固体火箭发动机固体推进剂

固体推进剂是由氧化剂、燃料(可燃剂)和其他添加剂组成的固体混合物，按配方组分性质可分为单基推进剂、双基推进剂、复合推进剂、改性双基推进剂等。按质地均匀性可分为均质推进剂(如单基、双基推进剂)和非均质推进剂(如复合推进剂、改性双基推进剂)；按照能级，推进剂可分为高能、中能和低能。比冲大于2450 nS/kg(即250秒)的推进剂为高能，比冲在2255 nS/kg(即230秒)到2450 nS/kg之间的为中能，比冲小于2255 nS/kg的为低能。根据特征信号可分为有烟、微烟和无烟推进剂。固体推进剂的分类简单基础推进剂由单一化合物组成(如硝化纤维素，简称硝化棉)。其分子结构中含有可燃剂和氧化剂，溶解在挥发性溶剂中，溶胀、塑化、挤出成型，然后除去溶剂。现代固体发动机不再使用单基推进剂，因为其能量水平低。复合推进剂的理论比冲为225 ~ 265秒(2200~2600 nS/kg)，密度为1.65~1.80 g/cm3。危险等级为1.3。复合推进剂采用分离的可燃和氧化剂材料，以液态聚合物粘结剂为燃料，加入结晶氧化剂固体填料和其他添加剂，熔融固化成多相物体。为了提高能量和密度，可以添加一些粉末状轻金属材料作为可燃剂，例如铝粉(al)。复合推进剂通常以粘结剂的化学名命名。氧化剂通常占推进剂总重量的60~90%。许多无机化学物质可用作氧化剂，如高氯酸盐(高氯酸钾、高氯酸铵、高氯酸锂)和硝酸盐(硝酸铵、硝酸钾、硝酸钠)。目前应用最广泛的是高氧含量的高氯酸胺(AP)。聚合物既用作可燃剂，又用作粘合剂，常用的有聚硫橡胶、聚氨酯(PU)、聚丁二烯-丙烯腈(PBAN)、端羧基聚丁二烯(CTPB)、端羟基聚丁二烯(HTPB)、端羟基聚醚(HTPE)、聚氯乙烯。其他添加剂一般包括:调节燃烧速度的燃烧速度调节剂；改善燃烧性能的燃烧稳定剂；机械性能优于基础粘合剂的增塑剂；降低机械敏感性的稳定剂；用于改善储存性能的抗老化剂；稀释剂、湿润剂、固化剂和固化催化剂，以改善工艺性能。除热塑性聚乙烯推进剂外，一般都是用浇铸工艺制成，工艺简单，适合制作各种尺寸的药柱。复合推进剂综合性能好、温度范围宽、能量高、力学性能好，广泛应用于各类固体火箭发动机，尤其是大型火箭发动机。1942年，美国研制出沥青高氯酸钾复合推进剂，第一代复合推进剂聚硫橡胶推进剂出现在40年代末。现在常用的是PBAN和丁羟推进剂。PBAN推进剂用于民兵3和航天飞机固体助推器，HTPB推进剂用于“和平卫士”MX的第一和第二级，CTPB推进剂用于法属M4，CTPB复合推进剂也用于中国的巨浪-1。改性双基推进剂包括复合改性双基推进剂(CMDB)和交联改性双基推进剂(简称XLDB)。理论比冲为260 ~ 270秒(2550~2646 N秒/kg)，密度为1.75~1.80 g/cm3。危险等级为1.1。在双基推进剂的基础上，大幅度降低基础组分硝化纤维素和硝化甘油的比例，增加高能固体组分，包括氧化剂(高氯酸铵AP、[RDX]或[HMX])和可燃剂(铝粉等。).硝化棉(含氮量约为12%)以硝化甘油为粘结剂增塑，或硝化棉和硝化甘油为粘结剂，硝化甘油也作为增塑剂，并加入一些添加剂。混合后，通过挤出成型或浇铸成型制成复合改性双基推进剂(CMDB)。在CMDB公式的基础上，加入高分子化合物作为交联剂，其活性基团与硝化棉上残留的(未酯化的)羟基发生化学反应，形成预聚物，预聚物的大分子主链之间形成化学键，交联成网络结构。该预聚物作为粘结剂，可以大大提高推进剂的力学性能，被称为交联改性双基推进剂(XLDB)。主要交联剂有异氰酸酯(如六亚甲基二异氰酸酯HDI和甲苯二异氰酸酯TDI)、聚酯(如聚乙交酯PGA)、聚氨酯(如聚乙二醇PEG)、端羟基聚丁二烯和丙烯酸酯。改性双基推进剂的能级高于复合推进剂，广泛应用于各种战略战术导弹。美国三叉戟C4潜射战略导弹的三级发动机全部使用XLDB推进剂，称为XLDB-70。在其配方中，固体填料达到70%(包括43%HMX/8% AP/19% Al)，理论比冲为2646N·s/kg。