CN111116280A - 一种金属燃料推进剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种金属燃料推进剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属燃料推进剂及其制备方法和应用，属于水下动力技术领域。本发明提供的金属燃料推进剂结构上包括圆柱状的核芯和包裹在核芯侧面的外层，所述核芯组成上包括金属颗粒、氧化剂和粘合剂，所述外层组成上包括金属颗粒和粘合剂。本发明提供的具有内、外两层结构的金属燃料推进剂，在推进剂点火时，核芯的推进剂先燃烧，产生高温高压环境，致使外层的推进剂中的金属颗粒向外扩散，同时发动机内进行喷水操作，水作为氧化剂与活泼金属发生剧烈反应，放出大量的热和以氢气为主的气体，为发动机提供工质，产生推力；且核芯含有氧化剂，不受外界氧化剂的干扰，保证金属燃料推进剂能够稳定燃烧。

Description

一种金属燃料推进剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及水下动力技术领域，具体涉及一种金属燃料推进剂及其制备方法和应用。
背景技术
固体推进剂是一类在燃烧时能迅速产生大量高温气体的化学物质，可用来发射枪炮的弹丸、火箭和导弹等发射体。其中，水下航行体常用的固体推进剂为金属燃料推进剂。
传统的水下航行体用的金属燃料推进剂中需要加入大量的氧化剂以保证金属燃料推进剂的燃烧效率。然而水下航行体中装载金属燃料推进剂的空间有限，大量氧化剂的加入使得金属含量显著降低，使得金属燃料推进剂的比冲值较低，仅为2157～4000N·s/kg，限制了其应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属燃料推进剂及其制备方法和应用，本发明提供的金属燃料推进剂燃烧稳定且比冲大，能够用作发动机的工质，且本发明提供的制备方法操作简单，适宜工业化生产。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种金属燃料推进剂，结构上包括圆柱状的核芯和包裹在核芯侧面的外层，所述核芯组成上包括金属颗粒、氧化剂和粘合剂，所述外层组成上包括金属颗粒和粘合剂。
优选的，所述核芯和外层中金属颗粒独立的包括镁粉和/或铝粉；所述镁粉的粒度为1～45μm；所述铝粉的粒度为80～120nm；
所述核芯中氧化剂包括高氯酸铵、高氯酸钾和高锰酸钾中的一种或几种；
所述核芯和外层中粘合剂包括硝化纤维。
优选的，所述核芯中金属颗粒、氧化剂和粘合剂的质量比为(35～45)：(7～11)：1。
优选的，所述外层中金属颗粒和粘合剂的质量比为(37～55)：1。
优选的，所述核芯的直径为5～7cm。
优选的，所述外层的厚度为3～5cm，所述外层的高度为23～25cm。
优选的，所述核芯的两端面均为平面；
所述外层的一端面与核芯的一端面平齐，所述外层的另一端面为向内凹陷的斜面，所述斜面延伸至所述核芯的另一端面；
所述斜面与核芯端面之间的夹角为135～145°。
本发明提供了上述技术方案所述金属燃料推进剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)制作模具，模具分为聚氨酯材料的外模具和不锈钢材料的内模具，外模具由圆筒形胶套、顶盖和底盖组成，顶盖为圆柱体，底盖为一侧带有倒角的圆柱体，倒角侧位于模具内侧，倒角角度和斜面与推进剂核芯端面之间的夹角相同。内模具为圆筒形不锈钢，厚度为1mm，直径与底盖倒角后的小圆直径形同。将圆筒形内模具置于所述外模具内部，放在中心位置，得到模具；
(2)打开外模具顶盖，将核芯原料置于所述圆筒形内模具中，将外层原料置于圆筒形内模具和外模具之间的夹层内，两种原料加至相同高度，取出圆筒形内模具，盖上模具顶盖，得到带外模具的金属燃料推进剂；
(3)对所述带外模具的金属燃料推进剂依次进行抽真空处理和密封，然后放入等静压机内进行压制，压制结束后，去除外模具，得到所述的金属燃料推进剂；
所述核芯原料包括金属颗粒、氧化剂和粘合剂；所述外层原料包括金属颗粒和粘合剂。
所述圆台的底角为30～45°；
所述压制的压力为150～250MPa。
本发明还提供了上述技术方案所述的金属燃料推进剂或上述技术方案所述制备方法制备的金属燃料推进剂在发动机中的应用。
本发明提供了一种金属燃料推进剂，结构上包括圆柱状的核芯和包裹在核芯侧面的外层，所述核芯组成上包括金属颗粒、氧化剂和粘合剂，所述外层组成上包括金属颗粒和粘合剂。本发明提供的具有内、外两层结构的金属燃料推进剂，在推进剂点火时，核芯的推进剂先燃烧，产生高温高压环境，致使外层的推进剂中的金属颗粒向外扩散，同时发动机内进行喷水操作，水作为氧化剂与活泼金属发生剧烈反应，放出大量的热和以氢气为主的气体，为发动机提供工质，产生比冲。而且，由于外层不含有氧化剂，其单位体积内金属颗粒的含量增加，而金属颗粒与水发生反应，可以放出大量的热量和气体，高温高压的气体经过喷管做功后，可以产生比冲。同样的体积，金属颗粒含量增加，比冲值增加，进而单位体积的金属燃料推进剂的比冲值增加。而核芯含有氧化剂，不受外界氧化剂的干扰，保证推进剂的稳定燃烧。如实施例结果所示，同一发动机内，相同尺寸推进剂，金属含量为86wt％的金属燃料推进剂燃烧时产生的比冲值为5100N.s/kg。
附图说明
图1是金属燃料推进剂结构示意图，其中，1为核芯，2为外层，α为外层斜面与核芯端面之间的夹角。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种金属燃料推进剂，结构上包括圆柱状的核芯和包裹在核芯侧面的外层，所述核芯组成上包括金属颗粒、氧化剂和粘合剂，所述外层组成上包括金属颗粒和粘合剂。
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
在本发明中，金属燃料推进剂结构示意图如图1所示，其中，1为核芯，2为外层，α为外层的斜面与核芯端面之间的夹角。在推进剂点火时，含有氧化剂的核芯1首先燃烧，产生高温高压环境，致使外层1内的活泼金属颗粒向外扩散，同时发动机内进行喷水操作，水作为氧化剂与活泼金属发生剧烈反应，放出大量的热和以氢气为主的气体，为发动机提供工质，产生比冲。
在本发明中，所述核芯和外层中金属颗粒独立的优选包括镁粉和/或铝粉，更优选包括镁粉或铝粉。在本发明中，所述镁粉的粒度优选为1～45μm，更优选为5～40μm，最优选为15～30μm。在本发明中，所述铝粉的粒度优选为80～120nm，更优选为90～110nm，最优选为95～105nm。在本发明中，所述金属颗粒作用是作为还原剂与水发生反应制备氢气。在本发明中，控制金属颗粒的粒度，能够增大金属颗粒的表面积，从而加快金属颗粒与水的反应速度。
在本发明中，所述核芯中氧化剂优选包括高氯酸铵、高氯酸钾和高锰酸钾中的一种或几种，更优选包括高氯酸铵、高氯酸钾或高锰酸钾。
在本发明中，所述核芯和外层中粘合剂优选优选包括硝化纤维。
在本发明中，所述核芯中金属颗粒、氧化剂和粘合剂的质量比优选为(35～45)：(7～11)：1，更优选为(38～42)：(8～10)：1，最优选为40：9：1。
在本发明中，所述外层中金属颗粒和粘合剂的质量比优选为(37～55)：1，更优选为(45～55)：1，最优选为49：1。
在本发明中，所述外层中的金属颗粒的用量优选为大于所述核芯中的金属颗粒的用量。
在本发明中，所述核芯的两端面优选均为平面。在本发明中，所述核芯的直径优选为5～7cm，更优选为5.5cm、6cm或6.5cm。
在本发明中，所述外层优选为圆管状。在本发明中，所述外层的一端面优选与核芯的一端面平齐，所述外层的另一端面优选为向内凹陷的斜面，所述斜面优选延伸至所述核芯的另一端面。在本发明中，所述斜面与核芯端面之间的夹角α优选为135～150°，更优选为136°、137°、138°、139°、140°、141°、142°、143°、144°、145°、146°、147°、148°、149°或150°。在本发明中，所述外层的一端面为向内凹陷的斜面，能够增加外层与高温燃气的接触面积，有利于外层的燃烧，为发动机提供工质，产生比冲。
在本发明中，所述外层的厚度优选为3～5cm，更优选为3.5cm、4cm或4.5cm。在本发明中，所述外层的高度优选为23～25cm，更优选为23.5cm、24cm或24.5cm；所述外层的高度优选以所述外层最外侧的高度计。
本发明提供了上述技术方案所述金属燃料推进剂的制备方法，包括以下步骤：(1)制作模具，模具分为聚氨酯材料的外模具和不锈钢材料的内模具，外模具由圆筒形胶套、顶盖和底盖组成，顶盖为圆柱体，底盖为一侧带有倒角的圆柱体，倒角侧位于模具内侧，倒角角度和斜面与推进剂核芯端面之间的夹角相同。内模具为圆筒形不锈钢，厚度为1mm，直径与底盖倒角后的小圆直径形同。将圆筒形内模具置于所述外模具内部，放在中心位置，得到模具；
(2)打开外模具顶盖，将核芯原料置于所述圆筒形内模具中，将外层原料置于圆筒形内模具和外模具之间的夹层内，两种原料加至相同高度，取出圆筒形内模具，盖上模具顶盖，得到带外模具的金属燃料推进剂；
(3)对所述带外模具的金属燃料推进剂依次进行抽真空处理和密封，然后放入等静压机内进行压制，压制结束后，去除外模具，得到所述的金属燃料推进剂；
所述核芯原料包括金属颗粒、氧化剂和粘合剂；所述外层原料包括金属颗粒和粘合剂。
在本发明中，所述核芯原料中金属颗粒、氧化剂和粘合剂的质量比优选为(35～45)：(7～11)：1，更优选为(38～42)：(8～10)：1，最优选为40：9：1。本发明优选对核芯原料进行搅拌、造粒和干燥，然后再填充于圆筒形模具中。本发明中对于所述搅拌的速度和时间没有特殊限定，保证原料混合均匀即可。本发明对于所述造粒的操作没有特殊限定，采用本领域熟知的造粒操作方式即可。在本发明中，所述造粒后的核芯原料的粒度优选为100～500μm，更优选为400～500μm。在本发明中，所述干燥的温度优选为35～45℃，时间优选为12～14h。在本发明中，所述干燥后的核芯原料的含水率优选为0～0.01％。
在本发明中，所述外层原料中金属颗粒和粘合剂的质量比优选为(37～55)：1，更优选为(45～55)：1，最优选为49：1。本发明优选对外层原料进行搅拌、造粒和干燥，然后再填充于圆筒形模具和外模具之间的夹层内。本发明中对于所述搅拌的速度和时间没有特殊限定，保证原料混合均匀即可。本发明对于所述造粒的操作没有特殊限定，采用本领域熟知的造粒操作方式即可。在本发明中，所述造粒后的核芯原料的粒度优选为100～500μm，更优选为400～500μm。在本发明中，所述干燥的温度优选为35～45℃，时间优选为12～14h。在本发明中，所述干燥后的核芯原料的含水率优选为0～0.01％。
在本发明中，所述核芯原料的装料高度优选与所述外层原料的装料高度相同。
本发明对于所述取出圆筒形模具的方式没有特殊限定，能够保证不破坏核芯原料和外层原料的结构即可，即不会导致核芯原料和外层原料混合即可。在本发明中，所述外模具的上底面的密封方式优选为采用堵头进行密封。
得到带外模具的金属燃料推进剂后，本发明对所述带外模具的金属燃料推进剂依次进行抽真空处理和压制，去除外模具，得到金属燃料推进剂。
在本发明中，所述抽真空处理优选为将所述带外模具的金属燃料推进剂装入真空袋中进行抽真空处理。在本发明中，所述抽真空处理后真空袋的真空度优选为0.7～0.8，所述抽真空处理的时间优选为1～1.5min。
在本发明中，所述压制优选在等静压机中进行；所述压制的压力优选为150～250MPa，更优选为200～250MPa；所述压制的时间优选为5～15min，更优选为10～15min。本发明对于所述去除外模具的方式没有特殊限定，能够保证金属燃料推进剂的结构完整即可。
本发明还提供了上述技术方案所述的金属燃料推进剂或上述技术方案所述制备方法制备的金属燃料推进剂在发动机中的应用。
在本发明中，所述金属燃料推进剂的应用原理具体为：在推进剂点火时，含有氧化剂的核芯先燃烧，产生高温高压环境，致使外层内的活泼金属颗粒向外扩散，同时发动机内进行喷水操作，水作为氧化剂与活泼金属发生剧烈反应，放出大量的热和以氢气为主的气体，为发动机提供工质，产生比冲。在本发明中，所述点火的方式优选为电点火。在本发明中，所述电点火过程中点火导线两端施加的电压优选为24V，点火导线末端产生热量，引燃点火药剂，点火药剂燃烧产生高温高压，以此点燃推进剂。
本发明提供的金属燃料推进剂的外层中不含氧化剂，单位体积内活泼金属颗粒的含量增加，而活泼金属颗粒与水发生反应，可以放出大量的热量和气体，高温高压的气体经过喷管做功后，可以产生比冲。同样的体积，金属含量增加，比冲增加，所以体积比冲增加，进而有效的提高推进剂整体的体积比冲。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将下底面密封的外模具置于底角为45°的圆台上，将圆筒形模具置于所述外模具底部中间位置，得到模具；
(2)将镁粉、硝化纤维和高氯酸铵按质量比为43:1:6的比例混合均匀后进行搅拌、造粒，在40℃条件下干燥12h，得到推进剂的核芯原料，将所述核芯原料填充于所述圆筒形模具中；其中，镁粉的粒度为15～30μm，核芯原料的粒度为400～450μm，含水率为0％；
将镁粉和硝化纤维按质量比为49:1的比例混合均匀后进行搅拌、造粒，在40℃条件下干燥12h，得到外层原料，将外层原料填充于圆筒形模具和外模具之间的夹层内，取出圆筒形模具后，用堵头密封外模具的上底面，得到带外模具的金属燃料推进剂；其中，镁粉的粒度为15～30μm，外层原料的粒度为400～450μm，含水率为0％。
(3)将所述带外模具的金属燃料推进剂装入真空袋中以0.8的压力抽真空1min，在240MPa条件下压制15min，然后去除外模具，得到金属燃料推进剂；其中，金属燃料推进剂的核芯的直径为5cm，高度为20cm；外层的厚度为3cm；夹角α为135°。
将所得金属燃料推进剂采用水冲压发动机测试方法进行发动机推进剂参数测试，得到金属燃料推进燃烧时产生的比冲为5100N·s/kg。
实施例2
(1)将下底面密封的外模具置于底角为30°的圆台上，将圆筒形模具置于所述外模具底部中间位置，得到模具；
(2)将铝粉、硝化纤维和高氯酸铵按质量比为39.5:1:9.5的比例混合均匀后进行搅拌、造粒，在38℃条件下干燥14h，得到推进剂的核芯原料，将所述核芯原料填充于所述圆筒形模具中；其中，铝粉的粒度为90～110nm，核芯原料的粒度为450～500μm，含水率为0％；
将镁粉和硝化纤维按质量比为49:1的比例混合均匀后进行搅拌、造粒，在38℃条件下干燥14h，得到外层原料，将外层原料填充于圆筒形模具和外模具之间的夹层内，取出圆筒形模具后，用堵头密封外模具的上底面，得到带外模具的金属燃料推进剂；其中，镁粉的粒度为90～110μm，外层原料的粒度为450～500μm，含水率为0％。
(3)将所述带外模具的金属燃料推进剂装入真空袋中以0.8的压力抽真空1min，在200MPa条件下压制15min，然后去除外模具，得到金属燃料推进剂；其中，金属燃料推进剂的核芯的直径为7cm，高度为20cm；外层的厚度为5cm；夹角α为150°。
将所得金属燃料推进剂采用水冲压发动机测试方法进行发动机推进剂参数测试，得到金属燃料推进燃烧时产生的比冲为4500N·s/kg。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
综上所述：本发明提供了一种金属燃料推进剂及其制备方法和应用，属于水下动力技术领域。本发明提供的金属燃料推进剂结构上包括圆柱状的核芯和包裹在核芯侧面的外层，所述核芯组成上包括金属颗粒、氧化剂和粘合剂，所述外层组成上包括金属颗粒和粘合剂。本发明提供的具有内、外两层结构的金属燃料推进剂，在推进剂点火时，核芯的推进剂先燃烧，产生高温高压环境，致使外层的推进剂中的金属颗粒向外扩散，同时发动机内进行喷水操作，水作为氧化剂与活泼金属发生剧烈反应，放出大量的热和以氢气为主的气体，为发动机提供工质，产生推力；且核芯含有氧化剂，不受外界氧化剂的干扰，保证金属燃料推进剂能够稳定燃烧。

Claims (10)

1.一种金属燃料推进剂，其特征在于，结构上包括圆柱状的核芯和包裹在核芯侧面的外层，所述核芯组成上包括金属颗粒、氧化剂和粘合剂，所述外层组成上包括金属颗粒和粘合剂。
2.根据权利要求1所述的金属燃料推进剂，其特征在于，所述核芯和外层中金属颗粒独立的包括镁粉和/或铝粉；所述镁粉的粒度为1～45μm；所述铝粉的粒度为80～120nm；
所述核芯中氧化剂包括高氯酸铵、高氯酸钾和高锰酸钾中的一种或几种；
所述核芯和外层中粘合剂包括硝化纤维。
3.根据权利要求1所述的金属燃料推进剂，其特征在于，所述核芯中金属颗粒、氧化剂和粘合剂的质量比为(35～45)：(7～11)：1。
4.根据权利要求1所述的金属燃料推进剂，其特征在于，所述外层中金属颗粒和粘合剂的质量比为(37～55)：1。
5.根据权利要求1所述的金属燃料推进剂，其特征在于，所述核芯的直径为5～7cm。
6.根据权利要求1所述的金属燃料推进剂，其特征在于，所述外层的厚度为3～5cm，所述外层的高度为23～25cm。
7.根据权利要求1所述的金属燃料推进剂，其特征在于，所述核芯的两端面均为平面；
所述外层的一端面与核芯的一端面平齐，所述外层的另一端面为向内凹陷的斜面，所述斜面延伸至所述核芯的另一端面；
所述斜面与核芯端面之间的夹角为135～150°。
8.权利要求1～7任一项所述金属燃料推进剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制作模具，模具分为聚氨酯材料的外模具和不锈钢材料的内模具，外模具由圆筒形胶套、顶盖和底盖组成，顶盖为圆柱体，底盖为一侧带有倒角的圆柱体，倒角侧位于模具内侧，倒角角度和斜面与推进剂核芯端面之间的夹角相同；内模具为圆筒形不锈钢，厚度为1mm，直径与底盖倒角后的小圆直径形同，将圆筒形内模具置于所述外模具内部，放在中心位置，得到模具；
步骤二：打开外模具顶盖，将核芯原料置于所述圆筒形内模具中，将外层原料置于圆筒形内模具和外模具之间的夹层内，两种原料加至相同高度，取出圆筒形内模具，盖上模具顶盖，得到带外模具的金属燃料推进剂；
步骤三：对所述带外模具的金属燃料推进剂依次进行抽真空处理和密封，然后放入等静压机内进行压制，压制结束后，去除外模具，得到所述的金属燃料推进剂；
所述核芯原料包括金属颗粒、氧化剂和粘合剂；所述外层原料包括金属颗粒和粘合剂。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为150～250MPa。
10.权利要求1～7任一项所述的金属燃料推进剂的应用，其特征在于，制备的金属燃料推进剂应用在发动机中。
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