[科普中國(guó)]-富燃料推進(jìn)劑

基本概念

富燃料推進(jìn)劑，又稱貧氧推進(jìn)劑，其組成和制造方法與復(fù)合固體推進(jìn)劑基本相同，只是氧化劑含量減少，主要用于固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主推進(jìn)劑。此外，還可作液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器、渦輪起動(dòng)器以及貯箱增壓、蓄壓器的能源介質(zhì)。

Mg、Al金屬富燃料推進(jìn)劑前蘇聯(lián)于上個(gè)世紀(jì)60年代研制了裝配第三代整體式固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的SA-6導(dǎo)彈，發(fā)動(dòng)機(jī)采用富燃料煙火藥推進(jìn)劑，主要的成分Mg為64%，為24%，熱值約為18.8MJ/kg，比沖小于4.9kN· s/kg。日本也開展了富燃料推進(jìn)劑研制，已研究了0% ～ 70%鋁粉含量推進(jìn)劑的燃燒性能，認(rèn)為維持推進(jìn)劑自燃的鋁的最大含量為50%，在發(fā)動(dòng)機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)中，通過6倍空氣補(bǔ)燃，含鋁推進(jìn)劑在扣除殘?jiān)笥?jì)算得到5.88kN· s/kg ～7.84kN· s/kg的理論比沖。

Mg、Al富燃料推進(jìn)劑配方中Mg、Al金屬為40%，丁羥膠粘合劑體系為17% ～ 20%，氧化劑AP為32% ～ 38%，推進(jìn)劑密度為1.55g/ ～ 1.65g/ 。推進(jìn)劑熱值22MJ/kg～ 24MJ/kg，固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)比沖約為5 500N· s/kg ～ 7 000 N· s/kg，雖然低于使用煤油的液體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(11kN· s/kg～ 13kN· s/kg)和高能含硼富燃料推進(jìn)劑(9kN·s/kg～ 10kN· s/kg)，但Mg、Al富燃料推進(jìn)劑與空氣燃燒所需的理論空氣量較低(L=3 ～ 4)，低于含硼富燃料推進(jìn)劑(L=6 ～7)，能達(dá)到最高的推力系數(shù)和機(jī)動(dòng)性。

鋁粉熱值界于硼粉和鎂粉之間，而密度最大，適用于中能富燃料推進(jìn)劑，但一次燃燒溫度較低(2000K左右)，鋁粉幾乎不參與燃燒反應(yīng)，一般只經(jīng)過因氧化劑的燃燒而熔化，然后再凝結(jié)的物理過程。即使鋁粉含量較低，也可能發(fā)生“燒結(jié)現(xiàn)象”，鋁粉的凝聚物將沉積于噴管和噴喉，嚴(yán)重時(shí)將造成燃?xì)獍l(fā)生器的堵塞。這主要因?yàn)檠a(bǔ)燃室的溫度遠(yuǎn)低于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度，因而鋁粉的燃燒效率也低于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

為了提高鋁粉的燃燒效率，主要的解決途徑是添加鎂粉，因?yàn)殒V粉的沸點(diǎn)低，一次燃燒產(chǎn)物主要以氣相存在，不僅降低凝聚相的含量，而且Mg燃燒時(shí)需要的理論空氣量是常用金屬中最少的，以至于在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的極端情況下，仍能保持較好的燃燒效率，在補(bǔ)燃室能充分燃燒，燃燒時(shí)能為補(bǔ)燃室提供較高的燃溫，促進(jìn)鋁化合物的充分燃燒。

目前，Mg、Al富燃料推進(jìn)劑已通過氧化劑AP粒度級(jí)配和二茂鐵催化劑解決了燃速調(diào)節(jié)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)3MPa下2mm/s～20mm/s可調(diào)，較高含量的HTPB體系也使推進(jìn)劑具有較好的工藝性能和力學(xué)性能；技術(shù)難點(diǎn)是提高壓力指數(shù)和降低殘?jiān)夹g(shù)。1

含硼富燃料推進(jìn)劑硼的燃燒熱大(58.7MJ/kg)，單位質(zhì)量熱值高于一切已實(shí)際應(yīng)用的金屬組分；密度高(2.2g/ )，容積熱值最高，幾乎是碳?xì)淙剂系娜?；硼燃燒產(chǎn)物在噴管流動(dòng)過程中呈氣態(tài)，減小了兩相流損失，流動(dòng)過程優(yōu)于鋁鎂，因此，硼是高能富燃料推進(jìn)劑較合適的燃料。從上個(gè)世紀(jì)70 年代開始，美國(guó)和德國(guó)率先開展了高能含硼富燃料推進(jìn)劑的研究，其中，美國(guó)Thiokd聚硫橡膠公司和Hercules公司首次提出了用硼做高能燃料，并對(duì)此進(jìn)行了大量研究，生產(chǎn)了可用的含硼藥柱。法國(guó)宇航公司(ONERA)和德國(guó)的MBB公司為第二代反艦導(dǎo)彈研制了固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。MBB公司研制了高能富燃料推進(jìn)劑和調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器流量的措施，其中含硼量高達(dá)50%，聚丁二烯粘結(jié)劑和高氯酸銨氧化劑等的含量為50%。硼含量的不同使推進(jìn)劑熱值在35.5MJ/kg～ 39.7MJ/kg范圍內(nèi)變化，比重約為1.7g/ 。含硼富燃料推進(jìn)劑燃燒性能的改善主要是提高含硼富燃料推進(jìn)劑的一次噴射效率和二次燃燒效率。2

在富硼推進(jìn)劑的研究中，制約含硼推進(jìn)劑應(yīng)用的首要問題是硼在HTPB體系中存在工藝惡化問題。B粉表面的雜質(zhì) 、 與HTPB中羥基反應(yīng)生成硼酸酯，引起凝膠化反應(yīng)，生成高粘度的懸浮體系，隨著攪拌會(huì)形成彈性絲狀凝膠而導(dǎo)致工藝惡化，導(dǎo)致藥漿粘度增大，難以澆注。含硼推進(jìn)劑工藝性能較差，除了因?yàn)锽與HTPB不相容，改善B燃燒而添加的Mg粉對(duì)工藝也有不良影響，使推進(jìn)劑藥漿出現(xiàn)彈性“凝聚團(tuán)”現(xiàn)象。試驗(yàn)研究表明，對(duì)Mg粉消除處理，MgO能改善工藝性能，這可能是由于鎂粉貯存過程中表面氧化，MgO與HTPB不相容。

其次，硼的點(diǎn)火和燃燒性能較差。熱力學(xué)計(jì)算表明，含硼推進(jìn)劑具有很高的能量，這種高能量只有當(dāng)硼粉在極其短暫的燃燒室停留時(shí)間內(nèi)(通常低于5ms)充分燃燒才能實(shí)現(xiàn)，但硼在低壓下存在點(diǎn)火、燃燒時(shí)間長(zhǎng)和燃燒不穩(wěn)定等問題。因?yàn)榕鸬娜埸c(diǎn)和沸點(diǎn)高，難以熔化和氣化，硼的燃燒是表面氧化過程，因而燃燒效率較低。溫度較低時(shí)，硼氧化十分緩慢，當(dāng)溫度上升到1850K時(shí)，硼的氧化速率劇增到每毫秒零點(diǎn)幾個(gè)微米。大多數(shù)研究者認(rèn)為，硼的燃點(diǎn)為1850K，因而，當(dāng)溫度達(dá)到1850K以上，硼才能點(diǎn)燃，而且點(diǎn)火延遲期較長(zhǎng)，即使平均粒徑為2μm的硼粒子，其著火與燃燒長(zhǎng)達(dá)11ms，如果顆粒粗大，則在有限的燃燒室長(zhǎng)度下難以完全燃燒。

為了改善含硼推進(jìn)劑的燃燒性能和工藝性能，已經(jīng)探索了多種硼粒子的表面處理技術(shù)，主要處理方法有提純、包覆和團(tuán)聚。其中，表面包覆是硼粉表面處理的核心，因?yàn)楹线m的包覆劑能改善推進(jìn)劑的工藝、點(diǎn)火和燃燒。1

碳?xì)涓蝗剂贤七M(jìn)劑碳?xì)涓蝗剂贤七M(jìn)劑通過碳?xì)浠衔?、高分子化合物和粘合劑體系本身提高能量，如聚苯乙烯、碳黑等。與Mg、Al推進(jìn)劑相比，碳?xì)涓蝗剂贤七M(jìn)劑的燃燒分解溫度低，分解產(chǎn)生的CH碎片極易燃燒，補(bǔ)燃效率高，而且燃燒氣體清潔，發(fā)動(dòng)機(jī)羽流煙霧小，屬于低特征信號(hào)推進(jìn)劑。理論計(jì)算表明，含碳黑30%推進(jìn)劑的熱值比含鎂65%的推進(jìn)劑高15%，而在實(shí)際燃燒中，其燃燒完全，將可能表現(xiàn)出更優(yōu)秀的性能。

碳?xì)涓蝗剂贤七M(jìn)劑的熱值都較高(約為41.8MJ/kg)，但一般高分子化合物的密度遠(yuǎn)小于金屬燃料，因而推進(jìn)劑的密度較小，體積熱值不會(huì)超過硼燃料，而且燃?xì)獍l(fā)生器一次燃燒溫度低，燃?xì)庠谘a(bǔ)燃室中不能自動(dòng)點(diǎn)火，需要提供外部點(diǎn)火源。添加鎂鋁金屬粉的多組元推進(jìn)劑容積熱值較高，發(fā)生器的一次燃溫較高，在二次燃燒室可以自動(dòng)點(diǎn)火。

目前有一種多環(huán)十一烷(PCU)烯烴二聚物是高密度燃料(ρ =1.2 g/ ～1.3g/ )，生成熱較高(+231.5kJ/mol)。僅有的數(shù)據(jù)表明，其在一定環(huán)境條件下穩(wěn)定，適于室溫下長(zhǎng)期貯存。尤為重要的是，在相同熱力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)下，二聚物的點(diǎn)火時(shí)間比HTPB燃料快一個(gè)數(shù)量級(jí)，燃燒釋放的熱量至少高2倍，其完全適合于固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠保證低壓和高速橫向氣流中的點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定性。1

發(fā)展與應(yīng)用固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主要由放置富燃料推進(jìn)劑藥柱的燃?xì)獍l(fā)生器(一次燃燒室)和補(bǔ)燃室(二次燃燒室)組成，其中，熱值高、燃燒穩(wěn)定性良好和噴射效率高的富燃料推進(jìn)劑是決定沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力水平的關(guān)鍵因素。

固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)富燃料推進(jìn)劑的要求（1）較高的體積熱值為了增加導(dǎo)彈的射程，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的消極質(zhì)量，富燃料推進(jìn)劑除了力學(xué)性能、安全性能和儲(chǔ)存性能基本要求，其首要技術(shù)指標(biāo)是較高的體積熱值。增大體積熱值的途徑有：添加高能燃燒劑和增大推進(jìn)劑的密度。對(duì)于現(xiàn)有推進(jìn)劑組分，其密度一定，增加推進(jìn)劑密度的方法十分有限，因此，主要通過添加高能燃燒劑提高富燃料推進(jìn)劑的體積熱值；（2）推進(jìn)劑燃燒效率高由于富燃料推進(jìn)劑氧化劑含量低，推進(jìn)劑組分以粘合劑碎片、金屬燃料液滴及部分終產(chǎn)物的形式進(jìn)入沖壓燃燒室，而燃燒室內(nèi)空氣流動(dòng)快，燃料停留時(shí)間短，因而燃燒效率較低，影響發(fā)動(dòng)機(jī)比沖效率的提高。通過燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)，組織空氣與燃料進(jìn)行充分燃燒是一條首選途徑，同時(shí)，從推進(jìn)劑配方調(diào)整角度，可以添加高效燃燒催化劑，提高燃?xì)獍l(fā)生器的噴射效率，降低燃料的燃燒活化能，提高推進(jìn)劑的燃燒效率；（3）較低燃燒壓力下具有較高的燃速和壓力指數(shù)在高空低壓狀態(tài)下，非壅塞式固沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力較低，推進(jìn)劑具有較高的燃速才能保持穩(wěn)定和正常燃燒，不致于熄火。理論計(jì)算表明，燃燒室壓力要達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，要求富燃料推進(jìn)劑的燃速在0.5MPa下為10mm/s以上，壓力指數(shù)為0.5～ 0.7；（4）燃燒產(chǎn)物具有良好的成氣性，且固態(tài)產(chǎn)物的顆粒較小推進(jìn)劑在燃?xì)獍l(fā)生器中燃燒后氣態(tài)產(chǎn)物越多，有利于燃料碎片和空氣充分摻混、燃燒，提高沖壓燃燒室的燃燒效率；固態(tài)產(chǎn)物的顆粒越小，與空氣的接觸、燃燒越充分，能確保固態(tài)燃料顆粒在沖壓燃燒室燃燒釋放能量，而不是在燃燒室外，因此不會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)比沖的降低。1

發(fā)展趨勢(shì)隨著固體火箭沖壓技術(shù)的發(fā)展和導(dǎo)彈系統(tǒng)綜合性能的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)富燃料推進(jìn)劑將會(huì)提出更高的要求，如較高的能量水平和安全性能，推進(jìn)劑的燃燒可控，燃?xì)饬髁侩S導(dǎo)彈飛行狀態(tài)可變。而目前的固體富燃料推進(jìn)劑均難以滿足后者的要求，因此，為了適應(yīng)武器型號(hào)需求，未來的富燃料推進(jìn)劑應(yīng)在以下幾個(gè)方面有突破性進(jìn)展：（1）提高實(shí)測(cè)能量和燃燒效率。高能含硼富燃料推進(jìn)劑(9kN· s/kg～ 10kN· s/kg)的理論比沖高，但B燃燒效率較低,實(shí)測(cè)比沖較小，此外，HTPB/AP/B體系存在硼的點(diǎn)火和澆藥工藝?yán)щy等問題，因此須開展新型含硼推進(jìn)劑體系的研究；（2）能量可控。21世紀(jì)固體推進(jìn)劑的發(fā)展面臨著三個(gè)目標(biāo)：低特征信號(hào)、低感度、靈活的能量控制。目前固體推進(jìn)劑的一個(gè)缺點(diǎn)是點(diǎn)火后推力不可調(diào)，對(duì)于固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，通過閥門調(diào)控推力的途徑不完全有效，而采用膏狀推進(jìn)劑可能是研制能量可控沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的有效途徑之一；（3）降低特征信號(hào)隨著武器系統(tǒng)隱身性能的不斷提高，采用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣式導(dǎo)彈也有低特征信號(hào)的應(yīng)用要求。美國(guó)陸軍MICOM已將低特征信號(hào)作為衡量火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈綜合性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，已先后研究過有煙富燃料推進(jìn)劑和低特征信號(hào)富燃料推進(jìn)劑。以含能粘合劑為主要組分是低特征信號(hào)富燃料推進(jìn)劑的發(fā)展方向之一。1