CN112898106B - 一种平台燃烧的高燃速推进剂及其制备方法 - Google Patents

一种平台燃烧的高燃速推进剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种平台燃烧的高燃速推进剂，包括如下质量百分比的组分：粘合剂体系：10～15％；燃料：14～18％；辅助燃料：2～5％；氧化剂：65～70％；燃烧调节剂：0.5～3％：性能调节剂：0.5～2％；其中，燃烧调节剂包括主体燃烧调节剂，主体燃烧调节剂为聚丙烯酸铁，本发明还提供了一种平台燃烧的高燃速推进剂的制备方法。本发明的高燃速推进剂具有压强指数低、理论比冲高、力学性能优的效果。

Description

一种平台燃烧的高燃速推进剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及固体火箭发动机领域，具体涉及一种平台燃烧的高燃速推进剂及其制备方法。
背景技术
固体推进剂的燃速压强指数是表征固体推进剂燃烧稳定性的一个重要标志，一般战略和战术用固体火箭发动机，都需要固体推进剂具有低的压强指数，这样可以减小推进剂在燃烧过程中对压强的依赖性，从而提高发动机工作的可靠性，在一定的发动机燃烧室压强范围内，压强指数低至 0～0.2之间的推进剂称为平台推进剂，上世纪七八十年代，西方国家就大量采用双基平台推进剂应用于战术导弹，美国“陶”式重型反坦克导弹增速发动机装药采用的就是一种高压平台双基推进剂。法国“响尾蛇”地空导弹R440发动机装药也使用了一种高压平台无烟双基推进剂。其他如法、德合制的“米兰”反坦克导弹，法国的“阿克拉”反坦克导弹和英国的“威基特兰”和“斯维费尼”反坦克导弹等，均采用单室双推力发动机，它们也有可能使用在高压下具有平台燃烧效应的双基推进剂。目前丁羟推进剂的研究在美国已经步入成熟，正在向高性能发展，改善丁羟推进剂的燃烧性能就是其中一种研究方向，平台推进剂的低压强指数特性使得其在丁羟体系中得到了很好的应用。
国内王桂兰，赵秀媛等人使用新型燃速添加剂EM503和组合添加剂 EMT，使燃速为5～7mm/s左右的丁羟推进剂得到良好的平台效应。
冉秀伦，杨荣杰等人对HTPB/AP/Al复合推进剂燃速降速剂进行了研究，推进剂配方(质量百分数)：HTPB，8.7％；AP，67.5％；Al，16.5％； DOS，3.4％；降速剂，3.0％；其他，0.9％，结果显示，含季铵盐与碳酸盐组合降速剂的推进剂配方在3.45～12.17MPa压强范围、3.81～4.85mm/s燃速范围内的压强指数为0.2，达到了平台推进剂水平。
曹新富，何耀东等人研究了纳米碳酸盐催化剂对AP/Al/HTPB推进剂的燃速压强指数等的影响。结果表明：纳米催化剂对推进剂在高压强段 (10～18MPa)和低压强段(4～10MPa)的燃烧性能的影响差别较大，在5.41～8.21mm/s燃速范围内压强指数都能降低到0.2以下，均达到平台推进剂水平。
但是目前还未见对高燃速(大于20mm/s)平台推进剂的报导。
发明内容
为解决上述现有技术的弊端，本发明提供了一种综合性能良好、具有平台燃烧特性的高燃速推进剂。
采用了如下技术方案：
一种平台燃烧的高燃速推进剂，包括如下质量百分比的组分：
粘合剂体系：10～15％；
燃料：14～18％；
辅助燃料：2～5％；
氧化剂：65～70％；
燃烧调节剂：0.5～3％：
性能调节剂：0.5～2％；
其中，所述燃烧调节剂包括主体燃烧调节剂，所述主体燃烧调节剂为聚丙烯酸铁。
进一步的，所述燃烧调节剂还包括辅助燃烧调节剂，所述辅助燃烧调节剂为三氧化二铁、四氧化三铁、卡托辛、亚铬酸铜和正辛基二茂铁中的一种或几种。
进一步的，所述粘合剂体系包括粘合剂、固化剂、增塑剂和键合剂；
所述粘合剂为端羟基聚丁二烯；
所述固化剂为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯中的一种或几种；
所述增塑剂为癸二酸二异辛酯和/或乙酰柠檬酸三乙酯；
所述键合剂为丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯-丙烯腈-烯丙胺-丙烯酸羟乙酯共聚物。
进一步的，所述燃料为多种粒径的铝粉，所述铝粉的粒径范围1～10μm。
进一步的，所述辅助燃料为粒径在1～10μm之间的硼镁合金粉和/或硼铝合金粉。
进一步的，所述氧化剂为多种粒径的高氯酸铵、高氯酸钾和三氨基胍硝酸盐中的一种或几种，所述氧化剂的粒径范围为0.5～400μm。
进一步的，所述性能调节剂为三苯基铋、乙酰丙酮铁、卵磷脂、三[1-(2- 甲基)氮丙啶基]氧化膦、三氟化硼三乙醇胺、N-甲基对硝基苯胺、N,N-二苯基对苯二胺、N-苯基-2-萘胺和N-苯基-N-环己烷基对苯二胺中的一种或几种。
本发明还提供了一种平台燃烧的高燃速推进剂的制备方法，包括如下步骤：
1)在干燥环境中，按推进剂的组分及质量百分比称取原料；
2)将键合剂，燃烧调节剂和性能调节剂加入到粘合剂中，混匀，再加入增塑剂进行手工预混，混匀，得到预混药浆；
3)将预混药浆加入混合机中，加入燃料和辅助燃料，混匀；
4)将氧化剂分批加入混合机进行混合；
5)药浆混合均匀后加入固化剂继续混匀，得到推进剂药浆；
6)将推进剂药浆真空浇注到模具或发动机中，放置于干燥环境中固化，即得到推进剂成品；
其中，步骤1)中推进剂的组分及质量百分比为：
粘合剂体系：10～15％；
燃料：14～18％；
辅助燃料：2～5％；
氧化剂：65～70％；
燃烧调节剂：0.5～3％：
性能调节剂：0.5～2％；
其中，所述粘合剂体系包括粘合剂、固化剂、增塑剂和键合剂；所述燃烧调节剂包括聚丙烯酸铁。
进一步的，步骤6)所述的固化温度为70℃，固化时间为7d。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果为：
1)本发明的推进剂中引入了聚丙烯酸铁燃烧调节剂，聚丙烯酸铁是一种新型高分子高效燃速催化剂，可以降低推进剂的压强指数并提高推进剂的燃速，产生平台效应，提升推进剂的力学性能。
2)本发明的推进剂中引入了丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯-丙烯腈-烯丙胺- 丙烯酸羟乙酯共聚物键合剂，进一步改善推进剂的力学性能；引入了硼镁合金粉和硼铝合金粉，提高了推进剂的理论比冲；引入了多种粒径的氧化剂和燃料，在不降低推进剂燃速的情况下进一步降低推进剂的压强指数。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面对本发明实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
现有的推进剂只能在低燃速范围内具有良好的平台效应，达到平台推进剂水平，即现有的高燃速推进剂并不能达到平台推进剂的水平，为了在高燃速(大于20mm/s)范围内实现推进剂的平台效应，由此提出本发明，本发明公开了如下技术方案：
一种平台燃烧的高燃速推进剂，包括如下质量百分比的组分：
粘合剂体系：10～15％；
燃料：14～18％；
辅助燃料：2～5％；
氧化剂：65～70％；
燃烧调节剂：0.5～3％：
性能调节剂：0.5～2％；
其中，燃烧调节剂包括主体燃烧调节剂，主体燃烧调节剂为聚丙烯酸铁(PAAF)。
聚丙烯酸铁(PAAF)是丙烯酸铁聚合生成的新型高分子高效燃速催化剂，将聚丙烯酸铁作为催化剂加入到推进剂中，可以降低推进剂的压强指数，产生平台效应，同时还可以提高推进剂的燃速，使得推进剂可以在高燃速(大于20mm/s)范围内，达到平台推进剂水平。
在一种实施例中，燃烧调节剂还包括辅助燃烧调节剂，辅助燃烧调节剂优选为三氧化二铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)、卡托辛(GFP)、亚铬酸铜 (CC)和正辛基二茂铁(OFC)中的一种或几种。
在一种实施例中，粘合剂体系包括粘合剂、固化剂和增塑剂；
粘合剂优选为端羟基聚丁二烯(HTPB)；固化剂优选为甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)中的一种或几种；增塑剂优选为癸二酸二异辛酯(DOS)和/或乙酰柠檬酸三乙酯(ATEC)。
在另一种更优的实施例中，粘合剂体系还包括键合剂，键合剂优选为丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯-丙烯腈-烯丙胺-丙烯酸羟乙酯共聚物(PANE)，该键合剂可以增强界面的结合力，改善推进剂的力学性能。
在一种实施例中，燃料优选为多种粒径的铝粉(Al)，铝粉的粒径范围为 1～10μm；进一步的，辅助燃料优选为粒径在1～10μm之间的硼镁(BM)合金粉和/或硼铝(BA)合金粉，通过添加合金金属，可以提高推进剂的比冲。
在一种实施例中，氧化剂优选为多种粒径的高氯酸铵(AP)、高氯酸钾 (KP)和三氨基胍硝酸盐(TAGN)中的一种或几种，氧化剂的粒径范围优选为 0.5～400μm。
通过选用多种粒径的氧化剂和燃料，使推进剂中的氧化剂和燃料有一定的粒度级配，在不降低推进剂燃速的情况下进一步降低推进剂的压强指数。
在一种实施例中，性能调节剂优选为三苯基铋(TPB)、乙酰丙酮铁 (FeAA)、卵磷脂(Lin)、三[1-(2-甲基)氮丙啶基]氧化膦(MAPO)、三氟化硼三乙醇胺(TFB-TEA)、N-甲基对硝基苯胺(MNA)、N,N-二苯基对苯二胺(防老剂DPPD)、N-苯基-2-萘胺(防老剂D)和N-苯基-N-环己烷基对苯二胺(防老剂4010)中的一种或几种。
本发明的推进剂跟其它平台推进剂相比，具有高燃速性；跟其它高燃速推进剂相比，具有比冲较高、压强指数低和力学性能好的优点。
本发明还提供了一种平台燃烧的高燃速推进剂的制备方法，包括如下步骤：
1)在干燥环境中，按推进剂的组分及质量百分比称取原料；
2)将键合剂、燃烧调节剂和性能调节剂加入到粘合剂中混匀，再加入增塑剂进行手工预混，混匀，得到预混药浆；
3)将预混药浆加入混合机中，加入燃料和辅助燃料，混匀；
4)将氧化剂分批加入混合机进行混合；
5)药浆混合均匀后加入固化剂继续混匀，得到推进剂药浆；
6)将推进剂药浆真空浇注到模具或发动机中，放置于70℃左右的干燥环境中固化7天，即得到推进剂成品。
其中，步骤1)中推进剂的组分及质量百分比为：
粘合剂体系：10～15％；
燃料：14～18％；
辅助燃料：2～5％；
氧化剂：65～70％；
燃烧调节剂：0.5～3％：
性能调节剂：0.5～2％；
其中，粘合剂体系包括粘合剂、固化剂、增塑剂和键合剂，燃烧调节剂包括聚丙烯酸铁。
需要声明的是，本发明所涉及到的所有试剂均为常规的市售化学试剂，对纯度级别不做具体限制。
为了研究本发明的高燃速推进剂的性能，制作了实施例1～4和对比例 1，各实施例和对比例的推进剂组成和性能如下：
实施例1
(1)高燃速推进剂组成
Figure BDA0002903486790000061
(2)高燃速推进剂性能
Figure BDA0002903486790000062
Figure BDA0002903486790000071
实施例2
(1)高燃速推进剂组成
Figure BDA0002903486790000072
(2)高燃速推进剂性能
Figure BDA0002903486790000073
实施例3
(1)高燃速推进剂组成
Figure BDA0002903486790000074
(2)高燃速推进剂性能
Figure BDA0002903486790000081
实施例4
(1)高燃速推进剂组成
Figure BDA0002903486790000082
(2)高燃速推进剂性能
Figure BDA0002903486790000083
由实施例1～4的性能测试结果得出，本发明的高燃速推进剂的燃速可以达到高燃速要求，且压强指数n(4～12MPa)均小于0.2，达到平台推进剂的水平。
对比例1
对比例1是最接近的某高燃速推进剂的配方组成和性能，以进行比较。
(1)高燃速推进剂组成
Figure BDA0002903486790000091
(2)高燃速推进剂性能
Figure BDA0002903486790000092
将本发明的实施例1～4和对比例1的推进剂的性能进行比对：
1)实施例1～4与对比例1的密度和燃烧相当，但是实施例1～4的压强指数n(4～12MPa)在0.02～0.12之间，达到了平台推进剂的水平，而对比例1的压强指数n(4～12MPa)为0.22，不能满足平台推进剂的要求，这是因为本发明添加了聚丙烯酸铁(PAAE)为燃烧调节剂，在不影响燃速的前提下具有降低压强指数的效果，同时本发明的氧化剂和燃料按照一定的粒度级配进行搭配，进一步降低了压强指数。
2)实施例1～4的理论比冲均远远大于对比例1，这是因为本发明添加了 BM和BA合金粉作为辅助燃料，具有提高推进剂理论比冲的效果。
3)实施例1～4的力学性能，即最大抗拉强度σm(20℃)和最大伸长率εm (20℃)，均高于对比例1，这是因为本发明添加了PANE共聚物作为键合剂，与PAAE一起，提高了推进剂的力学性能。
综上所述，本发明的高燃速推进剂，跟现有技术相比，可以达到平台推进剂的水平，同时在理论比冲和力学性能方面也有一定的提升。
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 (9)

1.一种平台燃烧的高燃速推进剂，其特征在于：包括如下质量百分比的组分：
粘合剂体系：10～15％；
燃料：14～18％；
辅助燃料：2～5％；
氧化剂：65～70％；
燃烧调节剂：0.5～3％：
性能调节剂：0.5～2％；
其中，所述燃烧调节剂包括主体燃烧调节剂，所述主体燃烧调节剂为聚丙烯酸铁。
2.根据权利要求1所述的高燃速推进剂，其特征在于：所述燃烧调节剂还包括辅助燃烧调节剂，所述辅助燃烧调节剂为三氧化二铁、四氧化三铁、卡托辛、亚铬酸铜和正辛基二茂铁中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的高燃速推进剂，其特征在于：所述粘合剂体系包括粘合剂、固化剂、增塑剂和键合剂；
所述粘合剂为端羟基聚丁二烯；
所述固化剂为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯中的一种或几种；
所述增塑剂为癸二酸二异辛酯和/或乙酰柠檬酸三乙酯；
所述键合剂为丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯-丙烯腈-烯丙胺-丙烯酸羟乙酯共聚物。
4.根据权利要求1所述的高燃速推进剂，其特征在于：所述燃料为多种粒径的铝粉，所述铝粉的粒径范围为1～10μm。
5.根据权利要求1所述的高燃速推进剂，其特征在于：所述辅助燃料为粒径在1～10μm之间的硼镁合金粉和/或硼铝合金粉。
6.根据权利要求1所述的高燃速推进剂，其特征在于：所述氧化剂为多种粒径的高氯酸铵、高氯酸钾和三氨基胍硝酸盐中的一种或几种，所述氧化剂的粒径范围为0.5～400μm。
7.根据权利要求1所述的高燃速推进剂，其特征在于：所述性能调节剂为三苯基铋、乙酰丙酮铁、卵磷脂、三[1-(2-甲基)氮丙啶基]氧化膦、三氟化硼三乙醇胺、N-甲基对硝基苯胺、N,N-二苯基对苯二胺、N-苯基-2-萘胺和N-苯基-N-环己烷基对苯二胺中的一种或几种。
8.一种平台燃烧的高燃速推进剂的制备方法，包括如下步骤：
1)在干燥环境中，按推进剂的组分及质量百分比称取原料；
2)将键合剂，燃烧调节剂和性能调节剂加入到粘合剂中，混匀，再加入增塑剂进行手工预混，混匀，得到预混药浆；
3)将预混药浆加入混合机中，加入燃料和辅助燃料，混匀；
4)将氧化剂分批加入混合机进行混合；
5)药浆混合均匀后加入固化剂继续混匀，得到推进剂药浆；
6)将推进剂药浆真空浇注到模具或发动机中，放置于干燥环境中固化，即得到推进剂成品；
其中，步骤1)中推进剂的组分及质量百分比为：
粘合剂体系：10～15％；
燃料：14～18％；
辅助燃料：2～5％；
氧化剂：65～70％；
燃烧调节剂：0.5～3％：
性能调节剂：0.5～2％；
其中，所述粘合剂体系包括粘合剂、固化剂、增塑剂和键合剂；所述燃烧调节剂包括聚丙烯酸铁。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤6)所述的固化温度为70℃，固化时间为7d。
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