固体推进剂的性能参数及其

• 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。 ln u • （5.11） p ( )p • 式中：T－推进剂的初温，根据推进剂的燃速压力公式，得 T • （5.12）
T T • 根据σp的定义，p为一恒定值，则 • du 1 • （5.13） p ( 1 ) u1 dT • 式中：u1－燃速公式u＝u1pn中的系数，由u的测定可算出σp。
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。 back
• 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。
• （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。
• 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。
• 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)
• （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)。
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• • • •
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· 3）；ISP－推进剂的比冲 s/m （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· t/m A (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
• （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1 MPa时的燃 速。 • 实际上，u1是通过实验数据的处理得到的。
• 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）。

p
(
ln u 1

n ln u 1
)p
表5.1 几种制式推进剂的n和σp
推进剂类型 n（3.0～10MPa）
back
σ p/K-1(6.87MPa)
SS-2
0.485
0.0025(+50～－40℃)
SQ-2
0.526
0.0023(+60～－40℃)
SM-2
0.500
0.00247(+60～－40℃)
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·-1）；m — 固体推进剂的 s 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)
N
• 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。
表5.2 某些推进剂的性能
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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。
AP/PS/Al
0.226
0.0023(+50～－50℃)
• 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。 ln p • k ( )K T • （5.14） • 推导可知，σp与πk的关系为 • p k • （5.15） 1 n
• （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1960 N· s/kg，而特征速度为1200～1300m/s。
• • • •
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。
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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• （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。
2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。
• 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 • ln u＝ln u1＋nln p (5.9) • 对式（5.9)微分，得 • n＝d ln u /dln p (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