ADN推进剂

ADN 推进剂

ADN （二硝酰胺铵）是20世纪70年代首先由前苏联合成出来的一种高能量密度材料。它是一种能量密度高，不含卤素的白色结晶物，分子式为NH4N(N 2O 2)，氧平衡为25.8%，生成热为–148kJ/mol ，晶体密度为1.812g/c 3m ，燃气洁净。最初ADN 是为高性能固体推进剂研制的。作为一种能够替代高氯酸铵的候选氧化剂品种，国内外在ADN 推进剂的配方研究、球形化、改善吸湿性等方面做了大量工作。但从目前的研究进展来看，ADN 存在热稳定性较差，会发生自动催化分解；室温下反应活性高；吸湿性强，容易与异氰酸酯反应产生气孔；晶体中有不均匀性缺陷，制备推进剂时的工艺性能差等问题。这些问题制约了ADN 在高性能固体推进剂中的应用[1]。

ADN 推进剂配方

早在20世纪70年代，苏联就在ADN 合成工艺改进、性能研究等方面进行了大量细致的研究，随着ADN 应用中安全问题的解决，俄罗斯已掌握了ADN 在固体推进剂中的应用技术[2]。已应用在SS-20、SS-24和SS-27中。推进剂配方大致为HTPB/AP/ADN/AL/HMX/二茂铁衍生物。

目前，美国聚硫橡胶公司利用造粒塔工艺已经能够生产平均粒度为100μm 、热稳定性及防吸湿性都很好的粒状ADN 。

表1列出了美国海军空战中心武器分部（NAWCWD ）研制的ADN/NEPE 为基的高能低特征信号推进剂。所用ADN 氧化剂分别采用了平均粒度为300μm 的粒状ADN （ADNP ）和化学合成直接制得的ADN 原料。粘合剂分别为ORP-2A （硝胺聚醚粘合剂）和PCP （己内酯聚合物）。这些配方可表示为PCP/NE/ADN, PCP/NE/ADN/ADNP 和PCP/NE/ADNP/CL-20。

表1 ADN/NEPE为基的高能低特征信号推进剂配方与安全特性

注：NE为硝酸酯，ADNP为粒状ADN，ABL-Allegany弹道试验室，ESD2静电感度。

实验结果表明，这类推进剂具有适合应用于高压、高性能火箭发动机的燃烧性能，同时具有良好的安全性能和热分解性能，但力学性能较差。推进剂在标准条件下的比冲为 2.6×103N•s/kg，比一般常规低特征信号推进剂高98~147N•s/kg。

ADN可以和其他物质混合使用，如二硝酰铵胺+氨水、二硝酰胺肼+肼和二硝酰胺羟铵+羟铵，都可以用作单元液体推进剂。

自1997年以来，瑞典空间公司（SSC）和FOI一直在进行ADN单元推进剂的配方研究，他们从100多种材料中筛选出了甘油、甘氨酸、甲醇等，并相继推出一系列推进剂配方，ADN单元推进剂的配方性能如表2所示。

表2 ADN基绿色液体推进剂配方和性能

注：ADN推进剂密度为25℃时的测量值，比冲的计算条件为燃烧室压力pc=2MPa，膨胀比ε=50；F–5~F –7为燃料代号。

由表2可看出：ADN单元推进剂的比冲和密度都比肼高；与HAN推进剂相比，密度相当，但比冲较高；几种配方的冰点都低于0℃，试验发现，在没有结晶核的情况下，0℃下也能稳定保存数小时。因此，在航天器中使用时完全可以采用与肼（冰点2℃）相同的操作系统。

对照美国AFRL（Air Force Research Laboratory）中新型单元推进剂的标准，进一步对上述配方进行了筛选，测试结果如表3所示。

表3几种ADN 单元推进剂配方的测试结果

实验发现：以甘油为燃料的LMP–101点火性能非常好，但热稳定性比较差；以甲醇为燃料的LMP–103热稳定性也不太好，通过加入质量分数为3%~5%的氨（称为LMP–103s），热稳定性得到改善；FLP–106性能较好，可在150~200℃实现点火。

瑞典SSC选择改进配方LMP–103s作为单元推进剂的候选配方，并已将其成功应用于2010年6月15日发射的“棱镜”卫星上。LMP–103s的配方组成和性能如表4所示。

表4 LMP–103s 的配方组成及性能

AND推进剂的性能

比较几种不同氧化剂的性能和不同氧化剂推进剂的理论比冲（表5），可以看出与其他氧化剂相比,ADN 能量较高（HNF 除外）。

表5 几种氧化剂及其推进剂的性能

瑞典研究的ADN 推进剂用HTPB 作粘合剂，HMDI 为固化剂（HMDI 热稳定性最高且与ADN 的相容性最好），在NCO/ OH 比率为1 时用HMDI 固化HTPB，在65 ℃下固化一个星期。用这种方法制得的AP推进剂燃烧产物中灰多（与ADN 比）且低压下燃烧不稳定，点火后可能自动熄灭，而ADN 推进剂无此类问题。但是ADN 推进剂的燃速压力指数为0. 92（AP 推进剂的燃速指数为0. 60），使得发动机工作不稳定，因此必须通过改变晶形、添加燃速调节剂或使用其他聚合物来降低燃速压力指数。

美国研究的一种代号为LMP - 101 的ADN 基单元推进剂，由61%的ADN，26%的水和13%的甘油组成，理论比冲2 420 N•s/kg ，绝热火焰温度1 970 K。火箭发动机实验表明这种推进剂点火快，能量高，无毒，燃烧完全且排气清洁，不污染环境。另一种组成为AP / RDX/ ADN 的无烟推进剂，最高比冲可达2 630 N•s/kg[3]。

新型的二硝酞胺盐ADN 可以用做为推进剂燃料中的氧化剂, 其特点为高温安定性好, 能量密度高而且不产生含有卤素的烟雾。二硝酸胺盐属于可熔性氧化剂, 可用泵输送, 可替代不太稳定的氧化剂用在低特征信号推进剂上[4]。

从几组推进剂配方性能比较（见表6）可以看出, 与配方1 比较, 当配方中铝含量降低时( 如配方2 ), 预计燃烧速度及火焰温度略低; 当铝含量增加时( 如配方3 ), 配方性能较好, 压力指数也低; 当用14.75 % A P ( 2 0 0um ) 替代相同数量的ADN 时( 如配方4 ), 推进剂排气羽流中含有约4.5 % Hcl, 这个量比标准的AP推进剂降低很多; 当用20 % 的AN替代同等量的ADN时, 燃速会降低，但是其造价低，危险感度低，且性能良好。

表6 几种AND推进剂的配方和性能

因此，ADN无论是全部还是部分取代AP，甚至在降低金属填料的情况下( 13 %AL与16%AL推进剂相比)。都不会对推进剂的性能有很大的影响。最重要的是,ADN可除掉或从根本上降低推进剂排气羽流中的H C I 含量。

为了考查ADN 取代AP给推进剂能量特性参数和燃烧产物带来的影响,我们用ADN逐渐取代HTPB /AP /A1复合固体推进剂体系中的AP,其能量特性计算结果见表7。