火箭發(fā)動機中的固體推進(jìn)劑

固體火箭發(fā)動機是一種以固體推進(jìn)劑作為主燃料的動力裝置，因具有結(jié)構(gòu)簡單，高比沖等優(yōu)勢得以在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，通常作為航天運載火箭、導(dǎo)彈等裝備的主要動力來源。

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固體火箭發(fā)動機的工質(zhì)是推進(jìn)劑的燃燒產(chǎn)物，工質(zhì)經(jīng)過噴管的噴射后獲得一個作用于飛行器的反作用力，克服飛行中的阻力，用來保持或加速現(xiàn)有的行進(jìn)速度。火箭發(fā)動機的推進(jìn)過程中，推進(jìn)劑需要經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，涉及到推進(jìn)劑的化學(xué)能經(jīng)過可控的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的熱能，后續(xù)再通過噴管將工質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)化為動能這兩個重要的能量轉(zhuǎn)化過程。

固體推進(jìn)劑作為固體火箭發(fā)動機的能源，其能量特性、力學(xué)特性等性能水平的提升是固體發(fā)動機領(lǐng)域的重要課題。固體推進(jìn)劑的主要組成成分是氧化劑、粘合劑、金屬燃料、增塑劑等。

對應(yīng)組分的作用如下：氧化劑主要在燃燒時分解出大量的氣體，為燃料提供氧化性氣氛，促進(jìn)推進(jìn)劑的完全燃燒；粘合劑主要是作為碳骨架，為金屬燃料及氧化劑提供一個彈性包裹體系；金屬燃料具有高能量密度等優(yōu)勢，可提高推進(jìn)劑的能量水平；增塑劑主要是改變推進(jìn)劑的流變性能及低溫力學(xué)性能。

固體推進(jìn)劑中的金屬粉

為了滿足戰(zhàn)略武器和小型運載火箭的各項性能要求，在固體推進(jìn)劑中添加金屬粉是提高其性能的重要手段。金屬燃料推進(jìn)劑以金屬粉作為燃料，水、空氣、AP、KP或者高能硝銨類炸藥作為氧化劑，二者在一定的條件下發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，快速燃燒使得工質(zhì)加熱膨脹，通過噴管將化學(xué)能轉(zhuǎn)為動能。

金屬粉具有高熱值和高密度的優(yōu)點，在配方中加入金屬粉可以提高單位質(zhì)量和單位體積推進(jìn)劑的熱值，降低系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，以增加推進(jìn)劑的密度和比沖，抑制系統(tǒng)的高頻不穩(wěn)定燃燒，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

幾種常見金屬燃料性能

在固體推進(jìn)劑常用的金屬燃料中，硼（58.5 kJ/g和136.9 kJ/cm3）有著極高的燃燒熱值，但其自身的高熔、沸點和低熔、高沸點氧化產(chǎn)物使得硼的燃燒性能較差，燃燒效率較低，且硼燃燒耗氧量較高，作為常規(guī)復(fù)合固體推進(jìn)劑需要自帶氧化劑，并需要增加補燃室使其得到充分燃燒。

鈹（101.7MJ/kg）有著最高的質(zhì)量燃燒熱值，但由于空氣中高反應(yīng)活性誘發(fā)的存儲困難與燃燒產(chǎn)物BeO有劇毒而不適用于推進(jìn)劑燃料。

鎂（24.8 kJ/g和43.2 kJ/cm3）的燃燒熱較鋁（31.0 kJ/g和83.7 kJ/cm3）偏低，但由于與H2O和CO2的反應(yīng)活性較高且單位體積的成氣量較大，因此常用于水沖壓發(fā)動機或跨介質(zhì)發(fā)動機。

鋯粉是一種類似于鋁粉的高活性金屬。鋯粉的密度高、體積熱值高、活性高，在某些要求密度較高的推進(jìn)劑中具有特殊的優(yōu)勢。

鋁（Al）是一種具有較高密度（2.70 g/cm3）、高燃燒熱（1670.59 kJ·mol-1）的輕金屬，具有存量豐富、燃燒產(chǎn)物無毒無害特點，被廣泛應(yīng)用于推進(jìn)劑中，以提高推進(jìn)劑的能量和比沖。不同類型推進(jìn)劑中的鋁含量有所不同，如常規(guī)丁羥推進(jìn)劑中的鋁含量在18%左右；鋁鎂貧氧推進(jìn)劑中鋁的含量稍高，約為30~40%；特殊金屬基燃料（如跨介質(zhì)動力用鋁基金屬燃料）中的鋁含量則高達(dá)70~90%。

作為推進(jìn)劑配方的重要組成部分，鋁顆粒的燃燒特性對發(fā)動機的性能具有重要影響。燃燒的鋁顆粒及其凝聚氧化產(chǎn)物會對聲振蕩造成黏性損失，從而在一定程度上抑制發(fā)動機中的不穩(wěn)定燃燒，改善燃燒平穩(wěn)特性。

但是，鋁在與周圍的氧化性氣體反應(yīng)時，會生成許多細(xì)微凝聚態(tài)的金屬氧化物沉積在金屬顆粒表面，由于氧化鋁的熔點較高，作為氧化層覆蓋在鋁顆粒表面時，對鋁顆粒點火及燃燒過程起到了極大的阻礙作用。同時，燃燒產(chǎn)生的凝相產(chǎn)物會導(dǎo)致噴管侵蝕及兩相流損失，對整個燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面作用。

納米金屬粉在推進(jìn)劑中的應(yīng)用

納米金屬粉因其優(yōu)異的性能正成為推進(jìn)劑中應(yīng)用最廣泛的一種新型材料，其特殊性能的利用對推進(jìn)劑性能的進(jìn)一步提高是一條有用的途徑；然而，納米金屬粉的表面修飾依然是瓶頸技術(shù)之一，表面修飾的成功與否直接影響到納米金屬粉的應(yīng)用，表面包覆層太厚會影響其能量性能以及延遲反應(yīng)時間，包覆層太薄或其他原因?qū)е碌牟荒軐⒓{米金屬粉完全包覆則會導(dǎo)致納米金屬表面被氧化、失去活性，甚至導(dǎo)致某些較活潑的納米金屬粉自燃，嚴(yán)重影響推進(jìn)劑使用安全。從目前情況來看，納米金屬粉的安全性能依然是影響其推廣應(yīng)用的主要因素之一。

納米金屬粉由于其粒徑小、易團聚，在推進(jìn)劑中的分散問題和工藝問題如果處理不好將極大地影響其催化性能和能量性能。不同的納米金屬粉有不同的功能，如納米鋁粉能提高推進(jìn)劑能量、調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃速，納米鎳粉能提高推進(jìn)劑燃速、調(diào)節(jié)壓強指數(shù)等。目前從國內(nèi)外的研發(fā)情況來看，出現(xiàn)了納米材料和其他功能材料復(fù)合的跡象，如納米鋁熱劑、納米金屬粉/碳納米管、納米金屬粉/石墨烯等，都是對納米金屬粉進(jìn)行功能化創(chuàng)新。

參考來源：

[1]陳曉琳：鋁顆粒及AP/HTPB/Al推進(jìn)劑不穩(wěn)定燃燒特性研究，浙江大學(xué)

[2]袁志鋒等：納米金屬粉的制備、改性及其在推進(jìn)劑中的應(yīng)用，西北工業(yè)大學(xué)

[3]柴久龍：鋁鎂合金的點火燃燒機理及模型研究，哈爾濱工程大學(xué)