WO2015176307A1

WO2015176307A1 - 一种自燃液体推进剂组合物

Info

Publication number: WO2015176307A1
Application number: PCT/CN2014/078286
Authority: WO
Inventors: 邹吉军; 潘伦; 张香文; 王莅
Original assignee: 天津大学
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-11-26

Abstract

一种自燃液体推进剂组合物，包括以下分开存放的组分：四环庚烷；氧化剂，其选自硝酸、四氧化二氮或过氧化氢。本发明还公开了一种自燃液体推进剂组合物，包括以下分开存放的组分：包含四环庚烷的液体烃类燃料；氧化剂，其选自硝酸、四氧化二氮或过氧化氢。该自燃液体推进剂使用了低毒无害的四环庚烷燃料，比传统的肼类燃料和叠氮化合物燃料更安全且更环保。

Description

一种自燃液体推进剂组合物技术领域

本发明属于自燃液体推进剂领域。

背景技术双组元液体推进剂是广泛使用的火箭液体推进剂，通常是由液体氧化剂和液体燃料构成，它们一般分开贮备，在进入火箭发动机燃烧室的时候进行混合燃烧并提供推力。欢组元推进剂按照点火方式可以分为自燃推进剂和非自燃推进剂。氧化剂和燃料进入火箭发动机燃烧室时能迅速自动着火的双組元推进剂，称为自燃推进剂。例如，红烟硝酸与偏二甲肼、四氧化二氮与偏二甲肼、四氧化二氮与甲基肼的组合物等都属于自燃推进剂。氧化剂与燃料进入火箭发动机燃烧室时不能自动着火而需要辅助点火装置点火才能燃烧的双组元推进剂，称为非自燃推进剂。例如，液氧与液氢、液氧与煤油、红烟硝酸与一些碳氢燃料的组合物都属于非自燃推进剂。自燃推进剂不需要额外的点火源，使用自燃推进剂的发动机系统可靠性高、结构简单。因此，自燃推进剂广泛应用于运载火箭、卫星及飞船等航天飞行器的火箭发动机。如上所述，目前常用的自燃推进剂中的氧化剂有硝酸和四氧化二氮，能与硝酸和四氧化二氮自燃的燃料多数都是肼类化合物，例如偏二甲肼、一甲滸、混肼等，其中偏二甲肼与四氧化二氮的组合物是使用最多的自燃推进剂。但是，肼类化合物存在以下缺点：剧毒、腐蚀性强、着火爆炸危险性高，一旦泄露则会造成严重的人员伤害和环境污染。

因此，人们一直在努力研究新的自燃推进剂，重点是开发新的能与硝酸、四氧化二氮或过氧化氢自燃的燃料。例如，期刊论文

Experimental Study on Hypergol ic Interaction between N, N, ' , ' -Tetramethylethylenediamine and Ni tric Acid , Energy Fuels 2010， 24， 5320 - 5330公开了以四甲基二乙基氨为燃料、发烟硝酸为氧化剂的自燃推进剂；期刊论文 Green Bipropel lants: Hydrogen-Rich Ionic Liquids that Are Hypergol ic with Hydrogen Peroxide ， Angew. Chem. Int. Ed. 2011， 50， 5886 - 5888公开了含有四个硼氢化钠结构的离子液体，能够与过氧化氢或四氧化二氮自燃。

除了肼类化合物外，已经报道的自燃推进剂中的燃料大都是叠氮类物质或高反应性氢化物（例如硼氢化钠）。与肼类化合物相比，这类化合物的毒性有所降低，而且能量有所提高，但是依然存在危险性高的问题，例如，期刊论文 Green Bipropel lants: Hydrogen-Rich Ionic Liquids that Are Hypergol ic with Hydrogen Peroxide, Angew. Chem. Int. Ed. 2011， 50， 5886 - 5888公开的自燃燃料遇空气就立刻燃烧，必须在惰性气体中密封保存，这给燃料的生产、运输和储存带来很多困难。因此，人们希望能有一种毒性更低且可以在常温下运输和贮存的更安全的自燃液体推进剂組合物。本发明提供了这样的自燃液体推进剂组合物。

发明内容

第一方面，本发明提供了一种自燃液体推进剂组合物，包括以下分开存放的组分：四环庚烷液体氧化剂，其选自硝酸、四氧化二氮或过氧化氢。当使用时，将上述分开存放的两种組分在发动机燃烧室混合，即能自燃燃烧。其中，所述硝酸为发烟硝酸或红烟硝酸。其中发烟硝酸是指硝酸浓度为 86% ~ 100%的硝酸，由于强烈的挥发性，不断地有气体从溶液中向外逸出，就^ T烟冒出一样，故称为发烟硝酸。其中红烟硝酸是指其中又溶解有四氧化二氮的发烟硝酸，因四氧化二氮不断地从中逸出，形成红色烟雾，故称为红烟硝酸。发烟硝酸和红烟硝酸都具有强氧化性。第二方面，本发明提供了一种自燃液体推进剂组合物，包括以下分开存放的组分：包含四环庚烷的液体烃类燃料

液体氧化剂，其选自硝酸、四氧化二氮、过氧化氢。

当使用时，将上述分开存放的两种組分在发动机燃烧室混合，即能自燃燃烧。

其中，所述硝酸为红烟硝酸或发烟硝酸。

其中，所述包含四环庚烷的烃类燃料中，还包含选自航空煤油、火箭煤油或高密度烃燃料中的至少一种其它烃类燃料，其中所述其它烃类燃料相对于包含四环庚烷的烃类燃料的体积百分比浓度小于或等于 90%, 四环庚烷相对于包含四环庚烷的烃类燃料的体积百分比浓度为大于或等于 10%;其中所述高密度烃燃料是指 20°C常压下密度大于 0. 85g/cm³ 的烃类燃料，例如 JP- 10 (挂式四氢双环戊二烯）等。

其中，所述硝酸为红烟硝酸或发烟硝酸。

本发明中，四环庚坑是具有下式所示结构的化合物，其分子式为 C₇H₈，根据国际纯粹与应用化学联合会 ( IUPAC ) 的命名规则，化学名称为四环 [3. 2. 0. 0²'⁷. 0⁴'⁶]庚烷

四环庚烷可以来自任何合适来源，例如可以商购，或者采用光化学方法合成，以降冰片二烯为原料、紫外光照射、有机光敏剂或固体光催化剂作为反应的催化剂，通过降水片二烯的分子内加成反应生成四环庚烷。在本发明的优选实施方案中，可以按照中国专利申请 201410052298. 0 (题目为一种光催化降冰片二烯异构化制备四环庚烷的复合催化剂及其制备方法）和中国专利申请 201410052297. 6 (题目为一种高纯度四环庚烷的连续制备方法）中所提供的催化剂和制备方法进行制备。氧化剂选自硝酸、四氧化二氮或过氧化氢。附图简述图 1、为四环庚烷滴加到发烟硝酸中，尚未着火的照片。图 2、为四环庚烷滴加到发烟硝酸中，着火产生火焰的照片。图 3、为四环庚烷滴加到发烟硝酸中，火焰熄灭的照片。

实施例通过以下实施例来进一步说明本发明。实施例仅仅是示例性的，而非限制性的。在常温常压下，按照下表所示的組合将四环庚烷或包含四环庚烷的烃类燃料分别滴加到硝酸、四氧化二氮或过氧化氢中，观察是否能发生自燃。是否发生自燃很容易通过肉眼是否看见火焰来判断。包含四环庚 ^的烃类燃料的組成，氧化剂体积％

四环庚航空煤火箭煤高密度烃发烟硝酸红烟硝酸四氧化过氧化氢烷油油 JP-10 二氮

100 0 0 0 是是是是

90 5 5 0 是是是是

80 5 5 10 是是是是

60 10 10 20 是是是是

30 20 20 30 是是是是

10 90 0 0 是是是是

50 0 50 0 是是是是

90 0 0 10 是是是是

0 30 40 30 否否否否

0 0 0 100 否否否否

0 0 100 0 否否否否

0 100 0 0 否否否否注：其中 "是" 表示能自燃； "否" 表示不能自燃。

可见，仅将航空煤油、火箭煤油或者高密度烃燃料与发烟硝酸、红烟硝酸、四氧化二氮或过氧化氢混合时，并不能产生自燃。但是当掺入四环庚烷后，即便四环庚烷在包含四环庚烷的烃类燃料中的体积百分比浓度低至 10%, 当与发烟硝酸、红烟硝酸、四氧化二氮或过氧化氢混合时，也能产生自燃现象。

本发明的创新之处在于发现了包含四环庚烷的烃类燃料在与发烟硝酸、红烟硝酸、四氣化二氮或过氧化氢混合时能够自燃。这样的组合物，尚未见诸于前人的任何报道中。本发明的自燃燃料组合物，显然优于现有的自燃燃料组合物，因为四环庚烷是烃类，毒性很低，几乎无毒，且可在常温下运输和存储，安全性大大提高。

Claims

权利要求

1.一种自燃液体推进剂组合物，包括以下分开存放的组分：四环庚烷；

氧化剂，其选自硝酸、四氧化二氮或过氧化氢。

2. 根据权利要求 1的自燃液体推进剂组合物，其中所述硝酸为发烟硝酸或红烟硝酸。

3. 一种自燃液体推进剂组合物，包括以下分开存放的组分：包含四环庚烷的液体烃类燃料；

氧化剂，其选自硝酸、四氧化二氮或过氧化氢。

4. 根据权利要求 3的自燃液体推进剂组合物，其中所述包含四环庚烷的烃类燃料中，还包含选自航空煤油、火箭煤油或高密度烃燃料中的至少一种其它烃类燃料，其中所述其它烃类燃料相对于包含四环庚烷的烃类燃料的体积百分比浓度小于或等于 90%，，四环庚烷相对于包含四环庚烷的烃类燃料的体积百分比浓度大于或等于 10%; 其中所述高密度烃燃料是指 20°C 和常压下密度大于 0. 85g/cm³的烃类燃料。

5. 根据权利要求 3的自燃液体推进剂组合物，其中所述硝酸为发烟硝酸或红烟硝酸。