固體火箭推進(jìn)劑發(fā)展?fàn)顩r

沈弘宇（長沙市周南梅溪湖中學(xué)，湖南 長沙 410002）

1 固體火箭推進(jìn)劑簡介

固體火箭推進(jìn)劑的發(fā)展十分漫長，其歷史可追溯到中國人在十三世紀(jì)使用黑火藥增加弓箭的射程。黑火藥的能量密度很低，推進(jìn)效果很差。而隨著上個(gè)世紀(jì)四、五十年代第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)和聚合物化學(xué)的蓬勃發(fā)展，固體推進(jìn)劑取得了全面且成熟的發(fā)展，硝酸酯增塑聚醚（NEPE）、端羥基聚丁二烯（HTPB）、縮水甘油疊氮醚（GAP）等推進(jìn)劑相繼出現(xiàn)，使得固體推進(jìn)劑應(yīng)用更加廣泛。在現(xiàn)今階段，能量密度一直是推進(jìn)劑的首要指標(biāo)；對(duì)推進(jìn)劑的能量、技術(shù)、成本和安全有全面綜合的要求；也由此打破了傳統(tǒng)的分類界限，形成了共同促進(jìn)，取長補(bǔ)短的融合，不斷有新的配方出現(xiàn)。

2 固體火箭推進(jìn)劑的發(fā)展情況

2.1 粘合劑

粘合劑是固體推進(jìn)劑體系中的研究熱點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用和研究的是含能粘合劑。通常是在聚合物分子鏈中含能的官能團(tuán)，如硝基（—NO2）、硝酸酯基（—ONO2）、疊氮基（—N3）等等。粘合劑只占推進(jìn)劑大約10%，但是其對(duì)推進(jìn)劑的綜合性能有著巨大的影響。含能粘合劑在改善氧化劑和燃料的燃燒環(huán)境的同時(shí)，也燃燒并釋放出能量，從而提高推進(jìn)劑的性能。下面對(duì)兩類主要的含能粘合劑進(jìn)行簡要介紹：

（1）疊氮粘合劑

疊氮粘合劑中的疊氮基分解先于高分子主鏈且獨(dú)立進(jìn)行，其燃燒產(chǎn)物主要為一氧化碳、氮?dú)夂蜌錃猓緹o可見煙和三原子產(chǎn)物，并且具有燃溫低的特點(diǎn)。因此在高能無煙固體推進(jìn)劑的研究中有很大優(yōu)勢(shì)。其典型代表GAP是一種主鏈聚醚含有疊氮基側(cè)鏈的聚合物，具有生成熱為正、含氮量高、密度大、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，與增塑劑相溶性很好，危險(xiǎn)性較低。且GAP的成本也比較低，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

（2）硝酸酯類粘合劑

硝酸酯類粘合劑以聚縮水甘油醚硝酸酯（PGN）為代表。其分子側(cè)鏈上含有硝酸酯基，含氧量很高，可以改善燃燒過程中的氧平衡。此外，還可以減少硝酸酯增塑劑的用量，降低推進(jìn)劑的感度。

2.2 氧化劑

氧化劑在固體推進(jìn)劑中占據(jù)的分量最大，其對(duì)推進(jìn)劑的貢獻(xiàn)主要取決于與粘合劑和燃料反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和氣體量的大小。目前各國科學(xué)家陸續(xù)合成出CL-20、ADN、HNF等新型氧化劑。下面對(duì)這三種新型氧化劑進(jìn)行簡要介紹：

（1）CL-20氧化劑

CL-20簡稱六硝基六氮雜異伍茲烷，具有高張力和高結(jié)晶密度，安定性很好，具有很大潛力。CL-20是能量水平最高的一種高能量密度氧化劑，隨著合成技術(shù)的進(jìn)步，其成本也不斷降低。CL-20與大多數(shù)推進(jìn)劑組分相容性較好，在顯著提高推進(jìn)劑的能量而不降低體系的安全性和熱穩(wěn)定性。

（2）ADN氧化劑

ADN具有高氧、氫含量，不含鹵素和化學(xué)穩(wěn)定性好，具有取代目前廣泛使用的AP的潛力，能夠提高體系能量且降低環(huán)境污染。ADN推進(jìn)劑比沖值高，高壓燃燒穩(wěn)定性好，燃速高，被俄羅斯廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈中。

（3）HNF氧化劑

HNF具有氧含量高，生成熱高、密度大、燃燒產(chǎn)物分子量低等優(yōu)點(diǎn)。其相容性欠佳的問題，也被科學(xué)家證實(shí)只要HNF純度夠高就可以解決。目前歐洲航天局和荷蘭航天局的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HNF/CAP/AL推進(jìn)劑能量高、感度低、低污染。

2.3 增塑劑

傳統(tǒng)的增塑劑以降低體系粘度改善流變性能和低溫?zé)崃W(xué)性能，減少組分揮發(fā)為主要作用。而新型的含能增塑劑主要為疊氮增塑劑和硝酸酯類增塑劑，其具有高密度、高生成熱、高含氮量、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。典型代表為硝酸酯基乙基硝銨（NENA）。

2.4 燃料添加劑

金屬添加劑主要有鋁粉、鈹粉等，由于鈹燃燒產(chǎn)生劇毒，因此鋁粉是目前廣泛應(yīng)用的主要燃料。硼與一般氧化劑燃燒效率低，燃燒性能差，科學(xué)家通過團(tuán)聚造粒和表面包覆等方法試圖改善其燃燒性能，取得了一定的進(jìn)展。

金屬氫化物相比于金屬粉體而言，可顯著提高推進(jìn)劑的比沖值，因?yàn)槠淙紵尫糯罅康臒幔胰細(xì)馄骄肿恿亢突鹧鏈囟容^低。同時(shí)合金氫化物不僅需要具有較高的含氫量，還要有良好的熱穩(wěn)定性。另外配位氫化物如輕金屬硼氫化物等研究，仍然處在起步階段。

3 結(jié)語

火箭推進(jìn)劑在過去的二三十年里取得了全面而高速的發(fā)展，然而通過前文的介紹我們也可以了解到固體火箭推進(jìn)劑在能量、環(huán)保、穩(wěn)定、低特征信號(hào)等方面還有巨大的提升空間。火箭推進(jìn)劑是火箭性能提高的根本，我國雖然在過去的數(shù)十年里在航空航天領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績，但是對(duì)于新型高性能的固體推進(jìn)劑研究仍落后于歐洲和美日等國。因此為了我國航空航天事業(yè)和國防事業(yè)的進(jìn)一步提升，我們還要重視固體推進(jìn)劑的理論和應(yīng)用研究，進(jìn)一步提高我國的競(jìng)爭力。

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