推進劑

推進劑

推進劑又稱推進藥,有規律地燃燒釋放出能量,產生氣體,推送火箭和飛彈的火藥。要求它具有下列特性:①比衝量高;②密度大;③燃燒產物的氣體(或蒸氣)分子量小,離解度小,無毒、無煙、無腐蝕性,不含凝聚態物質;④火焰溫度不應過高,以免燒蝕噴管;⑤應有較寬的溫度適應範圍;⑥點火容易,燃燒穩定,燃速可調範圍大。⑦物理化學安定性良好,能長期貯存;⑧機械感度小,生產、加工、運輸、使用中安全可靠;⑨經濟成本低、原料來源豐富;⑩若為固體推進劑,還應有良好的力學性質,有較大的抗拉強度和延伸率。常用的推進劑主要有固體、液體兩種,少量固液混合體也在試用。1947年,研製出第二代聚硫橡膠、過氯酸銨、鋁粉複合推進劑。50年代,又相繼創用高分子膠粘劑聚氯乙烯、聚氨酯、聚丁二烯-丙烯酸、聚丁二烯-丙烯酸-丙烯腈、端羧基聚丁二烯和1962年創用端羥基聚丁二烯,製成固體推進劑,比40年代的複合推進劑的性能有所提高至今仍被廣泛套用。

特性

推進劑具有下列特性:①比衝量高;②密度大;③燃燒產物的氣體(或蒸氣)分子量小,離解度小,無毒、無煙、無腐蝕性,不含有凝聚態物質;④火焰溫度不應過高,以免燒蝕噴管;⑤應有較寬的溫度適應範圍;⑥點火容易,燃燒穩定,燃速可調範圍大。⑦物理化學安定性良好,能長期貯存;⑧機械感度小,生產、加工、運輸使用中安全可靠;⑨經濟成本低、原料來源豐富;⑩若為固體推進劑,還應該有良好的力學性質,有較大的抗拉強度和延伸率。常用的推進劑主要有固體、液體兩種,少量固液混合體也在試用。

固體推進劑

推進劑推進劑

20世紀前,黑火藥是世界上唯一的火箭用推進劑。1888~1889年發明的雙基火藥在第二次世界大戰

前,主要用作火炮發射藥。1930年後,英、德兩國將此類雙基火藥擠壓成管狀,用作戰術火箭的推進劑。1944年美國創製雙基推進劑鑄裝成型法,將雙基推進劑用於中程飛彈。1940年創製第一代瀝青、過氯酸鉀複合推進劑,為固體推進劑的發展提供新的途徑。1947年,研製出第二代聚硫橡膠、過氯酸銨、鋁粉複合推進劑。50年代,又相繼創用高分子膠粘劑聚氯乙烯、聚氨酯、聚丁二烯-丙烯酸、聚丁二烯-丙烯酸-丙烯腈、端羧基聚丁二烯和1962年創用端羥基聚丁二烯,製成固體推進劑,比40年代的複合推進劑的性能有所提高至今仍被廣泛套用。

固體推進劑按其組成可分雙基推進劑、複合推進劑、複合雙基推進劑。固體推進劑的理論比沖約為 2157 ~2942N·s/kg,密度約為1.6~2.05g/cm;適用的溫度範圍為-60~150°C;工作壓力的下限為0.1~3MPa。

雙基推進劑

即雙基火藥(見發射藥)是由高分子炸藥和爆炸性溶劑,如硝化棉(見硝酸纖維素)和硝化甘油兩類爆炸基劑再混入少量附加物溶解塑化而製成的,既用於發射藥,也用於推進劑。1930年,英國和德國曾用於製造管狀火箭推進劑。1935年,蘇聯曾用二硝基苯代替一部分硝化甘油製成火箭推進劑。

雙基推進劑的理論比衝量為 2157~2300N·s/kg,密度為1.6g/cm,工作壓力下限為2~4MPa。

複合推進劑

複合推進劑複合推進劑

又稱複合火藥。由充分粉碎的無機氧化劑如過氯酸銨、硝酸銨等,和被用作燃料的高分子膠粘劑均勻包復並加少量附加物而組成聚集態為異相的固體推進劑,是一種燃料加氧化劑類型的火藥。多採用鑄裝法製成各種內孔形狀直徑可大到幾米,主要用於中、遠程飛彈。複合推進劑中的附加物有:增塑劑、防老劑、潤滑劑、燃速調節劑等。

複合推進劑的理論比衝量可達 2942N·s/kg,使用溫度範圍為-60~150°C工作壓力下限為0.1MPa,密度可達2.05g/cm,較雙基推進劑價格低,還可利用氧化劑的粒度大小以調節燃速缺點是燃氣有腐蝕性煙霧難於擠壓成型,所以不適用於槍炮和戰術火箭,

composite propellant 顆粒氧化劑(如高氯酸銨等)分散於聚合物黏合劑連續相中構成的一種固體推進劑。有時還用粉末金屬(如鋁、氫化鋁等)燃料提高能量。依黏合劑聚合物種類分成聚氯乙烯、聚氨酯、聚丁二烯等推進劑。它是一種固體顆粒充填的聚合物複合材料。通常是將液體預聚物經交聯固化而得,可採用澆注工藝製成殼體粘接式的大型固體發動機。廣泛套用於戰略飛彈、戰術飛彈、火箭和航天運載上。

複合雙基推進劑

介於雙基和複合中間類型的火藥。又稱複合雙基火藥、複合改性雙基推進劑或改性雙基推進劑。利用雙基火藥膠包復固體粒子如固體炸藥、固體氧化劑、金屬粉等組成推進劑主體,並含有少量附加物如催化劑、安定劑等形成聚集態為異相的固體推進劑。它可用於軍事和空間的火箭發動機。

由於雙基推進劑的能量較低,且用擠壓法難以製造大型藥柱,因而人們探索改進途徑。1944年美國解決了雙基推進劑的鑄裝方法,50年代又在澆鑄雙基推進劑基礎上加入無機氧化劑,如過氯酸銨和金屬燃料(鋁粉)等從而制出了複合雙基推進劑。中國也於1958年製造了複合雙基推進劑。複合雙基推進劑的主要組分是硝化棉、硝化甘油、過氯酸銨和鋁粉等。

複合雙基推進劑的理論比衝量可達2600N·s/kg,密度可達1.8g/cm,其他性質介於雙基和複合推進劑間。

複合雙基推進劑的製造工藝可分為兩步。第一步先把原料製成複合雙基澆鑄藥粒(1mm大小);第二步再把澆鑄藥粒製成大型柱體推進劑。澆鑄藥粒的製造又分擠壓法和懸浮法兩種,與上法相對應的成型柱體的方法為鑄粒法和配漿法。由於配漿法優點較多,當前實際中多採用此法。它的成型原理和雙基推進劑用的配漿澆鑄法是一樣的只是在配製澆鑄液漿時,把氧化劑過氯酸銨或猛炸藥,如黑索今、金屬燃料(如鋁粉)等,與藥粒一起混拌均勻再與配製的溶劑液混合,拌勻配成澆鑄液漿,進行澆鑄,即成為產品藥柱。

推進劑密度

雖然液氫有很高的I,其密度低是一個重要的缺點:每公斤氫占地的體積是密集燃料(如煤油)7倍多。 這不僅對貯槽設施不利,而且油箱的管道和燃油泵,需要原來體積和重量的7倍。(引擎的oxidiser一側和渣當然不受影響)這使得太空飛行器的乾質量要高得多,所以使用液氫比起預想的不是這么有效。事實上,一些緻密碳氫化合物/液氧推進劑組合具有較高的性能同時,乾重的不利也包括在內。

由於較低的I, 密集推進劑運載火箭,具有更高的起飛質量,但這並不意味著一個成比例的高成本,相反,太空飛行器很可能最終更便宜。液氫生產和儲存是相當昂貴的,並在太空飛行器的設計和製造帶來許多實際困難。

由於較高的整體重量,密集燃料運載火箭必然要求更高的起飛推力,但它攜帶推力的能力要一直持續到達軌道這一點再加上更好的推力/重量比,這意味著密集燃料的太空飛行器達到軌道早些時候,從而儘量減少重力阻力造成的損失因此,這些太空飛行器的有效delta-v要求減少了。

但是,液氫給予明確的優勢,整體重量需要最小;例如土星V飛行器在它的末級使用液氫;降低了重量,這意味著使用密集燃料的第一級可成比例的縮小,節省不少錢,

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