在30～40℃下将增塑剂A3、Al粉、AlH3、固化剂TDI加入到粘合剂GAP体系中，混合均匀得到推进剂药浆，真空浇注，40～45℃固化120～168小时，即可制得固化成型的固体燃料。
3、制得的产品性能结果如下：
本发明实施例制备的固-液推进剂，其液体氧化剂密度：1.46g/cm3；固体燃料密度：1.78g/cm3，液固比2.5时，推进剂真空比冲354.1s(2MPa，膨胀比60)；液固比2.0时，推进剂真空比冲为350s。
使用时通过喷嘴将液体氧化剂喷在燃烧室内的固体燃料上点燃开始工作。
实施例4
本实施例提供了一种固-液推进剂：
1、固-液推进剂配方参见表4：
表4一种固-液推进剂配方
表4a液体氧化剂
Figure BDA0002138975570000101
表4b固体燃料
Figure BDA0002138975570000102
液固比：1.5～2.5：1
2、固-液推进剂制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：按照表4a的配方称取原料；
步骤(2)：将原料中的ADN加入H2O2中，搅拌混合均匀；得到液体氧化剂。
步骤(3)：按照表4b的配方称取原料；
步骤(4)：采用溶剂汽油将所述橡胶溶解制成胶液，将石蜡溶入胶液，然后用胶液对HMX进行润湿包覆，再加入AlH3、Al，搅拌混合均匀后去除溶剂，得到干燥粉末。将得到的干燥粉末装入模具中，用压机压制成型。
3、制得的产品性能结果如下：
本发明实施例制备的固-液推进剂，其液体氧化剂密度：1.54g/cm3；固体燃料密度：2.05g/cm3，液固比2.5时，推进剂真空比冲330.4(2MPa，膨胀比60)。液固比2.0时，推进剂真空比冲为333.6s。液固比1.5时，推进剂真空比冲为336.7s。
使用时通过喷嘴将液体氧化剂喷在燃烧室内的固体燃料上点燃开始工作。
实施例5
本实施例提供了一种固-液推进剂：
1、固-液推进剂配方参见表5：
表5一种固-液推进剂配方
表5a液体氧化剂
Figure BDA0002138975570000111
表5b固体燃料
Figure BDA0002138975570000112
液固比：1.5～2.：1
2、固-液推进剂制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：按照表5a的配方称取原料；
步骤(2)：将原料中的ADN加入H2O2中，搅拌混合均匀；得到液体氧化剂。
步骤(3)：按照表5b的配方称取原料；
步骤(4)：将DNAN加热至95～100℃熔融，加入RDX混合均匀，再加入Al，混合均匀后，在模具中冷却成型。
3、制得的产品性能结果如下：
本发明实施例制备的固-液推进剂，其液体氧化剂密度：1.50g/cm3；固体燃料密度：1.78g/cm3。液固比2.5时，推进剂真空比冲为322s。液固比2.0时，推进剂真空比冲327s(2MPa，膨胀比60，H2O2以90％计)。液固比1.5时，推进剂真空比冲330s(2MPa，膨胀比60)。
使用时通过喷嘴将液体氧化剂喷在燃烧室内的固体燃料上点燃开始工作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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 (1)

1.一种固-液推进剂，其特征在于：该固-液推进剂包括液体氧化剂和固体燃料；
液体氧化剂为质量含量为80％的H2O2和质量含量为20％的AND；
固体燃料为质量含量为20％的HTPB、质量含量为1.4％的TDI、质量含量为8.6％的DOS和质量含量为70％的Al；
液体氧化剂与固体燃料的质量比为：1.5～2.5：1；
该固-液推进剂制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：称取液体氧化剂原料；
步骤(2)：将原料中的ADN加入到浓度为90％H2O2中，搅拌混合均匀；得到液体氧化剂；
步骤(3)：称取固体燃料原料；
步骤(4)：在50～60℃下将增塑剂DOS、Al粉、固化剂TDI加入到粘合剂HTPB体系中，混合均匀得到推进剂药浆，真空浇注，50～70℃固化120～168小时，即制得固化成型的固体燃料；
得到的液体氧化剂密度：1.50g/cm3；固体燃料密度：1.62g/cm3，液固比2.5时，推进剂真空比冲在2MPa，膨胀比为60的条件下为337.8s，比传统固体推进剂真空比冲322.8s高15s，液固比2.0时，真空比冲为338.5s；
使用时通过喷嘴将液体氧化剂喷在燃烧室内的固体燃料上点燃开始工作。
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