固体火箭推进剂

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1、21 世纪初固体推进剂技术展望摘 要:：从高能、低特征信号、能量管理型及含硼富燃料推进剂等主要方面综述了各国近年来在固体推进剂技术方面的最新进展 , 分析展望了固体推进剂技术 21 世纪初发展的趋势及主要技术方向 , 并提出了预测性的看法。关键词： 固体推进剂; 高能推进剂 ; 低特征信号推进剂; 能量管理型推进剂; 含硼富燃料推进剂; 高能量密度材料; 述评1 引 言在化学推进剂领域的一些观念上, HMX 等一些高能炸药在推进剂中的广泛应用 , 已经模糊了火药与炸药的界限; Klager K 博士于 20 世纪 80 年代提出的“高能交联推进剂”的新概念 , 促进了双基 (均质) 与复合推进

2、剂的结合 , 推出了 NEPE 等新一代高能推进剂; 膏状推进剂 (或凝胶推进剂) 的出现 ,则可能进一步打破固体与液体推进剂的现状分界 ,推出一个全新的品种。21 世纪初固体推进剂发展方向 , 是各国专家们预测的一个热点。从 80 年代以来 , 先后有 Klager K,Quentin D , Davenas A 等中外学者在总结了固体推进剂发展历程、现有水平的基础上 , 预测了未来的发展趋势。现依据近年来一些最新研制动态及进展 , 作进一步的分析、阐述与展望。2 高能推进剂提高能量始终是固体推进剂研制发展的主要目标。在高能化的进程中 , 从单一着眼能量到注重以能量为主的综合性能指标; 从单

3、一着眼比冲 到注重密度比冲 , 都标志IsIs着高能化技术的日趋成熟与提高。2. 1 进 展(1) 为了提高能量 , HTPB 推进剂固体含量提高到 90 % , 加入硝胺炸药 HMX , 在俄国还把 HTPB +ADN 推进剂用于地下井发射的白杨 2M 战略导弹第三级; NEPE 推进剂 , 在美国已先后用于 MX、三叉戟、侏儒等战略导弹及某些战术导弹。为了提高能量 , 还在进行提高固体含量、提高比冲效率等方面的研究; GAP 推进剂为目前作为高能、低特征信号、钝感推进剂的最佳品种 , 而倍受关注。美国拟于 2001 年将 GAP 推进剂用于高性能低特征信号的空对空导弹、洁净助推器装药及 1

4、13 级微烟推进剂中。(2) 近年来高能量密度材料 (HEDM) 推进剂成为各国研究的热点。美国科学家 1987 年首先合成出来的 CL220 (六硝基六氮杂异伍兹烷、HNIW) 等高能化合物先后披露出来 , 引起各国同行们的注意 ,并先后进行了合成及在推进剂中使用性能的研究。据报道 , 美已建立了每批 200 kg 的中试装置 , 法国也能以每批 20 kg25 kg 规模合成。美、法等国主要将 CL220 用于高能低特征信号推进剂、枪炮推进剂和高能炸药。据美国国防部 1997 年关键技术计划要求 , 近期 (1 2 年) CL220 推进剂比冲达到 2 430 , 中期 (35 年) 比冲

5、kgs/N达到 2 665 。kgs/N(3) 20 多年前 , 由前苏联泽林斯基有机化学研究所首先合成出来的 ADN (二硝酰胺铵) 较晚才披露于世。俄致力于 ADN 的研制与使用 , ADN 推进剂已用于部份空对空导弹及 SS 224、SS 227TOPOL2M (白杨 2M) 机动型洲际导弹第三级等型号。使用 40 %的 ADN , 可将比冲提高约 100 。ADN 用于低特征信号推进剂 , 可将比冲提高 7 %; 用于含铝推kgs/进剂 , 可将比冲提高 10 %。近年来 , 也一直有俄专家关于 ADN 的研究报告。西方专家对ADN 也表现了极大兴趣。有报告报道 , 在 HTPB ,

6、AP , Al 推进剂中 , 使用 ADN , 可使比冲提高 100 左右。认为现在最不明确的是含 ADN 推进剂的安全等级。美国、法国等kgs/ N都非常重视这种新型氧化剂, 并已开展了 ADN 性能的评估工作。(4) 荷兰研究较多的是 (硝仿肼 , ) , 密度比 ADN 高 , 热值也高 , NHF3252NOC与聚丁二烯或 GAP 配合 , 均可得到高的体积能量特性。缺点是高感度、相容性差。经研究发现 , 是 HNF 中含少量杂质所致。改善制造工艺 , 提高纯度后 , 其感度及相容性可得到明显改善。俄国除了 ADN 推进剂 , 还对 AlH3 推进剂进行了研究。据说 AlH3 + AP

7、 已用于型号 , 比冲大约可达 2 600 。俄国对 也进行过可容性、燃烧稳定性以及球形kgs/HF化工艺等方面的研究。2.2 展 望(1) 新一代武器装备普遍提出了增大射程、提高飞行速度和突防能力、提高能量管理水平以及降低成本、保护环境等新要求。1998 年北约的导弹技术会议 , 对未来战术导弹推进系统的要求可以归纳为: 提高能量、超高速飞行、低特征信号等 , 其中的核心问题是能量性能。美国国防部最近发表的防卫计划关于战术导弹推进的项目中 , 重点也是放在提高能量特性上。该计划到 2003 年预算拨款 5 360 万美元 , 平均每年 900 万美元。具体的能量性能增益指标如表 1。(2)

8、提高能量的主要技术途径为采用含能粘合剂、高能氧化剂、含能增塑剂、含能固化剂和其它一些高能组分。在含能粘合剂方面有 , , , 基等化合物 , 其中2NO232NF值得注意的 , 基新型化合物有两例。其一为聚双 (1 , 32 氧杂丙基) 2 双 (2 ,22 二2NO2硝酸酯基甲基) 21 , 32 丙二酸酯：其氧含量高达 62 % , 基础配方比冲计算值 2 570N s/ kg (较 GAP 高出约 100 ) kgs/N。另一例聚缩水甘油硝酸酯 (PGN) ：基化合物有 GAP , AMMO , BAMO , B2GAP 等。3N 类化合物中 , 二氟胺类粘合剂 (以及二氟胺氧化剂) 具

9、有极高的密度比冲潜力 , 2NF应是一个重要的研究类别。如 3 , 32 双二氟胺氧杂环丁烷。在高能氧化剂方面表 2 列出了一些氧化剂的能量性能 , 可以看出 , 高能氧化剂的研究途径主要有二 , 一是 ADN ( KDN) 、HNF、CL220 等的合成及应用研究; 另一是氟及其衍生物、大环呋喃系列等新型化合物的合成及应用研究。(3) 高能推进剂性能比较见表 3。3 低特征信号推进剂3. 1 进 展低特征信号是指发动机排气羽烟 (一次烟和二次烟) 、二次燃烧火焰 (可见光、红外、紫外) 等的辐射特征信号较低 , 因此对导弹制导信号衰减低、导弹不易被敌方探测、识别和拦截。80 年代以来 ,美国

10、强调武器应具备隐身性能 , 要求推进剂无烟、无焰 , 于是把低特征信号作为 21 世纪战术发动机的主要方向。美、法、英、德四国达成了发展高能、低特征信号、钝感推进剂技术协议。在美国近、中、远期发展规划中 , 比冲为 2 255 2 kgs/N451 的低特征信号 (及钝感) 推进剂 , 列为主要目标。英国利用二次燃烧抑制技术 , kgs/N可以使推力为 2 12 的固体发动机的红外、紫外、或可见光辐射减少了 90 %以上 , kN激光透过率提高 27 % , 微波衰减从 10 dB 减低到零。北约宣布 , 2000 年后使用的战术导弹全部使用微烟低特征信号推进剂。3. 2 展 望预计 NEPE

11、 和 GAP 类推进剂将是 21 世纪初高能低特征信号推进剂的研制使用的重点。法国提出的计划是 1998 年实现 GAP2CL220 推进剂 , 2001 年实现 GAP + ADN 推进剂 , 含能粘合剂 + 硝基立方烷类推进剂在 2010 年后实现。近期美国在高能、少烟洁净型新品种推进剂研制方面作了不少工作。粘合剂是含能聚合物 聚缩水甘油硝酸酯 (Polyglycidyl nitrate , PGN) 。PGN 的官能度近于或大于 2 , 羟基当量为 1 2001 700 , 环状低聚物小于 2 %5 %。PGN 推进剂中金属燃料为 Al , Mg 或 B 的混合物 , 氧化剂主要是 AN

12、 , 也可用 HMX、RDX 或 CL220。固体组份为 60 %85 %。固体含量在 65 %75 % 时 , 其能量水平与大型运载火箭用 HTPB 推进剂水平相当 (见表 4) 。配方中加入少量 B 有利于提高燃速 , 降低燃速压强指数。低特征信号推进剂要求将钝感和低特征信号综合考虑 , 主要技术途径有:(1) 低感度含能粘合剂和增塑剂 , 如 GAP ,PGN 等含能粘合剂或热塑性弹性体等组成推进剂。(2) 新型高能氧化剂 , 如 ADN , CL220 等。(3) 用相稳定硝酸铵氧化剂 (如 PSAN) 取代 AP , HMX , 研制 NEPE/ PSAN , GAP/ PSAN/

13、RDX 等推进剂。(4) ADN 简化工艺 , 降低价格。(5) HNF 提高纯度 , 降低感度。4 特种推进剂4. 1 含硼富燃料推进剂(1) 固体火箭冲压发动机的发展 , 推动了富燃料推进剂的研究。硼推进剂以 HTPB 25 % , AP25 % , 燃料 50 %的基础配方计算 , 则无论是 , 还是 , 能量性能都是最高的 , 有IsIs希望使固体火箭冲压发动机的比冲超过 10 。硼推进剂燃烧产物洁净 , 适用于整体kg/N级发动机。但在实际应用中 ,硼推进剂又存在着点火性能差、燃烧效率低等问题 ,影响了使用。这正是硼推进剂当前研究的热点。(2) 固体火箭冲压发动机使用的高硼含量推进剂

14、 , 美、法、德等都有研究报道 , 认为硼推进剂具有高比冲 10159 、高密度比冲 , 在端面燃烧药柱中有好的工艺性能 , 在kgs/N较宽的温度范围内具有良好的力学性能。硼含量约在 25 %65 % , 最佳值约为 40 % , 主要性能见表 5。(3) 国外含硼推进剂以用于固体火箭冲压发动机的研究报导为主。美国已于 1994 年申请了有关发明的专利。据报道 , 德国空军 BVRAAM 导弹已应用了低容积高比冲的含硼推进剂。另外也有用于整体级 (MIST) 的研究报道。4.2 能量管理型推进剂能量管理型推进剂技术是指合理分配全弹道的能量 , 减少损失 , 以提高导弹射程或攻击速度 , 或实

15、现在有动力条件下攻击目标。能量管理将是下一代固体发动机的重点预研课题。通常是要求在起飞后有一段低推力或自由飞行 , 在临近目标时再加速 ,这样可以明显提高导弹可用过载 , 增大射程。空对空导弹采用能量管理 , 可提高射程 25 % , 或使弹头增大一倍。预计下一代导弹将大量采用这一技术。能量管理型推进剂 , 目前世界各国采用的技术途径不尽一致 , 所以称谓也不一样。现在使用的名字主要有: 凝胶 (或胶凝) 推进剂 ( Gelled propel2lants) , 膏状推进剂 ( Pasty propellants) 等。凝胶推进剂是化学推进剂领域中的一种新型推进剂 , 它兼备了液体和固体推进剂

16、的诸多优点 , 实现了固体发动机推力可调、能量管理和钝感的特性。美国 1997 财年“国防技术领域计划”中重点提出了近期研制凝胶推进剂并进行发动机性能论证的计划。美国航空喷气公司的凝胶推进剂火箭发动机 , 准备用于星球大战计划中的 GPALSD 的地基拦截导弹。凝胶推进剂使导弹性能和可靠性提高 , 导弹更加灵活 , 射程提高。实验表明 , 采用凝胶推进剂的长矛导弹是使用液体推进剂射程的两倍。据报道 , 1999 年 3 月美国对 TRW 公司制造的、使用凝胶推进剂火箭发动机的战术导弹进行了首次飞行试验。导弹发射后飞行了 8 km , 在 51 s 的飞行过程中 , 发动机点火 5 次。飞行试验获得成功。前苏联及乌克兰研制膏状推进剂已有 20 多年的历史了。Kukushkin V H 教授等近来披露了前苏联使用膏状推进剂火箭发动机 (Pasty propellant rocket en2gines