推進劑

推進劑

推進劑又稱推進葯,有規律地燃燒釋放出能量,產生氣體,推送火箭和飛彈的火葯。要求它具有下列特徵:①比沖量高;②密度大;③燃燒產物的氣體(或蒸氣)分子量小,離解度小,無毒、無煙、無腐蝕性,不含凝聚態物質;④火焰溫度不應過高,以免燒蝕噴管;⑤應有較寬的溫度適應範圍;⑥點火容易,燃燒穩定,燃速可調範圍大。⑦物理化學安定性良好,能長期貯存;⑧機械感度小,生產、加工、運輸、使用中安全可靠;⑨經濟成本低、原料來源豐富;⑩若為固體推進劑,還應有良好的力學性質,有較大的抗拉強度和延伸率。常用的推進劑主要有固體、液體兩種,少量固液混合體也在試用。

  • 中文名稱
    推進劑
  • 別稱
    推進葯
  • 作用
    規律燃燒,產生氣體,推送火箭等
  • 特徵
    10大特徵
  • 固體類
    分三種
  • 液體類
    分五種

特徵

推進劑具有下列特徵:①比沖量高;②密度大;③燃燒產物的氣體(或蒸氣)分子量小,離解度小,無毒、無煙、無腐蝕性,不含有凝聚態物質;④火焰溫度不應過高,以免燒蝕噴管;⑤應有較寬的溫度適應範圍;⑥點火容易,燃燒穩定,燃速可調範圍大。⑦物理化學安定性良好,能長期貯存;⑧機械感度小,生產、加工、運輸使用中安全可靠;⑨經濟成本低、原料來源豐富;⑩若為固體推進劑,還應該有良好的力學性質,有較大的抗拉強度延伸率。常用的推進劑主要有固體液體兩種,少量固液混合體也在試用。

固體推進劑

20世紀前,黑火葯是世界上唯一的火箭用推進劑。1888~1889年發明的雙基火葯在第二次世界大戰前,主要用作火炮發射葯。1930年後,英、德兩國將此類雙基火葯擠壓成管狀,用作戰術火箭的推進劑。1944年美國創製雙基推進劑鑄裝成型法,將雙基推進劑用于中程飛彈。1940年創製第一代瀝青、過氯酸鉀復合推進劑,為固體推進劑的發展提供新的途徑。1947年,研製出第二代聚硫橡膠、過氯酸銨、鋁粉復合推進劑。50年代,又相繼創用高分子膠粘劑聚氯乙烯、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年創用端羥基聚丁二烯,製成固體推進劑,比40年代的復合推進劑的性能有所提高至今仍被廣泛套用。

推進劑推進劑

固體推進劑按其組成可分雙基推進劑、復合推進劑、復合雙基推進劑。固體推進劑的理論比沖約為 2157 ~2942N·s/kg,密度約為1.6~2.05g/cm;適用的溫度範圍為-60~150°C;工作壓力的下限為0.1~3MPa。

雙基推進劑

即雙基火葯(見發射葯)是由高分子炸葯和爆炸性溶劑,如硝化棉(見硝酸纖維素)和硝化甘油兩類爆炸基劑再混入少量附加物溶解塑化而製成的,既用于發射葯,也用于推進劑。1930年,英國和德國曾用于製造管狀火箭推進劑。1935年,蘇聯曾用二硝基苯代替一部分硝化甘油製成火箭推進劑。

雙基推進劑的理論比沖量為 2157~2300N·s/kg,密度為1.6g/cm,工作壓力下限為2~4MPa。

復合推進劑

又稱復合火葯。由充分粉碎的無機氧化劑如過氯酸銨、硝酸銨等,和被用作燃料的高分子膠粘劑均勻包覆並加少量附加物而組成聚集態為異相的固體推進劑,是一種燃料加氧化劑類型的火葯。多採用鑄裝法製成各種內孔形狀直徑可大到幾米,主要用于中、遠程飛彈。復合推進劑中的附加物有:增塑劑、防老劑、潤滑劑、燃速調節劑等。復合推進劑的理論比沖量可達 2942N·s/kg,使用溫度範圍為-60~150°C工作壓力下限為0.1MPa,密度可達2.05g/cm,較雙基推進劑價格低,還可利用氧化劑的粒度大小以調節燃速缺點是燃氣有腐蝕性煙霧難于擠壓成型,所以不適用于槍炮和戰術火箭,

復合推進劑復合推進劑

composite propellant 顆粒氧化劑(如高氯酸銨等)分散于聚合物黏合劑連續相中構成的一種固體推進劑。有時還用粉末金屬(如鋁、氫化鋁等)燃料提高能量。依黏合劑聚合物種類分成聚氯乙烯、聚氨酯、聚丁二烯等推進劑。它是一種固體顆粒充填的聚合物復合材料。通常是將液體預聚物經交聯固化而得,可採用澆註工藝製成殼體粘接式的大型固體發動機。廣泛套用于戰略飛彈、戰術飛彈、火箭和航天運載上。

復合雙基推進劑

介于雙基和復合中間類型的火葯。又稱復合雙基火葯、復合改性雙基推進劑或改性雙基推進劑。利用雙基火葯膠包覆固體粒子如固體炸葯、固體氧化劑、金屬粉等組成推進劑主體,並含有少量附加物如催化劑、安定劑等形成聚集態為異相的固體推進劑。它可用于軍事和空間的火箭發動機。

由于雙基推進劑的能量較低,且用擠壓法難以製造大型葯柱,因而人們探索改進途徑。1944年美國解決了雙基推進劑的鑄裝方法,50年代又在澆鑄雙基推進劑基礎上加入無機氧化劑,如過氯酸銨和金屬燃料(鋁粉)等從而製出了復合雙基推進劑。中國也于1958年製造了復合雙基推進劑。復合雙基推進劑的主要組分是硝化棉、硝化甘油、過氯酸銨和鋁粉等。

復合雙基推進劑的理論比沖量可達2600N·s/kg,密度可達1.8g/cm,其他性質介于雙基和復合推進劑間。

復合雙基推進劑的製造工藝可分為兩步。第一步先把原料製成復合雙基澆鑄葯粒(1mm大小);第二步再把澆鑄葯粒製成大型柱體推進劑。澆鑄葯粒的製造又分擠壓法和懸浮法兩種,與上法相對應的成型柱體的方法為鑄粒法和配漿法。由于配漿法優點較多,當前實際中多採用此法。它的成型原理和雙基推進劑用的配漿澆鑄法是一樣的隻是在配製澆鑄液漿時,把氧化劑過氯酸銨或猛炸葯,如黑索今、金屬燃料(如鋁粉)等,與葯粒一起混拌均勻再與配製的溶劑液混合,拌勻配成澆鑄液漿,進行澆鑄,即成為產品葯柱。

液體推進劑

1898年俄國人К.Э.齊奧爾科夫斯基最先提出液體推進劑用于航空的理論。1926年,R.H.戈達德發射第一個液體火箭使用液氧和煤油二元推進劑。40年代,德國研製了有名的V-2火箭,使用液氧和酒精二元推進劑50年代蘇聯發射第一個人造地球衛星,仍使用液氧和煤油。60年代,美國發展了阿波羅土星計畫,多次成功地將人送上月球這些大推力火箭有些使用液氧、液氫、四氧化二氮和混肼等,70年代後,蘇、美兩國繼續使用液體推進劑發射各種類型的空間飛行器,裝備遠射程大彈頭的戰略飛彈,並把單元推進劑用于空間姿態控製和魚雷等 液體推進劑大體可分為單元和二元兩類,

單元推進劑

可以是一種液體物質,也可以是一種互相溶解的多成分液體混合物,常用的有硝酸酯化合物等。

二元推進劑

包括液體氧化劑和液體可燃物,它們在燃燒前分開貯備。常用的氧化劑有硝酸、雙氧水、四氧化二氮、液氧可燃物有偏二甲肼、一甲肼、混肼、煤油、液氫等。燃燒時將兩種液體分別註入火箭發動機的燃燒室中。

與固體推進劑相比,液體推進劑的能量高,實際比沖量在低溫已達4440N·s/kg。發動機可重復使用,成本低廉性能容易調節,精度高。缺點是設備復雜。因此,世界各國近地軌道衛星、通信衛星、偵察衛星、星際探測器和星際飛船等大推力運載火箭,都以使用液體推進劑為主,在戰術火箭和飛彈中則幾乎不使用。近年來的研究指出,氟氧化合物單元推進劑,氟-氫、氟-氨二元推進劑有發展前途。

惰性推進劑

一些火箭設計的推進劑來自非化學能源或甚至是來自外部的能源。例如水火箭使用壓縮氣體,一般是空氣,迫使水從火箭噴出。

太陽能火箭和核能火箭通常建議使用液氫以達到600-900秒Isp(比沖),或在某些情況下,用水蒸汽達到190秒Isp,

此外對于低性能要求的情況,如姿態噴射器,也有用惰性氣體氮氣的,

氣體推進劑

氣體推進劑通常涉及某種形式的壓縮氣體然而由于密度低且壓力容器重量高,目前很少使用氣體推進劑,但有時也用于attitude jet,特別是惰性推進劑,

GOX被用來作為Buran program的軌道操縱系統的推進劑之一

混合比例

給出的化學推進劑理論排空速率是每單位質量推進劑(具體能量)能量釋放的函式。未燃盡的燃料或氧化劑會影響具體能源。令人驚訝的是,大多數火箭載富燃料運行,

推進劑密度

雖然液氫有很高的Isp,其密度低是一個重要的缺點:每公斤氫佔地的體積是密集燃料(如煤油)7倍多。 這不僅對貯槽設施不利,而且油箱的通路和燃油泵,需要原來體積和重量的7倍。(引擎的oxidiser一側和渣當然不受影響)這使得航天器的幹質量要高得多,所以使用液氫比起預想的不是這麽有效。事實上,一些致密碳氫化合物/液氧推進劑組合具有較高的性能同時,幹重的不利也包括在內。

由于較低的Isp, 密集推進劑運載火箭,具有更高的起飛質量,但這並不意味著一個成比例的高成本,相反,航天器很可能最終更便宜。液氫生產和儲存是相當昂貴的,並在航天器的設計和製造帶來許多實際困難。

由于較高的整體重量,密集燃料運載火箭必然要求更高的起飛推力,但它攜帶推力的能力要一直持續到達軌道這一點再加上更好的推力/重量比,這意味著密集燃料的航天器達到軌道早些時候,從而盡量減少重力阻力造成的損失因此,這些航天器的有效delta-v要求減少了。

但是,液氫給予明確的優勢,整體重量需要最小;例如土星V飛行器在它的末級使用液氫;降低了重量,這意味著使用密集燃料的第一級可成比例的縮小,節省不少錢,

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