国外对高能量密度材料CL_20在固体推进剂中的应用研究

7. 6μm (过 FEM 磨) 3μm (过 SWECO 磨)
90 片隔板 ( < 60kbar) 58 片隔板 ( < 70kbar)
飞航导弹 2002 年第 2 期
基推 进 剂 配 方[2 ] , 具 有 与 RDX 配方相似的机械性能 。对于填充 物含量相同的推进剂 , 由于 CL2 20 的密度比 RDX 大 , 从而可使 粘合剂的含量大一些 , 组分的微 小改变可使推进剂的机械性能得 到改善 。
在推进剂中共同使用时对能量和 5. 52MPa) 内 , 含 CL220/ TA GN
钝感是有益的 。进一步研究表明 的配方燃速最高 , 比含 HMX 的
(见表 3) , 用未粉碎的 CL220 (含 配方平均增加 56 % , 比单独含
有高度结晶缺陷) 制成的推进剂 CL220 的配方平均增加 33 % , 含
1 采用 CL220 提高推进剂能量 为实现推进剂高能化要求 ,
必须使用高能量密度材料 。CL2
20 的高能特点使其成为最合适 的候选化合物之一 。
与几 种 高 能 氧 化 剂 HN F 、 ADN 、AP 、RDX 相比 , CL220 单 元推进剂能量性能优良 , 从表 1 可以看出 , CL220 单元推进剂的 理 论 比 冲 最 高 , 为 2 666. 44 N·s/ kg , 密 度 高 达 2. 04g/ cm3 。 另外 , 与 HMX 相比 , CL220 的 爆热高 9. 2 % , 密度高 7 % , 爆速 高 5 % , 因此在不同粘合剂体系 中 , 用 CL220 替代 HMX 可使比 冲值大幅提高 , 如以端羟聚丁二 烯 ( HTPB) 、聚乙二醇 ( PEG) 和 叠氮缩水甘油醚 ( GAP) 为粘合 剂 , 分别以 CL220 和 HMX 为氧 化剂 , 其能量特性如图 1 所示 。
比冲/ N·s·kg - 1 2 431 (247. 9s) 2 388 (243. 5s) 2 418 (246. 6s) 2 652 (270. 4s)
排气温度/ K 1 455 1 339 1 249 1 950
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且可改善推进剂的燃烧性能 , 降 低推 进 剂 的 感 度 。含 CL220 和 AN 的 1. 3 级含能粘合剂微烟推 进剂 的 比 冲 可 达 2 381. 4N ·s/ kg , 排气温度为 1 339 K , 而在 42MPa 压力下比冲可达2 655. 8 N·s/ kg 。这种推进剂已在海尔 法导弹中成功地完成了论证试 验 , 证明它具有稳定燃烧 、高能 和低特征信号等特点[5 ] 。
发生器”的点火配方 , CL220 被 陷 , 可使推进剂能量提高 , 而冲
选作氧化剂 , 配方组成为 : 水溶 击波感度降低 。
性粘合剂 、燃料 、氧化剂 。该配
法国 火 炸 药 公 司 研 制 的 以
方适用于制备车辆 、飞行器等的 GAP 包 覆 CL220 的 推 进 剂 配
辅助安全抑制系统的点火棒或特 方[2 ] , 其安全性能与当前使用的
单质 CL220 较 HMX 敏感 , 6. 4mm/ s , 自点火温度为 173 ℃。
但当 CL220 被 适 宜 的 粘 合 剂 这说明 GAP/ CL220 推进剂的安
( GAP) 良 好 包 覆 后 , 其 撞 击 感 定性能已达到火箭发动机的使用
度 、摩擦感度 、静电火花感度与 要求 。
进剂中冲击波感度满足了 1. 3 级 CL220 配方 ( 0. 54) , 由此可见 ,
危险品的要求 ( 70 个隔板) 。实 在以 CL220 为基的推进剂配方
验表 明 , 硝 胺 炸 药 ( HMX、CL2 中加入 TA GN , 不仅可以提高燃
20) 结晶的品质对于获得最低的 速 , 而且还可以降低燃速压力指
图 1 HTPB/ CL220 ( HMX) 、PEG/ CL220 ( HMX) 、GAP/ CL220 ( HMX) 比冲曲线
微烟推进剂配方[2 ] 时 , 以 GA P/
TM ETN/ / B T TN/ RDX ( 60 %) / 弹道改良剂 ( 4 %) 为基础配方 , 当用 CL220 完 全 取 代 RDX 后 , 推进剂理论比冲由 2 371. 6N·s/
2 通过添加 CL220 降低推进剂 特征信号
战术导弹使用的低特征信号
ADN 来提高能量效果更好 。 从表 2 可知 , 采用 CL220 的
1. 1 级无金属高能推进剂 , 理论 比冲可达 2 652N ·s/ kg , 排气温 度达 1 950 K。
固体推进剂 , 不允许加入 AP 和 Al 之类能产生一次烟和二次烟 的物质 。而对于少烟推进剂则只 允许加入少量的 Al 和 AP 。这样 一来 ,战术导弹所用的推进剂
必须以适当牺牲推进剂比冲为代 价 , 来保证低特征信号 (微烟、 微焰 或 少 烟 ) 特 性 的 实 现 。而 CL220 分子结构中不含卤素 , 燃 烧产物呈现最小的特征信号 , 且
kg 提高到 2 459. 8N·s/ kg , 密度 比冲提高了 41s·g/ cm3 。
美 国 专 利[3 ] 用 CL220 和 RDX 来 制 备 多 层 高 能 推 进 剂 , 其中高燃速配方以 CL220 为氧 化剂 , 低燃速配方以 RDX 为氧 化剂 , 两配方燃速之比 > 2 , 该 种推进剂每厘米的推动力可达
法国火炸药公司在研究高能
表 1 几种含能材料单元推进剂的能量特性
能量特性
密度/ g·cm - 3 比冲/ N·s·kg - 1 特征速度 , C 3 / m ·s- 1 燃烧温度 , Tc/ K 相对平均分子量 , Mc
CL220 2. 04 2 666. 44 1 639. 21 3 591 29. 15
对冲击波非常敏感 , 而经流动磨 CL220 配方燃速比 HMX 配方平
粉碎后的含 CL220 推进剂冲击 均高 45 %。CL220/ TA GN 配 方
波感度明显改善 。而经过震动磨 的推 进 剂 燃 速 压 力 指 数 约 为
(SWECO) 粉碎过的 CL220 在推 0. 46 , 小于 HMX 配方 (0. 66) 和
符号
CL220 六硝基六氮杂异伍尔
兹烷
HN F 硝仿肼
ADN
二硝酰胺铵
AP
高氯酸铵
RDX
黑索今
HMX 奥克托今
TM ETN 三羟甲基乙烷三硝酸
酯
B T TN 1 , 2 , 42丁三醇三硝酸
酯
TA GN 三氨基胍硝酸盐
BDN PF 双 (2 , 22二硝基丙醇)
缩甲醛
L X214 某配方代号
推进技术
国外对高能量密度材料 CL220 在固体推进剂中的应用研究
陈 沛 赵凤起 李上文 高 茵
摘 要 综述了国外对高能量密度材料 CL220 在固体推进剂中的应用研究情况 , 介绍了 CL220 对推进剂能
量 、特征信号 、安全性能及燃烧性能的影响 。
主题词 CL220 固体推进剂 应用研究
为了满足燃气发生剂在不同 场合的需要 , 以及降低生产成本 来适应工业生产的要求 , 美国最 新专利[6 ] 提供了“具有水溶性粘 合剂的辅助安全抑制系统的燃气
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近年来 , 美 、英 、法 、德等 国对 CL220 、GAP 、ADN 等组成 的新型推进剂进行了研究 , 几种 高性能固体推进剂最近已成功地 通过了火箭发动机试验 , 可望在 2001 年左右应用于高能 、低特 征信号的战略和战术导弹系统 。 本着追踪国外固体推进剂研制动 态的 目 的 , 本 文 综 述 了 国 外 对 CL220 在推进剂中的应用研究进 展。
冲击波感度配方是重要的技术关 数 。
键 。通过粉碎方法改善晶体的缺
用 GAP 作粘合剂的 CL220
表 3 CL220 推进剂撞击感度试验结果[ 6]
CL220 推进剂 (CL220 为ε晶型) 200μm (结晶品质差 ,高度缺陷)
NOL 隔板试验 ,50 %点的隔板数 (p) > 170 片隔板 ( < 30kbar)
引言 目前 , 世界各国都在大力开
展高能量高密度材料 ( HEDM) 的 研制和应用研究 , 以期提高或改 进固体推 进 剂 和 炸 药 的 性 能。 CL220 ( 六硝基六氮杂异伍尔兹 烷) 是该研究领域的一个重大突 破 , 由 CL220 与不同粘合剂组成
的新型推进剂具有高的密度比冲 和优异的燃烧性能 , 因此 , 格外 引人注目 。
本文 2001208220 收到 , 作者分别系中国兵器 204 所工程师 、研究员 、研究员 、工程师
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用 CL220 取 代 配 方 中 的 HMX 推进剂后 , 无论是 P GA 推 进剂还是 GAP 推进剂 , 其燃速 均比原来提高约 2 倍 , 但压力指 数仍太高 (表 4) , 加入催化剂后 (表 5) , P GA 推进剂和 GAP 推 进剂的低压燃速提高 , 从而在一 个较宽的压力范围获得了比较理 想的 压 力 指 数 , 而 GAP/ CL220 推进 剂 同 GAP/ RDX 推 进 剂 相 比 , 在较宽的压力范围内其燃速 要高 得 多 , 压 力 指 数 也 降 低 至 0. 48 (5M Pa～25M Pa) 。
以硝酸铵 (AN) 为氧化剂的 低特 征 信 号 推 进 剂 , 能 量 水 平 低 ,燃烧性能不好 , 为改善其性 能 , 用 CL220 与 AN 共同作氧化 剂 , 不但会提高推进剂的能量而
表 2 低特征信号固体推进剂比冲比较[4 ]
推进剂品种 1. 3 级少烟推进剂 1. 3 级微烟推进剂 1. 1 级微烟推进剂 1. 1 级含 CL220 高能无金属推进剂
与 AP 相比对环境的污染较小 , 因此用 CL220 取代 AP 可弥补低 特征信号 (或少烟) 推进剂能量稍 低的不足 。
HTPB/ AP 少烟推进剂能量 中等 , 文献[4 ]认为可用添加 CL2 20 、ADN 或 HMX 的方法来提高 能量 , 而微烟推进剂用 CL220 和
1 300J 。
L X214 相似[7 ] 。造型粉的造粒工
Baidu Nhomakorabea
艺及 CL220 含量均显著影响配 4 采用 CL220 改善推进剂燃烧
方的感度 (撞击感度 、摩擦感度 、 性能
冲击 波 感 度 、静 火 花 感 度 等) 。
在高性能低特征信号的推进
造型粉包覆质量好 、颗粒尺寸较 剂配方研究中 , 对以 GAP/ B T2
大 、颗 粒 较 光 滑 , 其 感 度 会 降 TN 为基分别含有 CL220 、HMX
低 ; 配方中 CL220 含量减少 , 配 和 CL220/ TA GM 的三种配方进
方感度也降低 。
行了燃烧实验 。结果表明 , 在整
研究工作表 明 , AN/ CL220 个 压 力 区 ( 0. 069MPa ～
定形状的点火结构 , 制造工艺简 XLDB 推进剂和 N EPE 推进剂相
单 , 点火效率高 。
当 , 摩擦感度 56N～851N , 撞击
感度在 3. 5m 至 4m 之间 (落锤重
3 经处理的 CL220 可改进推进 30kg) , 静电火花感度 > 726mJ ,
剂安全性能
常 压 燃 速 在 0. 9mm/ s ～
AP 1. 95 1 550. 82 990. 30 1 434 28. 92
RDX
HN F ADN
1. 82
1. 86 1. 82
2 602. 80 2 487. 10 2 003. 17
1 645. 62 1 545. 64 1 282. 60
3 284 3 088 2 100
24. 68 27. 12 24. 81
法国火炸药公司研制的 GA P 少烟推进剂[2 ]中 , 也用 CL2 20 作氧化剂 , 从而使推进剂具 有低毒 、低特征信号和高能的优 点。
燃气发生剂作为一种低温缓 燃推进剂 , 常用于交通工具的辅 助安 全 系 统 , 如 汽 车 安 全 气 囊 等 , 这就要求其燃气应清洁不含 HCI 等腐蚀性气体 , 因此 , CL2 20 取代燃气发生剂中的 AP 可保 障燃气清洁 , 减少环境污染 。