固体火箭推进剂-221.ppt

2005年11月25日,固体推进剂,固体推进剂,专业: 飞行器动力工程学时：48学时主讲人：王革 教授单位 ：哈尔滨工程大学航天工程系,一、基本知识,固体推进剂的基本概念固体推进剂的发展与火箭技术固体推进剂的要求固体推进剂的分类双基推进剂的组分复合固体推进剂的组分无烟、少烟固体推进剂,固体火箭发动机的组成及工作过程,固体火箭发动机主要是由固体推进剂、燃烧室、喷管和点火装置四部分组成的固体发动机的整个工作过程则由固体推进剂装药的点火过程、燃烧过程及燃气在喷管内的流动过程构成固体推进剂在燃烧室内燃烧，由化学能转换为热能．生成高温高压燃气，燃气通过喷管膨胀加速，将热能转换成动能．高速向后喷出的燃气给发动机一个反作用力，即推力，它是火箭导弹推进的动力固体推进剂是发动机工作的能源和工质源为了完成某飞行任务，发动机设计者必须根据总体部门提出的要求，如总冲量、发动机工作时间、尺寸限度、重量限度、贮存期限、贮存条件、运输条件、使用条件等，选择一种能量性能与燃烧速度范围能符合要求的固体推进剂及其装药的药型，然后根据使用条件和受载情况对所设计的装药进行结构完整性分析，以鉴定推进剂力学性能是否符合要求设计的最后阶段通常要对所选固体推进剂的燃烧性能和力学性能作小量调整，或对发动机计作某些修改，以设计出满足要求、性能良好的同体火箭发动机。

固体发动机研制阶段，发动机试车过程中常会出现不正常的内弹道曲线，甚至出现爆炸事故这些现象的原因分析常常涉及到固体推进剂力学性能、燃烧性能及装药质量等方面的问题无论火箭总体设计人员还是固体火箭发动机设计工作者必须对固体推进剂的性能，主要是能量、燃烧、力学及贮存等性能有所了解固体推进剂的重要性,固体推进剂的基本概念,火药：古代四大发明之一火药过去泛指火炸药，现代火药不包括炸药火药根据用途分:发射药（用于身管武器，枪炮）和推进剂（用于喷气推进，如火箭、导弹推进）定义:在适当的外界能量作用下，自身能进行迅速而有规律的燃烧，同时生成大量高温气体的物质武器对火药的要求:1)自身含可燃元素和氧化元素，不需外界供氧；2）可迅速点燃；3）规律燃烧，放出大量的热和生成大量的气体；4）性能稳定,固体推进剂可定义为本身含有氧化剂和燃烧剂、能够通过有规律地燃烧释放出大量炽热气体、完成发射功的固态致密材料通常固体推进剂所进行的是快速的燃烧反应但是，当激发反应的方式或反应进行的环境条件不同，固体推进剂还可以发生缓慢的分解反应和激烈的爆轰反应缓慢的分解反应在固体推进剂的加工、贮存和使用过程中都存在着，其速度取决于环境温度、湿度及杂质等。

常温下分解反应速度慢，短期内难以觉察升高温度可使反应速度加快用硬金属撞击固体推进剂，在足够的撞击能作用下，或者用猛炸药引爆等条件下，固体推进剂也会发生爆轰固体推进剂的基本概念,燃烧和爆轰的主要区别在于：（1）能量传播的方式不同： 燃烧时反应区的能量是通过热传导和辐射的方式传人相邻未反应区而引起下一层反应的爆轰的传播是以冲击波的强烈的高温、高压作用而进行的2）传播速度不同 ： 燃烧传播速度通常约为每秒几毫米到几百毫米，爆轰反应传播速度一般高达每秒数千米．（3）传播速度受外界条件的影响不同 ： 固体推进剂的燃烧速度与外界条件(温度、压强)有密切关系，如在大气中燃烧，燃速很慢；而在密闭容器中高压条件下燃烧时，燃速急剧地增大爆轰过程由于其传播速度极快，几乎不受外界条件的影响．对一定的爆炸物质，在固定的装药密度下爆轰速度是一个常数固体推进剂的基本概念,（4）反应产物的运动方向不同： 燃烧过程中反应区内燃烧产物运动方向与燃烧波阵面的传播方向相反，因而燃烧波阵面内的压强较低温轰时，反应区内爆轰产物运动方向与爆轰波的传播方向相同．爆轰波阵面内的压强可高达数十万个大气压． 固体推进剂的三种化学变化形式在性质上虽然不同，但它们之间有着密切的联系．固体推进剂缓慢的分解反应在一定条件下可以转变为燃烧；燃烧在一定条件下又可以转变为爆轰。

这种相互区别又相互转化的关系具有十分重要的意义固体推进剂的基本概念,,最早的固体推进剂是我国古代四大发明之一的黑火药黑火药的配方：它是用15％的木炭作为燃烧剂，75％硝酸钾作氧化剂10％的硫磺既是燃烧别又将粘结木炭和硝酸钾的作用黑火药能量低，强度差，不能制成较大的药柱1888年瑞典科学家诺贝尔以硝化甘油增塑硝化纤维素制得了双基火药，主要用于枪炮武器1935年苏联的科学家用添加燃烧稳定剂和催化剂的方法降低了双基火药完全燃烧的临界压强，首先将双基推进剂用作火箭发动机的装药．这种火箭弹在第二次世界大战中发挥了威力但是双基推进剂笛要用棉纤维(或木纤维)和动物脂肪作为原料固体推进剂的发展,固体推进剂的发展,1942年美国开始了复合固体推进剂的研究最初的复合固体推进剂是用高氯酸铵为氧化剂，沥青作燃烧剂并起粘合氧化剂的粘合剂作用虽然这种推进剂能量低，力学性能差，没有多少实用价值但它为发展固体推进剂开辟了新的途径因为这类推进剂装药用浇注方法制造，加大装药尺寸不受限制1947年美国制成了聚硫橡胶复合固体推进剂，成为第一代的现代复合固体推进剂，以后又发展了聚氨脂，接着又相继出现了改性双基推进剂，聚丁二烯—炳烯酸推进剂、聚丁二烯—丙烯酸一丙烯睛推进剂以及端羧基聚丁二烯推进剂．60年代后期研制成了端羥基聚丁二烯推进剂。

80年代，NEPE推进剂（硝酸酯增塑的聚醚推进剂），比冲可达2675m/s,火箭最大速度比冲，m/s或N﹒S/kg起飞时总质量推进剂燃尽后火箭质量推进剂质量技术对固体推进剂的要求,能量特性的要求： (1)比冲高： 比冲是固体推进剂能量的量度根据齐奥尔科夫斯基公式，火箭发动机中推进剂燃完时火箭速度达到最大值火箭的最大速度与比冲成正比，对射程的影响大2）密度大 ：虽然密度是固体推进剂的物理量，但对于体积一定的发动机，推进剂的密反愈大，能装填的固体推进剂装药量Mp越大，从齐奥尔科夫斯基公式可知，Vm也有提高，起着与提高能量等同的效果火箭技术对固体推进剂的要求,火箭技术对固体推进剂的要求,燃烧性能：固体推进剂装药在发动机内的燃烧必须是有规律的，即燃烧稳定、重现性好燃烧规律最好不受或少受环境条件（装药初温、燃烧室压强、平行于燃面的气流速度)的影响，以满足发动机内弹道性能不变，保证火箭射击精度的要求力学性能：要求固体推进剂装药，特别是大型药柱应有足够的抗拉强度和延伸率，在使用温度范围内不软化、不发脆，不产生裂缝贴壁浇注的装药不与发动机绝热层脱粘物理、化学安定性：要求固体推进剂有长的使用寿命安全性能：在贮存、运输、装配过程中不发生燃烧和爆炸事故。

在受到机械冲击力时应有足够的稳定性还应有高的自燃温度，以防意外着火事故经济性能：火箭技术的发展，注意力主要放在新技术应用上，飞行器的高性能是设j计的准则，较少考虑经济性能现在和未来经济性能是重要条件之一经济性能将成为一项重要指标燃烧产物无烟或少烟：易被敌人发现发射基地；某些用激光或红外光等制导的导弹，烟雾会使光波衰减良好的工艺性能和重现性：,固体推进剂的分类（Solid Propellant Classifications）,根据构成固体推近剂的各组分之间有无相的界面，固体推进剂可分成均质推进剂和复合推进剂两大类双基推进剂的组分-硝化纤维素NC,双基推进剂是一种均质推进剂，它的主要组分硝化甘油和硝化纤维素(硝化棉)的分子中既有可燃元素c和H，又含氧化元素等，其硝化纤维素能在硝化甘油中形成胶体体溶液，各组分无相界面，故结构均匀硝化纤维素(NC) ：一般化学式可写为,它是棉纤维或木纤维大分子与硝酸反应的生成物,双基推进剂的组分-硝化纤维素NC,y为大分子的基本链节数目，即称聚合度x为被-（ONO2)取代的-（OH）数对于一个链节，x为小于或等于3的整数，但因反应过程不均匀，每个链节的x不尽相同，其平均值不一定是整数。

纤维素被酯化的程度习惯上用含氮量N％表示，它代表了硝化纤维素中氮元素的重量百分含量控制反应条件可以得到含氮量不同的硝化纤维度，含氮量由实验测定双基推进剂的组分-硝化纤维素NC,从以上反应式可以看出，含氮量愈高，完全燃烧产物C02，N2增加，放出热量就多还可以看到，硝化纤维素是缺氧的化合物，故燃烧生成物中有未完全燃烧产物CO和H2存在思考：燃烧生成物中有未完全燃烧产物CO和H2存在是好还是坏？？？？,由一般化学式计算出假定化学式，假定化学式定义为1kg组分(或推进剂)所含各化学元素的摩尔原子数硝化纤维素假定化学式的计算步骤如下：,双基推进剂的组分-硝化纤维素NC,双基推进剂的组分-硝化纤维素NC,,双基推进剂的组分-硝化纤维素NC,硝化纤维素（NC）：在双基推进剂中起着主要能源和保证机械强度的作用因为硝化纤维素易燃，能提供推进剂燃烧时所需的可燃元素和部分氧化元素，产生大量气体并放出大量热量因为硝化纤维素被溶剂硝化甘油塑化后，其分子成为推进剂的基体或骨架，赋予药柱以一定的物理机械性能国产的双基推进剂中，硝化纤维素的含量在11．8％一12．1％适当增加硝化纤维素的含量可以提高双基推进剂的抗拉强度和弹性模量。

双基推进剂的组分-硝化甘油(NG)和硝化二乙二醇(DEGDN),硝化甘油(NG)和硝化二乙二醇(DEGDN)硝化甘油是甘油与硝酸作用的产物，其反应式为,硝化甘油是无色或淡黄色油状液体，密度为1591kg／m3，微溶于水50度时溶解度为0.259／100mm3 ，能与一些有机溶剂互溶硝化甘油能很好地溶解弱棉当温度大于某临界温度时，硝化纤维素和硝化甘油可以任意比例互溶；如温度低于临界温度，只有在两者比例合适时才可以得到所希望的固态溶液(即硝化甘油溶于硝化纤维素的一相)，否则会出现两相，一相是硝化甘油溶于硝化纤维素中，另一相是硝化纤维素溶于硝化甘油中；在更低的温度下则会成为互不溶体硝化甘油析出的现象称为“汗析”实践证明，采用质量含量为25％一30％的硝化甘油所制得的双基推进剂在较宽的使用温皮范围不会出现“汗析”．,双基推进剂的组分-硝化甘油(NG)和硝化二乙二醇(DEGDN),硝化甘油是一种高威力的液体炸药，爆炸反应式为,分子中的氧量不仅足以使其本身的碳和氢完全燃烧，还有自由氧放出硝化甘油有毒在双基推进剂中是硝化纤维素的主要溶剂和主要能源前一作用是因为硝化甘油与硝化纤维素可形成固态溶液硝化甘油充填于硝化纤维素大分子间，削弱了大分子间的作用力，增加了硝化纤维素的柔顺性和可塑性。

便于加工成型并使推进剂有一定的力学性能；后一作用是由于硝化甘油燃烧时生成大量气体，并放出大量的热量生成的气体中含有一部分自由氧，这部分自由氧可供给缺氧的硝化纤维素使之燃烧完全程度提高，因此也把硝化甘油叫做有机氧化剂双基推进剂中硝化甘油的含量一般在25％-30％之间现有的双基推进剂都是负氧平衡的硝化甘油的含量过多时，不仅加工危险性增加，且会造成“汗析”双基推进剂的组分-硝化甘油(NG)和硝化二乙二醇(DEGDN),硝化二乙二醇(DEGDN)的分子式为,爆炸反应式是,可见它是缺氧的爆炸物硝化二乙二醇对硝化纤维素的胶化能力高于硝化甘油，因此也可以作双基推进剂的主溶剂，用来部分或全部取代硝化甘油因为它是贫氧的化合物，能量低于硝化甘油故用它制成的双基推进剂爆热和燃烧温度都较硝化甘油制成的双基推进剂低，但气体生成量较大，适合在燃气发生器中使用双基推进剂的组分-其他组分,助溶剂 主要作用是增加硝化纤维素在主溶剂中的溶解度，常用的助溶剂有二硝基甲苯、硝化二乙醇胺(吉纳)等，助溶剂能与硝化甘油互溶，从而增加了硝化甘油与硝化纤维素的溶解性能，防止硝化甘油“汗析”、提高生产过程的安全性增塑剂 双基推进剂在低温力学性能较差，在冲击力作用下易脆性破裂，产生裂缝。

增塑剂的作用是削弱硝化纤维素大分子之间的作用力，增加其塑性，因此用它降低双基推进剂低温下脆性就义对硝化纤维素的作用来说实际上届于助溶剂类，但对能量无贡献，故不能多用，一般限制在3％下常用的增塑剂为邻苯二甲酸丁酯化学安定剂 可减缓和抑制硝化纤细系及硝化甘油的分解．使双基推进剂能长期贮存而保持其化学性质不变燃烧催化剂和燃烧稳定剂 燃烧催化剂有增速和降速两类增速常用的有铅、铁、铜、钴、镍、锰等金属氧化物，铅和铜的有机酸盐和无机酸盐、碳黑；减速的常用的是樟脑、多聚甲醛、草酸盐、磷酸盐和氧化镍 燃烧稳定剂主要用来消除双基推进剂的不正常燃烧，增加其低压燃烧稳定性常用的燃烧稳定剂右氧化镁、氧化钴、碳酸钙、苯二甲酸铅、石墨等工艺附加物,。