本發(fā)明涉及固液火箭發(fā)動機,尤其是涉及一種自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱及其制備方法和應用。
背景技術:
1、固液混合火箭發(fā)動機具有成本低、安全無毒、高性能、環(huán)保性好、藥柱穩(wěn)定性好、溫度敏感性低、推力可調(diào)節(jié)和多次啟動等優(yōu)點,近些年在運載火箭、探空火箭、亞軌道飛行器、助推器、上面級發(fā)動機、姿軌控發(fā)動機、靶標、戰(zhàn)術導彈和商業(yè)航天中廣泛應用。對于典型的固液火箭發(fā)動機,通常采用液體(或氣體)氧化劑+固體燃料藥柱的組合方案,不同的氧化劑與燃料的組合使得固液發(fā)動機具有不同的工作特性及適用領域。常用的氧化劑有液氧、n2o、h2o2等,氧化劑通常為擠壓式供應;常用的固體燃料藥柱有聚氨酯(pu)、聚乙烯(pe)、端羥基聚丁二烯(htpb)、端羧基聚丁二烯(ctpb)、石蠟等。
2、高濃度h2o2是一種綠色無毒、常溫可貯存高性能液體氧化劑。過氧化氫固液火箭發(fā)動機具有安全性好、推力調(diào)節(jié)容易、可實現(xiàn)關機和多次啟動、無毒無污染、藥柱穩(wěn)定性好、溫度敏感性低和經(jīng)濟性好等優(yōu)點。十分符合臨近空間飛行器動力系統(tǒng)快速、經(jīng)濟、可靠、安全、綠色、大空域、大推力調(diào)節(jié)和推力智能控制的要求。
3、過氧化氫固液火箭發(fā)動機的點火技術通常有火藥點火器點火、催化床點火、火炬式點火、輻射點火、激光點火等等。
4、其中,火藥點火器缺點:需要額外且復雜的點火系統(tǒng),火藥點火器需要額外的安裝空間,點火藥為易燃易爆的火工品,在發(fā)動機存儲過程中存在爆炸的風險,此外,在發(fā)動機工作時,未使用的點火藥也存在因震動摩擦或劇烈過載而失效爆炸的風險。如果需要多次點火則需要安裝多個點火裝置,采用點火藥進行點火時,啟動次數(shù)受到點火裝置數(shù)量的限制,當點火藥消耗完畢時,發(fā)動機也就不再具有啟動能力。若攜帶多組點火藥,發(fā)動機消極質(zhì)量也會隨之增加,不利于發(fā)動機整體性能的提高。
5、其中,過氧化氫催化點火缺點:采用催化床進行點火時,發(fā)動機所采用的氧化劑必須具備自分解放熱的特性,一些常用的氧化劑,如氧氣,則無法采用此方式點火。此方法限制了發(fā)動機所能使用的氧化劑類型。此外,催化床對于氧化劑的流率也有一定限制即床載有限制。催化床結構尺寸較大,重量較大,流阻較大,流量較小,壓降大,壽命短,啟動性能差,催化劑容易損失,而且催化劑價格昂貴。
6、其中,火炬式點火方案缺點:采用此種方法需要額外的點火氣路,還需要火花塞,點火系統(tǒng)占據(jù)額外的空間和重量,且結構復雜,對點火氣路的時序、流量控制要求較嚴格。
7、因此,亟待開發(fā)一種不需要額外的點火裝置,氧化劑過氧化氫和固體燃料接觸即可發(fā)生燃燒反應的燃料藥柱。
8、有鑒于此,特提出本發(fā)明。
技術實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于之一提供一種自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料按重量份數(shù)計包括:固液火箭發(fā)動機燃料50~90份、強還原性物質(zhì)5~50份。所述藥柱為和過氧化氫可以自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱,不需要額外的點火裝置,氧化劑過氧化氫和固體燃料接觸即可發(fā)生燃燒反應,點火延遲為毫秒量級。
2、本發(fā)明的目的在于之二提供一種所述的自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備方法,所述制備方法具體包括以下步驟:將自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的各制備原料混合后,再通過模具進行澆筑、冷卻固化,制備得到所述的自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱。
3、本發(fā)明的目的在于之三提供一種所述的自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱在制備自燃的過氧化氫催化固液火箭發(fā)動機中的應用。
4、本發(fā)明的目的在于之四提供一種過氧化氫固液火箭發(fā)動機,所述過氧化氫固液火箭發(fā)動機包括過氧化氫輸送系統(tǒng)和發(fā)動機主體系統(tǒng),且所述過氧化氫固液火箭發(fā)動機無點火裝置;所述發(fā)動機主體系統(tǒng)中包括燃燒室,所述燃燒室中包括上述的自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱。
5、為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的,特采用以下技術方案:
6、第一方面,本發(fā)明提供一種自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料按重量份數(shù)計包括:固液火箭發(fā)動機燃料50~90份、強還原性物質(zhì)5~50份;
7、其中,所述強還原性物質(zhì)選自堿金屬的硼氫化物、堿金屬的鋁氫化物或硼氮類化合物中的任意一種或至少兩種的組合。
8、本發(fā)明所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱,實現(xiàn)了無需外部點火裝置的點火機制。該藥柱可在與氧化劑接觸時,即刻觸發(fā)自燃反應,其核心原理涉及氧化劑與藥柱中特定的強還原性物質(zhì)之間的高效氧化還原反應。強還原性物質(zhì)比例的增加有助于促進氧化還原反應,從而進一步降低點火延遲時間。此種氧化還原反應釋放出大量熱能,將燃料溫度快速升至著火點,同時溫度升高讓過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣并放出熱量。
9、進一步地,所述固液火箭發(fā)動機燃料在表面燃燒的同時,形成液態(tài)碳氫化合物液滴,這些液滴在蒸發(fā)后形成的蒸汽同樣能夠繼續(xù)燃燒,確保了火箭發(fā)動機持續(xù)推進。因此,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱擁有極低的點火延遲時間,僅需幾毫秒至幾十毫秒,具體數(shù)值可根據(jù)配方種類和比例進行一定的調(diào)整。
10、且本發(fā)明自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的性能良好,幾乎不會影響固液火箭發(fā)動機的比沖和絕熱火焰溫度,從而保證了火箭發(fā)動機的性能良好。此外,此種自燃藥柱可以實現(xiàn)多次啟動,在氧化劑停止供應后,火箭發(fā)動機將熄火,再次供應過氧化氫發(fā)動機將再次點火,且再次點火延遲也僅需幾毫秒至幾十毫秒。
11、在本發(fā)明中,固液火箭發(fā)動機燃料的含量為50~90份,例如可以是50份、52份、54份、56份、58份、60份、62份、64份、66份、68份、70份、72份、74份、76份、78份、80份、82份、84份、86份、88份、90份等。
12、上述固液火箭發(fā)動機燃料主要含有c、h等元素,是推進劑的主要能源和工質(zhì)源,占據(jù)了藥柱的大部分,需要有良好的粘結性能和力學性能,主要使得藥柱具有足夠的強度、彈性模量和延伸率;其可根據(jù)氧化劑和主燃料的種類調(diào)節(jié)比例。
13、在本發(fā)明中,強還原性物質(zhì)的含量為5~50份,例如可以是5份、6份、8份、10份、12份、14份、16份、18份、20份、22份、24份、26份、28份、30份、32份、34份、36份、38份、40份、42份、44份、46份、48份、50份等。
14、上述強還原性物質(zhì)選自堿金屬的硼氫化物、堿金屬的鋁氫化物或硼氮類化合物中的任意一種或至少兩種的組合,主要為了實現(xiàn)自燃功能,強還原性物質(zhì)和氧化劑接觸即可自發(fā)進行強烈的氧化還原反應,放出大量的熱點燃藥柱,同時也作為燃料提供h元素,還提供金屬元素生成凝相粒子。
15、優(yōu)選地,所述固液火箭發(fā)動機燃料選自聚乙烯、端羥基聚丁二烯、端羧基聚丁二烯、聚甲基丙烯酸甲醋、石蠟、聚硫橡膠、煤粉或雙環(huán)戊二烯中的任意一種或至少兩種的組合。
16、進一步地,所述固液火箭發(fā)動機燃料選自石蠟、聚乙烯、雙環(huán)戊二烯或端羥基聚丁二烯中的任意一種或至少兩種的組合。
17、上述固液火箭發(fā)動機燃料工藝性更好,容易澆筑;另外,作為燃料要求燃燒放熱量高,熱值大,氣體生成量大,本身焓高,密度高,物理化學安定性好,成本較低等等。
18、優(yōu)選地,所述堿金屬的硼氫化物選自硼氫化鋰、硼氫化鈉或硼氫化鉀中的任意一種或至少兩種的組合。
19、優(yōu)選地,所述堿金屬的鋁氫化物為氫化鋁鋰。
20、優(yōu)選地,所述硼氮類化合物選自氨硼烷和/或乙二胺雙硼烷。
21、優(yōu)選地,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料包括0.05~5份的金屬燃料,例如可以是0.05份、0.08份、0.1份、0.2份、0.4份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。
22、優(yōu)選地,所述金屬燃料選自鎂、鋁、鈹、鋰或鋯中的任意一種或至少兩種的組合。
23、上述金屬燃料的密度較高,提高了藥柱整體的密度,且燃燒熱值高,燃燒產(chǎn)物中的凝相粒子還能抑制高頻不穩(wěn)定性燃燒:此外,上述金屬燃料還具有燃燒熱值高、密度大、和其他組元相容性好、耗氧量低、價格低廉等優(yōu)勢。
24、優(yōu)選地,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料包括0.05~10份的添加劑,例如可以是0.05份、0.08份、0.1份、0.2份、0.4份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份、5.5份、6份、6.5份、7份、7.5份、8份、8.5份、9份、9.5份、10份等。
25、優(yōu)選地,所述添加劑選自固化劑、交聯(lián)劑、增塑劑、燃速催化劑、催化助燃劑、防老化劑或非金屬粉末中的任意一種或至少兩種的組合。
26、需要注意的是,本發(fā)明可以根據(jù)藥柱的其他組分決定是否添加添加劑、添加的比例以及選擇何種類型的添加劑。
27、優(yōu)選地,所述添加劑的粒度為10~240μm,例如可以是10μm、20μm、40μm、60μm、80μm、100μm、120μm、140μm、160μm、180μm、200μm、220μm、240μm等。
28、在本發(fā)明中,可通過改進添加劑粒度參數(shù)可縮短點火延遲時間,并改善碳氫化合物基體的燃燒。
29、優(yōu)選地,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料包括0.05~5份的固化劑,例如可以是0.05份、0.08份、0.1份、0.2份、0.4份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。
30、優(yōu)選地,所述固化劑為二異氰酸酯。
31、上述固化劑的作用是使粘結劑組元的線型低分子預聚物轉(zhuǎn)變成適度交聯(lián)的網(wǎng)狀結構的高聚物,形成基體,實現(xiàn)固化,使推進劑具有必要的機械強度。例如,羥基預聚物所采用的固化劑為二異氰酸酯。
32、優(yōu)選地,所述二異氰酸酯選自異佛爾酮二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯、1,6-六次甲基二異氰酸酯、二聚脂肪酸二異氰酸酯或多官能度異氰酸酯中的任意一種或至少兩種的組合。
33、優(yōu)選地,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料中包括0.05~5份的交聯(lián)劑。
34、優(yōu)選地,所述交聯(lián)劑選自三乙醇胺。
35、上述固化劑同時使用的交聯(lián)劑,它主要用來形成三維空間交聯(lián),使粘結劑成為三維網(wǎng)狀結構,防止推進劑塑性流動。
36、優(yōu)選地,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料中包括0.05~5份的增塑劑,例如可以是0.05份、0.08份、0.1份、0.2份、0.4份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。
37、優(yōu)選地,所述增塑劑選自苯二甲酸二丁酯。
38、上述增塑劑的作用有二:一是降低未固化推進劑藥漿的粘度,增加其流動性,以利于澆鑄;二是降低推進劑的玻璃化溫度,改善其低溫力學性能。
39、優(yōu)選地,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料中包括0.05~5份的燃速催化劑,例如可以是0.05份、0.08份、0.1份、0.2份、0.4份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。
40、優(yōu)選地,所述燃速催化劑選自三氧化二鐵、鉻銅礦或碳黑中的任意一種或至少兩種的組合。
41、優(yōu)選地,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料中包括0.05~5份的催化助燃劑,例如可以是0.05份、0.08份、0.1份、0.2份、0.4份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。
42、優(yōu)選地,所述催化助燃劑選自鈀-碳粉末。
43、優(yōu)選地,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料中包括0.05~5份的防老化劑,例如可以是0.05份、0.08份、0.1份、0.2份、0.4份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。
44、優(yōu)選地,所述防老化劑選自二苯胺、苯基萘胺或氧化鎂中的任意一種或至少兩種的組合。
45、上述防老化劑能夠優(yōu)選防止所述固液火箭發(fā)動機藥柱受空氣氧化。
46、優(yōu)選地,所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備原料中包括0.05~5份的非金屬粉末,例如可以是0.05份、0.08份、0.1份、0.2份、0.4份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。
47、優(yōu)選地,所述非金屬粉末選自硼粉和/或碳粉。
48、其中,硼粉的燃燒熱很高,碳粉可以作為燃料的同時提供潤滑作用,改良加工性能。
49、第二方面,本發(fā)明提供一種如第一方面所述的自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的制備方法,所述制備方法具體包括以下步驟:
50、將自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱的各制備原料混合后,再通過模具進行澆筑、冷卻固化,制備得到所述的自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱。
51、優(yōu)選地,所述混合的溫度為60~180℃,例如可以是60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃等,混合的轉(zhuǎn)速為500~2000rpm,例如可以是500rpm、600rpm、800rpm、1000rpm、1200rpm、1400rpm、1600rpm、1800rpm、2000rpm等。
52、優(yōu)選地,所述澆筑的溫度為60~160℃,例如可以是60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃等。
53、優(yōu)選地,所述冷卻固化的溫度為0~50℃,例如可以是0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃等。
54、第三方面,本發(fā)明提供一種第一方面所述的自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱在制備自燃的過氧化氫催化固液火箭發(fā)動機中的應用。
55、優(yōu)選地,過氧化氫的濃度為90%以上,例如可以是90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%等。
56、本發(fā)明上述可以實現(xiàn)自燃的固液火箭發(fā)動機配方可以在小范圍內(nèi)微調(diào),點火延遲時間根據(jù)不同配方在幾毫秒到幾十毫秒之間不等。
57、第四方面,本發(fā)明提供一種過氧化氫固液火箭發(fā)動機,所述過氧化氫固液火箭發(fā)動機包括過氧化氫輸送系統(tǒng)和發(fā)動機主體系統(tǒng),且所述過氧化氫固液火箭發(fā)動機無點火裝置。
58、其中,所述發(fā)動機主體系統(tǒng)中包括燃燒室,所述燃燒室中包括第一方面所述的自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱。
59、相對于現(xiàn)有技術,本發(fā)明具有以下有益效果:
60、(1)本發(fā)明所述自燃的固液火箭發(fā)動機藥柱可通過在與氧化劑接觸時,氧化劑與強還原性物質(zhì)之間的高效氧化還原反應,即刻觸發(fā)自燃反應,從而實現(xiàn)了無需外部點火裝置的點火機制。
61、(2)本發(fā)明所述固液火箭發(fā)動機藥柱在表面燃燒的同時,形成液態(tài)碳氫化合物液滴,這些液滴在蒸發(fā)后形成的蒸汽同樣能夠繼續(xù)燃燒,確保了火箭發(fā)動機持續(xù)推進;且該藥柱擁有極低的點火延遲時間,僅需幾毫秒至幾十毫秒。
62、(3)本發(fā)明藥柱滿足快速點火、可多次啟動、推力可調(diào)節(jié)性、燃料可長期貯存、推力較大等需求,可以應用于姿軌控發(fā)動機,并且具有結構簡單、安全性高、性能好、體積小、貯存周期長、維護使用方便等優(yōu)點。