固體火箭推進劑

2023年12月25日發(fā)(作者：林薇因)

21世紀初固體推進劑技術展望

摘 要:：從高能、低特征信號、能量管理型及含硼富燃料推進劑等主要方面綜述了各國近年來在固體推進劑技術方面的最新進展 , 分析展望了固體推進劑技術21世紀初發(fā)展的趨勢及主要技術方向 , 并提出了預測性的看法。

關鍵詞： 固體推進劑; 高能推進劑; 低特征信號推進劑; 能量管理型推進劑; 含硼富燃料推進劑; 高能量密度材料; 述評

1 引 言

在化學推進劑領域的一些觀念上, HMX等一些高能炸藥在推進劑中的廣泛應用 , 已經(jīng)模糊了火藥與炸藥的界限; Klager K博士于20世紀80年代提出的“高能交聯(lián)推進劑”的新概念 ,

促進了雙基 (均質(zhì)) 與復合推進劑的結合 , 推出了 NEPE等新一代高能推進劑; 膏狀推進劑

(或凝膠推進劑) 的出現(xiàn) ,則可能進一步打破固體與液體推進劑的現(xiàn)狀分界 ,推出一個全新的品種。21世紀初固體推進劑發(fā)展方向 , 是各國專家們預測的一個熱點。從80年代以來 , 先后有 Klager K,Quentin D , Davenas A等中外學者在總結了固體推進劑發(fā)展歷程、現(xiàn)有水平的基礎上 , 預測了未來的發(fā)展趨勢。現(xiàn)依據(jù)近年來一些最新研制動態(tài)及進展 , 作進一步的分析、闡述與展望。

2 高能推進劑

提高能量始終是固體推進劑研制發(fā)展的主要目標。在高能化的進程中 , 從單一著眼能量到注重以能量為主的綜合性能指標; 從單一著眼比沖

?Is?到注重密度比沖?Is??? , 都標志著高能化技術的日趨成熟與提高。

2. 1 進 展

(1) 為了提高能量 , HTPB 推進劑固體含量提高到90 % , 加入硝胺炸藥 HMX , 在俄國還把 HTPB +ADN推進劑用于地下井發(fā)射的白楊2M戰(zhàn)略導彈第三級; NEPE推進劑 , 在美國已先后用于 MX、三叉戟Ⅱ、侏儒等戰(zhàn)略導彈及某些戰(zhàn)術導彈。為了提高能量 , 還在進行提高固體含量、提高比沖效率等方面的研究; GAP推進劑為目前作為高能、低特征信號、鈍感推進劑的最佳品種 , 而倍受關注。美國擬于2001年將 GAP推進劑用于高性能低特征信號的空對空導彈、潔凈助推器裝藥及113級微煙推進劑中。

(2) 近年來高能量密度材料 (HEDM) 推進劑成為各國研究的熱點。美國科學家 1987 年首先合成出來的 CL220 (六硝基六氮雜異伍茲烷、HNIW) 等高能化合物先后披露出來 , 引起各國同行們的注意 ,并先后進行了合成及在推進劑中使用性能的研究。據(jù)報道 , 美已建立了每批 200 kg的中試裝置 , 法國也能以每批 20 kg～25 kg 規(guī)模合成。美、法等國主要將

CL220用于高能低特征信號推進劑、槍炮推進劑和高能炸藥。據(jù)美國國防部 1997 年關鍵技術計劃要求 , 近期 (1～2年) CL220 推進劑比沖達到 2 430

N? s/ kg, 中期 (3～5年) 比沖達到2 665

N? s/ kg。

(3) 20多年前 , 由前蘇聯(lián)澤林斯基有機化學研究所首先合成出來的ADN (二硝酰胺銨)

較晚才披露于世。俄致力于ADN的研制與使用 , ADN推進劑已用于部份空對空導彈及SS

224、SS 227TOPOL2M (白楊2M) 機動型洲際導彈第三級等型號。使用 40 %的ADN , 可將比沖提高約 100

N? s/ kg。ADN 用于低特征信號推進劑 , 可將比沖提高 7 %; 用于含鋁推

進劑 , 可將比沖提高 10 %。近年來 , 也一直有俄專家關于ADN的研究報告。西方專家對ADN也表現(xiàn)了極大興趣。有報告報道 , 在 HTPB , AP , Al 推進劑中 , 使用 ADN , 可使比沖提高100N? s/ kg左右。認為現(xiàn)在最不明確的是含ADN推進劑的安全等級。美國、法國等都非常重視這種新型氧化劑, 并已開展了ADN性能的評估工作。

(4) 荷蘭研究較多的是

NHF (硝仿肼 ,

N2H5C?NO2?3) , 密度比 ADN 高 , 熱值也高 ,

與聚丁二烯或 GAP配合 , 均可得到高的體積能量特性。缺點是高感度、相容性差。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn) , 是 HNF中含少量雜質(zhì)所致。改善制造工藝 , 提高純度后 , 其感度及相容性可得到明顯改善。俄國除了 ADN 推進劑 , 還對 AlH3 推進劑進行了研究。據(jù)說AlH3 + AP已用于型號 , 比沖大約可達2 600N? s/ kg。俄國對NHF也進行過可容性、燃燒穩(wěn)定性以及球形化工藝等方面的研究。

2.2 展 望

(1) 新一代武器裝備普遍提出了增大射程、提高飛行速度和突防能力、提高能量管理水平以及降低成本、保護環(huán)境等新要求。1998 年北約的導彈技術會議 , 對未來戰(zhàn)術導彈推進系統(tǒng)的要求可以歸納為: 提高能量、超高速飛行、低特征信號等 , 其中的核心問題是能量性能。美國國防部最近發(fā)表的防衛(wèi)計劃關于戰(zhàn)術導彈推進的項目中 , 重點也是放在提高能量特性上。該計劃到2003年預算撥款5 360萬美元 , 平均每年900萬美元。具體的能量性能增益指標如表1。

(2) 提高能量的主要技術途徑為采用含能粘合劑、高能氧化劑、含能增塑劑、含能固化劑和其它一些高能組分。在含能粘合劑方面有

NO2 ,

ONO2 ,

N3 ,

NF2 基等化合物 , 其中值得注意的NO2 ,

ONO2 基新型化合物有兩例。其一為聚雙 (1 , 32氧雜丙基) 2雙 (2 ,22二硝酸酯基甲基) 21 , 32丙二酸酯：

其氧含量高達 62 % , 基礎配方比沖計算值 2 570N· s/ kg (較 GAP高出約100

N? s/ kg) 。另一例聚縮水甘油硝酸酯 (PGN) ：

N3 基化合物有 GAP , AMMO , BAMO , B2GAP等。

NF2 類化合物中 , 二氟胺類粘合劑 (以及二氟胺氧化劑) 具有極高的密度比沖潛力 ,

應是一個重要的研究類別。如3 , 32雙二氟胺氧雜環(huán)丁烷。在高能氧化劑方面表 2 列出了一些氧化劑的能量性能 , 可以看出 , 高能氧化劑的研究途徑主要有二 , 一是ADN ( KDN) 、HNF、CL220 等的合成及應用研究; 另一是氟及其衍生物、大環(huán)呋喃系列等新型化合物的合成及應用研究。

(3) 高能推進劑性能比較見表3。

3 低特征信號推進劑

3. 1 進 展

低特征信號是指發(fā)動機排氣羽煙 (一次煙和二次煙) 、二次燃燒火焰 (可見光、紅外、紫外) 等的輻射特征信號較低 , 因此對導彈制導信號衰減低、導彈不易被敵方探測、識別和攔截。80 年代以來 ,美國強調(diào)武器應具備隱身性能 , 要求推進劑無煙、無焰 , 于是把低特征信號作為21世紀戰(zhàn)術發(fā)動機的主要方向。美、法、英、德四國達成了發(fā)展高能、低特征信號、鈍感推進劑技術協(xié)議。在美國近、中、遠期發(fā)展規(guī)劃中 , 比沖為 2 255

N? s/ kg～2

451N? s/ kg的低特征信號 (及鈍感) 推進劑 , 列為主要目標。英國利用二次燃燒抑制技術 ,

可以使推力為2kN～12

kN的固體發(fā)動機的紅外、紫外、或可見光輻射減少了90 %以上 , 激光透過率提高 27 % , 微波衰減從10 dB 減低到零。北約宣布 , 2000 年后使用的戰(zhàn)術導彈全部使用微煙低特征信號推進劑。

3. 2 展 望

預計NEPE和 GAP類推進劑將是21世紀初高能低特征信號推進劑的研制使用的重點。法國提出的計劃是1998年實現(xiàn) GAP2CL220推進劑 , 2001 年實現(xiàn)GAP + ADN推進劑 , 含能粘合劑 + 硝基立方烷類推進劑在2010年后實現(xiàn)。

近期美國在高能、少煙潔凈型新品種推進劑研制方面作了不少工作。粘合劑是含能聚合物 ———聚縮水甘油硝酸酯 (Polyglycidyl nitrate , PGN) 。PGN的官能度近于或大于2 , 羥基當量為 1 200～1 700 , 環(huán)狀低聚物小于2 %～5 %。PGN推進劑中金屬燃料為 Al , Mg 或

B 的混合物 , 氧化劑主要是 AN , 也可用 HMX、RDX 或 CL220。固體組份為 60 %～85 %。固體含量在 65 %～75 %時 , 其能量水平與大型運載火箭用 HTPB 推進劑水平相當

(見表4) 。配方中加入少量B 有利于提高燃速 , 降低燃速壓強指數(shù)。低特征信號推進劑要求將鈍感和低特征信號綜合考慮 , 主要技術途徑有:

(1) 低感度含能粘合劑和增塑劑 , 如 GAP ,PGN等含能粘合劑或熱塑性彈性體等組成推進劑。

(2) 新型高能氧化劑 , 如ADN , CL220等。

(3) 用相穩(wěn)定硝酸銨氧化劑 (如 PSAN) 取代AP , HMX , 研制NEPE/ PSAN , GAP/

PSAN/ RDX等推進劑。

(4) ADN簡化工藝 , 降低價格。

(5) HNF提高純度 , 降低感度。

4 特種推進劑

4. 1 含硼富燃料推進劑

(1) 固體火箭沖壓發(fā)動機的發(fā)展 , 推動了富燃料推進劑的研究。硼推進劑以 HTPB

25 % , AP25 % , 燃料 50 %的基礎配方計算 , 則無論是Is , 還是Is??, 能量性能都是最高的 , 有希望使固體火箭沖壓發(fā)動機的比沖超過 10

kN? s/ kg。硼推進劑燃燒產(chǎn)物潔凈 , 適用于整體級發(fā)動機。但在實際應用中 ,硼推進劑又存在著點火性能差、燃燒效率低等問題 ,影響了使用。這正是硼推進劑當前研究的熱點。

(2) 固體火箭沖壓發(fā)動機使用的高硼含量推進劑 , 美、法、德等都有研究報道 , 認為硼推進劑具有高比沖10159kN? s/ kg、高密度比沖 , 在端面燃燒藥柱中有好的工藝性能 , 在較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的力學性能。硼含量約在 25 %～65 % , 最佳值約為40 % , 主要性能見表5。

(3) 國外含硼推進劑以用于固體火箭沖壓發(fā)動機的研究報導為主。美國已于 1994 年申請了有關發(fā)明的專利。據(jù)報道 , 德國空軍BVRAAM導彈已應用了低容積高比沖的含硼推進劑。另外也有用于整體級 (MIST) 的研究報道。

4.2 能量管理型推進劑

能量管理型推進劑技術是指合理分配全彈道的能量 , 減少損失 , 以提高導彈射程或攻擊速度 , 或?qū)崿F(xiàn)在有動力條件下攻擊目標。能量管理將是下一代固體發(fā)動機的重點預研課題。通常是要求在起飛后有一段低推力或自由飛行 , 在臨近目標時再加速 ,這樣可以明顯提高導彈可用過載 , 增大射程。空對空導彈采用能量管理 , 可提高射程 25 % , 或使彈頭增大一倍。預計下一代導彈將大量采用這一技術。

能量管理型推進劑 , 目前世界各國采用的技術途徑不盡一致 , 所以稱謂也不一樣。現(xiàn)在使用的名字主要有: 凝膠 (或膠凝) 推進劑 ( Gelled propel2lants) , 膏狀推進劑 ( Pasty

propellants) 等。凝膠推進劑是化學推進劑領域中的一種新型推進劑 , 它兼?zhèn)淞艘后w和固體推進劑的諸多優(yōu)點 , 實現(xiàn)了固體發(fā)動機推力可調(diào)、能量管理和鈍感的特性。美國 1997財年“國防技術領域計劃”中重點提出了近期研制凝膠推進劑并進行發(fā)動機性能論證的計劃。美國航空噴氣公司的凝膠推進劑火箭發(fā)動機 , 準備用于星球大戰(zhàn)計劃中的 GPALSD 的地基攔截導彈。凝膠推進劑使導彈性能和可靠性提高 , 導彈更加靈活 , 射程提高。實驗表明 , 采用凝膠推進劑的長矛導彈是使用液體推進劑射程的兩倍。據(jù)報道 , 1999 年 3 月美國對 TRW公司制造的、使用凝膠推進劑火箭發(fā)動機的戰(zhàn)術導彈進行了首次飛行試驗。導彈發(fā)射后飛行了 8

km , 在 51 s 的飛行過程中 , 發(fā)動機點火 5次。飛行試驗獲得成功。

前蘇聯(lián)及烏克蘭研制膏狀推進劑已有 20 多年的歷史了。Kukushkin V H教授等近來披露了前蘇聯(lián)使用膏狀推進劑火箭發(fā)動機 (Pasty propellant rocket en2gines , 簡稱 PPRE) 的太空飛船標準發(fā)動機的試驗結果。他們不僅研制出了成熟的膏狀推進劑 (粘度 2000 Pa· s) , 而且采用直徑 200 mm 發(fā)動機進行了試驗 , 預計將于近期內(nèi)裝備導彈系統(tǒng)。

5 其他技術

(1) 制造工藝技術 , 主要研究方向是簡化工藝、實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)、降低成本。如可室溫混合、澆注、固化的推進劑; 選用低粘度含能增塑劑 , 如硝酸辛酯等; 選用新型鍵合劑 , 如希夫堿及其混合物等;可現(xiàn)場施工型推進劑。

(2) 界面粘接技術 , 主要研究方向是高可靠性、少污染、低成本。如丁羥推進劑用的新型膠粘劑 ,如互穿交聯(lián)鍵合體系 ( IBS) 等; 硝酸酯推進劑用的主要有雙膜、環(huán)氧增韌粘接體系等; 耐高溫型 , 如雙鄰苯二甲腈膠粘劑等。