固体推进剂的性能参数及其

固体推进剂的性能参数及其调节固体推进剂的主要性能参数•1比冲go•2密度比冲go•3特征速度go•4推进剂燃速go•5燃速压力指数ngo•6燃速温度系数go•7压力温度系数go•1比冲•在火箭发动机中，单位质量推进剂燃烧时产生的冲量称为推进剂的比冲，以ISP表示为•ISP＝I/m（5.1)•式中：I—火箭发动机的总冲（N·s-1）；m—固体推进剂的总质量（kg）。•此外，推进剂的比冲还可以表示为推力F与推进剂燃烧产物的质量流量m*之比，即•ISP＝F/m*(5.2)•根据推进剂在火箭发动机内的燃烧为绝热过程的假定，推进剂的初始焓全部转变为燃烧产物的焓，同时，按照燃气产物在喷管流动过程中熵不变的假设，则燃气流动中动能的增加来自于其焓的降低，Tc越高，n越大，ISP则越大，所以在推进剂配方设计时，应选取尽可能提高燃温和降低燃气平均相对分子质量（即n大）的成分。•Isp＝［2(HC－He)］1/2(5.3)back•2密度比冲•密度比冲定义为•Iρ＝ISP·ρ(5.4)•式中：Iρ－密度比冲（N·s/m3）；ISP－推进剂的比冲（N·s/kg）；ρ－推进剂的密度（kg/m3）back•3特征速度•特征速度是描述推进剂做功能力的一个重要参数，定义为燃烧室的压力和喷管喉部截面积的乘积与质量流量之比，表示为•c*＝PC·At/m(5.5)•式中：c*—特征速度（m/s)；Pc—燃烧室内的压力（MPa）；At—喷管喉部截面积（m2）；m—质量流量（kg/s）。•由于燃气产物在喷管截面处的质量流量与燃气的密度、速度和截面积有关，特征速度c*虽然其量纲具有速度的特征，但所反应的是燃烧室条件下推进剂本身释放的能量和做功的能力，与喷管结构无关，是衡量推进剂能量的一个方便有效的参数。back•4推进剂燃速•（1）线性燃速（u)•线性燃速是指推进剂燃烧沿表面法线方向固相消失的速度，单位为mm/s。•燃速是一个化学变化的速率问题，受反应物和反应条件的影响，在推进剂的组成确定以后，燃速受推进剂燃烧各反应区的热量向未燃层表面传播速度的控制。•推进剂的燃速关系式一般由实验确定。•设推进剂的燃烧层厚度为e，则推进剂的燃速为•u＝de/dt(5.6)•式中：u—推进剂的燃速（mm/s）；e—推进剂的燃烧层厚度（mm）；t—推进剂燃烧厚度e时燃烧所需要的时间（s）。•（2）质量燃速（um)•质量燃速是指推进剂燃烧时单位时间、单位面积上固相消失的质量，单位为g/（cm2·s），可表示为•um=ρ·u(5.7)•式中：u—推进剂的质量燃速[g/（cm2·s）]；ρ—推进剂的密度（g/cm3）。back•5燃速压力指数n•推进剂的燃速除受推进剂的组分、含量以及物理性能的影响之外，还受初温、压力等外界条件的影响。•燃速对压力敏感的程度可以从下面不同的燃速表达式中看出。•u＝u1pn(5.8)•从理论上讲，燃速系数u1的物理意义是当压力为1MPa时的燃速。•实际上，u1是通过实验数据的处理得到的。•上述燃速公式是一个适用于火箭发动机使用压力范围的燃速—压力关系式，对各种推进剂几乎都通用。•若将该式取对数，则得•lnu＝lnu1＋nlnp(5.9)•对式（5.9)微分，得•n＝dlnu/dlnp(5.10)•式（5.10）可以定义压力指数为燃速对压力的敏感度。•推进剂的燃速压力指数n是表征推进剂燃速与压力关系的重要参数。•n的大小不仅与推进剂的种类、组分有关，而且与压力的大小有关。•不含催化剂的推进剂的n值为0.5～1，平台双基推进剂的压力指数接近于零，复合推进剂的n值为0.2～0.5，NEPE推进剂的n值为0.55～0.68。back•6燃速温度系数•燃速温度系数是指在一定的压力条件下，某一初温范围内，推进剂温度变化1K时所引起的燃速的相对变化量，以σP表示。•（5.11）•式中：T－推进剂的初温，根据推进剂的燃速压力公式，得•（5.12）•根据σp的定义，p为一恒定值，则••（5.13）•式中：u1－燃速公式u＝u1pn中的系数，由u的测定可算出σp。ppTu)ln(ppTunTu)lnln(11111)(udTdup表5.1几种制式推进剂的n和σp推进剂类型n（3.0～10MPa）σp/K-1(6.87MPa)SS-20.4850.0025(+50～－40℃)SQ-20.5260.0023(+60～－40℃)SM-20.5000.00247(+60～－40℃)AP/PS/Al0.2260.0023(+50～－50℃)back•7压力温度系数•压力温度系数是指一定的面喉比（KN）条件下，在某一初温范围内，推进剂初温变化1K时，燃烧室压力的相对变化量，以πk表示，单位为K－1。••（5.14）•推导可知，σp与πk的关系为••（5.15）•由σp及压力指数可求出πk值，常见推进剂的性能如表5.2所示。NKkTp)ln(npk1表5.2某些推进剂的性能back推进剂的性能调节•1能量性能调节go•2燃烧性能调节（燃速）go•3力学性能调节•（1）调节双基推进剂硝酸酯和硝化纤维素的用量•由纤维素经硝酸酯化获得的硝化纤维素的能量高低与生成硝酸酯基的数目有关，一般用氮的质量分数ω（N)表示其酯化度。•提高硝化纤维素中N的质量分数，能够增大推进剂的比冲，双基推进剂使用的硝化纤维素中氮的质量分数一般在12.6％以下，过大不容易被溶剂塑化。•作为双基推进剂的主要含能成分的硝酸酯，除了作出能量贡献以外，其另一重要作用是将硝化纤维素大分子塑化，使之加工成符合设计要求的推进剂药柱。常用的多元醇硝酸酯包括硝化甘油、硝化二乙二醇、硝化三乙二醇等。•由于硝化甘油的性能在许多方面优于其它硝酸酯，所以在双基推进剂中，硝化甘油的应用最为普遍。但是为了获得低温不易晶析的推进剂，往往使用两种硝酸酯的混合物。例如，由NG和BTTN等量组成的混合酯，其冻结温度可降至－40℃左右。此外，虽然DINA为一种熔点50℃左右的固体，但在塑化温度下，对硝化棉有良好的塑化能力，使得有溶塑困难的高氮量硝化棉也可制成性能良好的推进剂。•（2）控制双基推进剂两种含能成分的合理比例，也是调节双基推进剂能量水平的一个关键。•当m(NC)：m(NG)＝0.5时，推进剂的能量水平最高，而且随着安定剂的含量增加而下降。•为了制得力学性能合格的药柱，推进剂中NC的含量远高于NG，m(NC）：m（NG）值一般为2.38～1.78。•由于配方中含有其它功能性添加剂，推进剂的比冲值还会降低。一般双基推进剂在标准发动机中的实测比冲约为1960N·s/kg，而特征速度为1200～1300m/s。•（3）在复合推进剂的能量调节中，应注意选择性能良好的氧化剂，采用释放热量高的轻金属粉末以及使用有较高生成焓和可形成低相对分子质量燃气的粘合剂。•性能好的氧化剂能提供足够的氧，有尽可能高的生成焓和密度等；•性能良好的粘合剂必须与氧化剂化学相容，能够包容较大体积分数（90%左右）的固体填料；•混合操作容易进行，所制得的药浆易于浇注。不同的粘合剂，造成推进剂能量的明显差别。•图5.1是以高氯酸铵和铝粉为固体填料（但粘合剂不同）的推进剂的比冲与固体含量的关系。图5.1不同类型粘合剂的比冲与固体含量的关系1—聚丁二烯；2—聚氨酯；3一硝基增塑剂一聚氨酯；4-NG一聚氨酯；5一双基粘合剂•（4）使用高能燃烧剂是提高复合推进剂能量的重要方法。•铝、镁、硼、铍之类金属燃料在燃烧中可释放出很高的热量，对提高推进剂的燃温、比冲和特征速度有重要作用，是固体推进剂所希望使用的一类高能燃烧剂。•这些轻金属燃料的能量水平顺序为：Be＞B＞A1＞Mg。•由于毒性、消耗氧化剂的数量、密度等原因，在推进剂中应用最广泛的为铝粉，也应用铝镁混合燃料。•采用AlH3替代Al的推进剂比冲能显著地增加，但因AlH3的稳定性和化学活性妨碍了它在推进剂中的应用。back2燃烧性能调节（燃速）•固体推进剂的燃烧性能是直接影响到火箭发动机弹道性能的重要因素，燃速的高低决定了发动机的工作时间。•推进剂燃速受外界压力和温度影响的大小，将直接影响发动机工作性能的稳定性。•控制和调节推进剂的燃烧性能对火箭发动机是十分重要的。•2.1双基推进剂及改性双基推进剂燃速的调节•（1）改变NG的含量和NC的含氮量•双基推进剂的燃速随爆热的增加而增大，爆热随硝化甘油的含量、硝化棉含氮量的增加而上升。•（2）燃速调节剂是改变双基推进剂燃速的主要办法•加少量（质量分数为1％～5%）燃速调节剂不改变或较少改变推进剂其它性能，但能大幅度改变推进剂燃速。•常用的燃速调节剂有铅、铜的氧化物及其有机或无机盐类。•铅、铜化合物可以单独使用，也可以配合使用。•配合使用时，具有协同效应，铜盐可以加强铅盐的催化效果。•硝基乙腈盐[C(NO2)2CN-Me+〕也是双基推进剂的良好增速剂。它既是双基药的重要组分，又能提高燃速，尤其是它的钾盐和钠盐，增速效果特别明显。•导弹姿态控制的动力一般是来自低燃速的燃气发生器，因此要求有燃速低、燃温低、燃气清洁的低燃速推进剂。实现低燃速双基推进剂的技术途径一般是加入草酸盐、聚甲醛、蔗糖八醋酸酯之类的物质。•2.2复合推进剂的燃速调节•调节扩大燃速范围是推进剂研究的一项重要内容，是扩大推进剂品种的一种手段。•当推进剂工作的压力、初温和药柱形状确定以后，调节复合推进剂燃速的主要方法有：改变推进剂的组分（主要是氧化剂和粘合剂的种类），调节氧化剂、金属粉的用量、粒度及其级配，选用合适的燃速调节剂，嵌入金属丝或金属纤维及前几种方法的合理组合。•（1）通过粘合剂和氧化剂控制燃速•粘合剂能改变火焰温度、AP的分解过程、燃烧表面的热平衡、气相反应过程和推进剂燃烧表面的结构，改变粘合剂的种类和用量能有效地改变推进剂的燃速。•氧化剂的含量对推进剂的燃速有重要的影响：以AP为基的复合推进剂，氧化剂含量增加燃速也随之增加；以HMX为氧化剂的复合推进剂，随HMX含量的增加燃速增大，压力指数升高（图5.4)。图5.4—HMX质量分数与压力指数的关系1-w（HMX）＝85％；2-w（HMX）=65％•除了氧化剂的种类之外，可以通过氧化剂的粒度控制推进剂的燃速。•推进剂的燃速随AP的粒径增加而降低，AP粒径越小，这一影响越显著。AP粒径对压力指数的影响，随AP粒度降低，压力指数增高。•（2）使用燃速催化剂调节燃速•燃速催化剂是提高推进剂燃速最常用的一种方法，能在低于100mm/s的燃速范围内大幅度地调节推进剂的燃速，并降低燃速的压力指数。不同类型的催化剂适用于不同的推进剂品种。•增加催化剂的含量能提高推进剂的燃速，但存在一个饱和量，超过此量，燃速不再明显增加，有时甚至下降。它与氧化剂的粒度和含量有关，氧化剂粒度越细，含量越高，催化剂的饱和量越高；催化剂的粒度越小，比表面积越大，其催化效果越好。•在以AP为氧化剂的复合推进剂中，多采用一些无机和有机金属化合物，如氧化铁、亚铬酸铜、二茂铁衍生物作为提高燃速的催化剂。•液态二茂铁衍生物如乙基二茂铁、正丁基二茂铁、叔丁基二茂铁等的增速效果优于金属氧化物，因而应用较为普遍，但二茂铁衍生物在推进剂中有缓慢迁移到表面的现象。•使用双核二茂铁后，迁移性能有所降低，而且兼具提高燃速和降低压力指数的效果。•降低燃速最主要的方法是采用高含量粗粒度的氧化剂，并采用燃速抑制剂。•推进剂最低的燃速在很大程度上依赖于基础配方的燃速。•如硝酸铵一HTPB和硝胺一HTPB推进剂基础配方的燃速较低，与AP一HTPB推进剂相比，燃速可调得更低。•燃速抑制剂多为无机盐（如碳酸盐）、碱性氧化物、氟化物、有机铵盐等固态化合物。•目前最常用的抑制剂有碳酸钙、草酸铵、草酰胺和季铵盐等，对HTPB推进剂而言，草酸铵较为有效。•（3）通过装药结构调节燃速•加入金属纤维可有效提高推进剂的燃速，但金属纤维的粗细、连贯程度与定向方式影响燃速和压力指数。•一般要求金属纤维在推进剂中呈定向的排列，只有沿金属纤维的轴向才可明显地提高燃速，因此加金属纤维的推进剂有各向异性的特点。这限制了装药设计时的药形变