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推进剂

[拼音]:tuijinji

[外文]:rocket propellant

又称推进药,有规律地燃烧释放出能量,产生气体,推送火箭和导弹的火药。要求它具有下列特性:

(1)比冲量高;

(2)密度大;

(3)燃烧产物的气体(或蒸气)分子量小,离解度小,无毒、无烟、无腐蚀性,不含凝聚态物质;

(4)火焰温度不应过高,以免烧蚀喷管;

(5)应有较宽的温度适应范围;

(6)点火容易,燃烧稳定,燃速可调范围大。

(7)物理化学安定性良好,能长期贮存;

(8)机械感度小,生产、加工、运输、使用中安全可靠;

(9)经济成本低、原料来源丰富;

(10)若为固体推进剂,还应有良好的力学性质,有较大的抗拉强度和延伸率。常用的推进剂主要有固体、液体两种,少量固液混合体也在试用。(见彩图)

固体推进剂

20世纪前,黑火药是世界上唯一的火箭用推进剂。1888~1889年发明的双基火药在第二次世界大战前,主要用作火炮发射药。1930年后,英、德两国将此类双基火药挤压成管状,用作战术火箭的推进剂。1944年美国创制双基推进剂铸装成型法,将双基推进剂用于中程导弹。1940年创制第一代沥青、过氯酸钾复合推进剂,为固体推进剂的发展提供新的途径。1947年,研制出第二代聚硫橡胶、过氯酸铵、铝粉复合推进剂。50年代,又相继创用高分子胶粘剂聚氯乙烯、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年创用端羟基聚丁二烯,制成固体推进剂,比40年代的复合推进剂的性能有所提高,至今仍被广泛应用。

固体推进剂按其组成可分双基推进剂、复合推进剂、复合双基推进剂。固体推进剂的理论比冲约为 2157 ~2942N・s/kg,密度约为1.6~2.05g/cm3;适用的温度范围为-60~150°C;工作压力的下限为0.1~3MPa。

双基推进剂

即双基火药(见发射药),是由高分子炸药和爆炸性溶剂,如硝化棉(见硝酸纤维素)和硝化甘油两类爆炸基剂,再混入少量附加物溶解塑化而制成的,既用于发射药,也用于推进剂。1930年,英国和德国曾用于制造管状火箭推进剂。1935年,苏联曾用二硝基苯代替一部分硝化甘油制成火箭推进剂。

双基推进剂的理论比冲量为 2157~2300N・s/kg,密度为1.6g/cm3,工作压力下限为2~4MPa。

复合推进剂

又称复合火药。由充分粉碎的无机氧化剂如过氯酸铵、硝酸铵等,和被用作燃料的高分子胶粘剂均匀包覆,并加少量附加物而组成聚集态为异相的固体推进剂,是一种燃料加氧化剂类型的火药。多采用铸装法制成各种内孔形状,直径可大到几米,主要用于中、远程导弹。复合推进剂中的附加物有:增塑剂、防老剂、润滑剂、燃速调节剂等。

复合推进剂的理论比冲量可达 2942N・s/kg,使用温度范围为-60~150°C,工作压力下限为0.1MPa,密度可达2.05g/cm3,较双基推进剂价格低,还可利用氧化剂的粒度大小以调节燃速。缺点是燃气有腐蚀性烟雾,难于挤压成型,所以不适用于枪炮和战术火箭。

复合双基推进剂

介于双基和复合中间类型的火药。又称复合双基火药、复合改性双基推进剂或改性双基推进剂。利用双基火药胶包覆固体粒子如固体炸药、固体氧化剂、金属粉等组成推进剂主体,并含有少量附加物如催化剂、安定剂等,形成聚集态为异相的固体推进剂。它可用于军事和空间的火箭发动机。

由于双基推进剂的能量较低,且用挤压法难以制造大型药柱,因而人们探索改进途径。1944年美国解决了双基推进剂的铸装方法,50年代又在浇铸双基推进剂基础上加入无机氧化剂,如过氯酸铵和金属燃料(铝粉)等,从而制出了复合双基推进剂。中国也于1958年制造了复合双基推进剂。复合双基推进剂的主要组分是硝化棉、硝化甘油、过氯酸铵和铝粉等。

复合双基推进剂的理论比冲量可达2600N・s/kg,密度可达1.8g/cm3,其他性质介于双基和复合推进剂间。

复合双基推进剂的制造工艺可分为两步。第一步先把原料制成复合双基浇铸药粒(1mm大小);第二步再把浇铸药粒制成大型柱体推进剂。浇铸药粒的制造又分挤压法和悬浮法两种,与上法相对应的成型柱体的方法为铸粒法和配浆法。由于配浆法优点较多,当前实际中多采用此法。它的成型原理和双基推进剂用的配浆浇铸法是一样的,只是在配制浇铸液浆时,把氧化剂过氯酸铵或猛炸药,如黑索今、金属燃料(如铝粉)等,与药粒一起混拌均匀,再与配制的溶剂液混合,拌匀配成浇铸液浆,进行浇铸,即成为产品药柱。

液体推进剂

1898年俄国人К.Э.齐奥尔科夫斯基最先提出液体推进剂用于航空的理论。1926年,R.H.戈达德发射第一个液体火箭,使用液氧和煤油二元推进剂。40年代,德国研制了有名的V-2火箭,使用液氧和酒精二元推进剂。50年代,苏联发射第一个人造地球卫星,仍使用液氧和煤油。60年代,美国发展了阿波罗土星计划,多次成功地将人送上月球。这些大推力火箭有些使用液氧、液氢、四氧化二氮和混肼等。70年代后,苏、美两国继续使用液体推进剂发射各种类型的空间飞行器,装备远射程大弹头的战略导弹,并把单元推进剂用于空间姿态控制和鱼雷等。

液体推进剂大体可分为单元和二元两类。单元推进剂可以是一种液体物质,也可以是一种互相溶解的多成分液体混合物,常用的有硝酸酯化合物等。二元推进剂包括液体氧化剂和液体可燃物,它们在燃烧前分开贮备。常用的氧化剂有硝酸、双氧水、四氧化二氮、液氧;可燃物有偏二甲肼、一甲肼、混肼、煤油、液氢等。燃烧时将两种液体分别注入火箭发动机的燃烧室中。

与固体推进剂相比,液体推进剂的能量高,实际比冲量在低温已达4440N・s/kg。发动机可重复使用,成本低廉,性能容易调节,精度高。缺点是设备复杂。因此,世界各国近地轨道卫星、通信卫星、侦察卫星、星际探测器和星际飞船等大推力运载火箭,都以使用液体推进剂为主,在战术火箭和导弹中则几乎不使用。近年来的研究指出,氟氧化合物单元推进剂,氟-氢、氟-氨二元推进剂有发展前途。

固液推进剂

20世纪30年代,德国人首先提出固液混合型发动机的概念。50年代开始研制固液推进剂,实际实用的不多。固液推进剂有:固体氧化剂如六硝基乙烷、硝酸铵、过氯酸铵共熔物,液体燃料如煤油、二甲基苯胺、三乙胺等。液体氧化剂如发烟硝酸、双氧水等和固体燃料如聚丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯加铝粉等。在固液推进剂中,过氯酸铵加铍和液氧有发展前途。

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