GAP系复合推进剂的燃烧特性——理论燃烧性能与燃速

火箭用的固体推进剂要求具有比冲高和燃速范围宽的特性。为取得高比冲， 研究了以ＧＡＰ（缩水甘油叠氮聚醚）作燃料成分的复合推进剂理论燃烧性能与燃速。作为氧化剂探讨了高氯酸铵（ＡＰ）、硝酸铵（ＡＮ）和奥克托金（ＨＭＸ）。ＧＡＰ为生成热４９．３７ｋＪ／ｍ ｏｌ的高能物质， 而且有自燃性， 作为可以高速燃烧的燃料成分兼有很好的粘合剂特性。虽然ＧＡＰ的压力指数与温度感度高， 但添加ＡＮ或ＨＭＸ可以显著降低温度感度。而且ＧＡＰ系复合推进剂的燃速在用ＡＰ、ＨＭＸ或ＴＡＧＮ作氧化剂时受粒度的控制， 在用ＡＮ 作氧化剂时其燃速与粒度无关。利用粒状扩散火焰模型进行的探讨明确了上述特性。     

BAMO推进剂燃速的提高

研究了加入ＨＭＸ或ＡＮ／ＨＭＸ的ＢＡＭＯ推进剂的热分解和燃烧特性。叠氮粘合剂起始分解产生的热加速了推进剂中ＨＭＸ和ＡＮ的热分解，高氯酸铵（ＡＰ）和含有炭黑的硬酯酸铅显著改变了含ＮＭＸ基的ＢＡＭＯ推进剂的热分解和燃烧特性。ＡＰ可以提高燃速并略微降低燃速压力指数。铅催化剂使推进剂产生高的燃速值和最低的压力指数。重铬酸铵也影响了含ＡＮ／ＨＭＸ的推进剂样品的热分解和燃烧性能的机理。重铬酸铵和铬醚铜的化合物对含ＡＮ／ＨＭＸ推进剂燃速增加很有效。推进剂中ＡＮ从冷凝相升华和蒸发，在气相以放热反应为主。含ＨＭＸ和ＡＮ／ＨＭＸ的ＢＡＭＯ推进剂在小型发动机测试中显示出无烟的燃烧特性。     

NEPE推进剂燃速催化剂选择及其对燃烧性能的影响

通过对粘合剂及推进剂能量和粘合剂理论燃烧产物的分析与比较，预计ＮＥＰＥ推进剂将同时具有ＡＰ－ＨＭＸ－ＣＭＤＢ和ＡＰ－ＨＭＸ－ＨＴＰＢ的燃烧特性，在此基础上，初步研究了在ＣＭＤＢ中行之有效的燃速催化剂对ＮＥＰＥ燃速和压力指数的影响，在４－９Ｍａ压力范围内观察到加入燃速催化剂和降低ＡＰ氧化剂粒度是改善燃烧性能的两条重要措施，燃速催化剂主要通过提高推进剂在低压下的燃速而发挥作用，仅靠增加燃速催化剂用量不     

GAP／AN叠氮化聚合物推进剂的感度特性

研究了ＧＡＰ／ＡＮ系复合推进剂的冲击特性与热特性。明确了利用添加固化剂的比例和硝酸酯、二辛基己二酸酯可以改善推进剂的物理性能，以及速率决定过程不受物理性能支配。ＮＣ可明显降低临界冲击波压力，而１４．８％ＨＭＸ与ＡＰ大体没有影响。由于ＮＣ分解温度低，分解生成物的反应性高，可以降低热冲击性，所以ＧＡＰ／ＴＭＥＴＮ／ＡＮ推进剂显示出良好的热冲击性。有效利用硝酸酯类不仅可以提高ＧＡＰ／ＡＮ推进剂的燃烧性能，而且可以改善感度特性     

国外对钝感推进剂的研究

阐述了研制钝感推进剂的必要性。综述了国外研制钝感推进剂的主要技术途径有：采用低感度的高能粘合剂或含能增塑剂；采用低感度的硝胺化合物；用新型高能氧化剂，如二硝酰胺铵盐ＡＤＮ、ＣＬ－２０或无相转变硝酸铵（ＡＮ）氧化剂代替ＡＰ和ＨＭＸ及其它可能的钝感技术。重点介绍了国外用烃酯类增塑剂降低推进剂感度的研究。     

高能复合推进剂的温度感度特性

高氯酸铵（ＡＰ）系复合推进剂具有在不含氧化铁时随粘合剂种类的不同在低温下出现不稳定燃烧，添加氧化铁时即便在低温下也可稳定燃烧的燃速温度感度特性。如ＡＰ／ＡＭＭＯ和ＡＰ／ＰＰＧ在燃烧表面形成熔解层的推进剂燃速的温度感度特性很高，添加氧化铁时温度感度有下降的趋势。不含氧化铁时燃速的温度感度随压力的上升而增加，而添加氧化铁的推进剂对压力的依赖性变小。分析气相反应与凝缩相反应的温度感度特性的结果证明，ＡＰ系复合推进剂不论有无氧化铁，在低温领域燃烧表面附近的凝缩相反应决定速率。但是粘合剂成分对燃烧表面附近气相反应的温度感度影响也很大，而且对燃速的温度感度也有影响。     

氧化剂粒度和含量变化对NEPE推进剂燃速和压力指数的影响

研究了氧化剂粒度和含量变化对ＮＥＰＥ推进剂燃速和压力指数的影响。实验结果表明ＮＥＰＥ的燃烧行为类似于ＡＰ－ＨＭＸ－ＣＭＤＢ推进剂。采用细粒度ＡＰ或进行粒度级配是改善ＮＥＰＥ燃烧性能，提高燃速，降低压力指数的重要措施。观察到ＨＭＸ粒度变化对ＮＥＰＥ的燃速无明显作用。在配方中增加ＡＰ含量，也可起到提高燃速的作用，并且随着压力的不断增高，燃速增加的效果越明显。     

燃气混合火箭发动机的燃烧特性

利用高能物质缩水甘油叠氮聚醚（ＧＡＰ）和贫氧高氯酸铵（ＡＰ）系复合推进剂作燃气混合火箭发动机的燃烧剂，用四氧化二氮（ＮＴＯ）、硝酸（ＨＮＯ３）和一氧化二氮（Ｎ２Ｏ）作氧化剂进行试验，取得燃气混合火箭发动机的燃烧特性。同时利用开关控制液体氧化剂的流量求出了对推力的控制效果。以ＮＴＯ，ＨＮＯ３和Ｎ２Ｏ作氧化剂时，燃烧效率可达９２％以上。利用开关控制流量不仅可以平滑控制推力，而且容易点火，从而得出主发动机也可作为推力控制装置的结论。     

硝酸铵／铝／高氯酸铵系复合推进剂的点火特性

采用在端羟基聚丁二烯（ＨＴＰＢ）２０％（质量比）中加入铝粉２０％（质量比），再加入氧化剂ＡＮ（硝酸铵）／ＡＰ（高氯酸铵）合计６０％（质量比）的推进剂，取得了在ＡＮ中加入ＡＰ时的燃速特性和点火特性。在燃烧压力为１ＭＰａ时，ＡＮ系复合推进剂的燃速为１．２ｍｍ／ｓ，ＡＰ系复合推进剂的燃速为４．０ｍｍ／ｓ。在压力１ＭＰａ、照射能量６００Ｗ的条件下，ＡＮ系复合推进剂的点火滞后时间约为４６０ｍｓ，ＡＰ系复合推进剂的点火滞后时间仅为７．５ｍｓ。ＡＮ系复合推进剂点火滞后时间长的主要原因是化学点火滞后时间长。在ＡＮ系复合推进剂中混入ＡＰ时，燃速同样增加，点火滞后时间随着燃速的增加而减少。     

GAP／AN推进剂的燃速特性

为降低固体火箭推进剂燃烧生成物中氯化氢（ＮＣＩ）的含量，推进以硝酸铵（ＡＮ）作氧化剂，以缩水甘油叠氮聚醚（ＧＡＰ）作粘合剂的推进剂早日达到实用水平，进行了改进燃达特性的研究。证明添加少量高氯酸铵（ＡＰ）可以增加燃速。ＡＰ与ＡＮ的质量比为ＡＰ／ＡＮ＝１．０时，在４ＭＰａ以上压力下，ＡＰ的扩散火焰决定燃４，压力指数在０．３７以下。在ＧＡＰ／ＡＮ／ＡＰ推进剂中添加氧化铁时，燃速及５ＭＰａ以下的压力指数增大．在高压方面压力指数下降。证明氧化铁有促进ＡＰ热分解的作用。     

BAMO 共聚物的热分解

研究了ＢＡＭＯ与惰性组分ＴＨＦ、含能组分ＡＭＭＯ、硝酸酯ＮＭＭＯ等共聚后对它们的热分解的影响。Ｂ／Ｎ（７／３）分解时ＢＡＭＯ与ＮＭＭＯ各自独立地进行分解，由ＮＭＭＯ单元分解产生的热加速了ＢＡＭＯ单元的分解。在Ｂ／Ｔ（７／３）和Ｂ／Ａ（７／３）中ＴＨＦ和ＡＭＭＯ对ＢＡＭＯ的分解没有影响。在ＤＳＣ图中除了Ｂ／Ｎ（７／３）有两个放热峰外，Ｂ／Ａ（７／３）和Ｂ／Ｔ（７／３）只有一个放热峰，两个峰中的低温峰是ＮＭＭＯ单元分解产生的，另一个峰是由ＢＡＭＯ分解产生的。Ｂ／Ａ（７／３）的分解速度与ＢＡＭＯ的分解速度相同，这表明ＡＭＭＯ的活性与ＢＡＭＯ的活性相同。含７５％ＨＭＸ和２５％共聚粘合剂的推进剂中，Ｂ／Ａ（７／３）／ＨＭＸ的燃速比Ｂ／Ｎ（７／３）／ＨＭＸ的快，这是因为虽然在ＤＳＣ中Ｂ／Ａ（７／３）的分解热比Ｂ／Ｎ（７／３）的小，但Ｂ／Ａ（７／３）／ＨＭＸ的分解热却比Ｂ／Ｎ（７／３）／ＨＭＸ的大。由于分解反应主要发生在推进剂的凝聚相，因此凝聚相在推进剂的燃烧过程中起主导作用。     

高氯酸铵系复合推进剂的摩擦感度

用热化学分析及热解质量分析探讨了高氯酸铵(AP)系复合推进剂的摩擦感度。研究表明,为增加燃速采用的燃烧催化剂有增大摩擦感度的特性。从热电偶测出的推进剂燃烧波的温度分布得出了摩擦感度与燃面温度的关系。促进AP分解的催化剂虽有增加摩擦感度的特性,但落锤冲击感度试验表明,它对冲击感度没有影响.     

GAP与推进剂常用组分的相容性研究

采用热分析、机械感度和自然贮存实验研究了聚叠氮缩水甘油醚（ＧＡＰ）与推进剂常用级分的相容性。ＧＡＰ与ＡＰ、ＨＭＸ的相容性要好于ＧＡＰ／ＢＧ与ＡＰ、ＨＭＸ的相容性；ＧＡＰ与Ｂ基本相容，但ＧＡＰ／ＢＧ与Ｂ不相容；ＧＡＰ与ＡＮ及ＧＡＰ／ＢＧ与ＡＮ都不相容。ＧＡＰ与ＡＮ及硝酸酯ＢＧ与ＡＮ不相容分别是由于ＡＮ的酸性和氧化氮的自催化效应引起的，安定剂是改善ＧＡＰ／ＢＧ／ＡＮ体系相容性的有效手段。     

高能复合推进剂的燃烧机理——高能粘合剂的效果

研究证明，ＡＰ系复合推进剂的粘合剂中能量越高燃速也越高。在本试验压力范围内供试验用的推进剂出现燃烧中断，当粘合剂中ＡＭＭＯ含量为８０％以上时，在４ＭＰａ压力下燃烧中断，并有推进剂的绝热火焰温度越高燃速越高的趋势。推进剂的燃烧热显示，在粘合剂中ＡＭ－ＭＯ含量在８０％以下时，ＡＭＭＯ含量越多燃烧热越高，而燃烧热越高绝热火焰温度也越高。推进剂的燃烧热越高燃速也越高。已知叠氮化聚合物单体燃速的速率决定阶段是凝缩相反应，本研究证明，在ＡＰ系复合推进剂中从气相到燃烧表面的热流束影响推进剂燃速的速率决定阶段。     

硝铵／铝系复合推进剂的燃烧机理

研究了在硝酸铵（ＡＮ）系复合推进剂中添加高氯酸铵（ＡＰ）和铝时的燃烧特性．在ＡＮ系复合推进剂中添加ＡＰ时燃速增加，压力指数几乎不变．热分析结果显示，ＡＮ颗粒与ＡＰ颗粒分别独立分解．燃烧波的温度分布测量结果证明，由于添加ＡＰ，燃烧表面附近的气相温度梯度增大，从气相向燃烧表面的热流量增加．由于热流量的增加引起燃速增加．铝的燃烧效率随ＡＰ添加量的增加而增加，当ＡＰ添加量达４０％（ｗｔ）时燃烧效率急增．     

N,N′-双(2-叠氮乙基)草酰胺的合成及性能

合成了一种新的化合物Ｎ，Ｎ′双（２叠氮乙基）草酰胺（ＡＥＯ），并鉴定了其结构。通过Ｘ光电子能谱（ＸＰＳ）等仪器对ＡＥＯ与ＨＭＸ的键合作用及ＡＥＯ与硝酸酯和聚醚的相容性进行了研究。结果表明，ＡＥＯ与ＨＭＸ具有键合效果，与硝酸酯和聚醚具有较好的相容性     

GAP／AN／AP系低公害推进剂的低压点火特性

利用二氧化碳（ＣＯ２）激光器研究了含高氯酸铵（ＡＰ）２０％～３０％的ＧＡＰ／ＡＮ／ＡＰ系低公害推进剂在低压时的点火特性。推进剂ＡＮ－４０及含马格纳利厄姆镁铝合金的Ｍｇ·Ａｌ－５在３９．９～５３．２ＫＰａ以上的低压空气中可以自动点火，而在惰性保护气体中不能自动点火。证明自动点火与保护气体中的氧气有关。进一步降低保护气体压力时，两种推进剂都出现了不稳定的振动现象。Ｍｇ·Ａｌ－５推进剂比ＡＮ－４０更易产生振动现象。在低热流方面，加入镁铝合金的推进剂点火时的表面温度比ＡＮ－４０推进剂的约低２０℃，因而点火滞后时间长，吸收能量多，表面附近固相内热层增厚，比ＡＮ－４０推进剂有更好的自动点火性能。用差热分析研究热分解证明，推进剂组份中相对ＡＮ添加镁铝合金０．１具有与相对ＡＮ增加ＡＰ０．２５同样的热分解效果。这可能是因为在高热流方面ＡＮ－４０与Ｍｇ·Ａｌ－５推进剂的点火特性大体相同     

超细铝粉燃烧性能研究

研究了四种粒度的铝粉在四组元（ＨＴＰＢ／ＨＭＸ／ＡＰ／Ａｌ）推进剂中的燃烧特性。实验结果表明，超细铝粉可减轻在燃面的凝聚程度，其燃烧性能明显优于粗铝粉。因此，在推进剂中合理使用超细铝粉，可以提高燃烧效率，对配方研制具有十分重要的意义。     

GAP/AN推进剂燃速特性研究

研究了粘合剂类型、增塑比、ＡＮ含量和粒度、ＡＰ和ＨＭＸ以及Ａｌ的含量对ＧＡＰ／ＡＮ推进剂燃速特性的影响。结果表明,增逆比及ＡＮ含量影响ＧＡＰ／ＡＮ推进剂燃速特性的主要因素结果表明：增塑比和ＡＮ含量越低,ＧＡＰ／ＡＮ推进剂的燃速越高,压强指数越低。     

含 AP 的叠氮类复合推进剂的平台燃烧特性

本文研究了高压下氧化铁催化剂对推进剂催化作用的位置和机理，催化剂如何提高推进剂燃烧速度和产生平台燃烧特性，利用等温热重分析法（ＴＧＡ）、差示扫描量热法（ＤＳＣ）和快速扫描ＦＴＩＲ分光光度法等技术研究了推进剂凝聚相区化学过程。在相对较低压力区内未催化的含高氯酸铵（ＡＰ）叠氮类复合推进剂表现出不稳定燃烧，在此压力范围内燃烧表面的热平衡也不稳定，因此氧化铁改变了推进剂的燃烧特性并提高了燃烧速度，伴随着平台－麦撒燃烧特性。燃烧速度对压力的不敏感性表明，在催化作用机理上分析，推进剂凝聚相化学在ＡＰ粒子的外表面，阻止了更多的ＡＰ的分解，但并没有影响推进剂的平台燃烧。Ｆｅ２Ｏ３对推进剂燃速提高的影响比Ｆｅ３Ｏ４的大。研究中所用的推进剂使用Ｆｅ３Ｏ４时，它的催化作用对降低压力指数更为有利。