富燃料推進劑

富燃料推進劑，又名貧氧推進劑，其組成和製造方法與複合固體推進劑基本相同，只是氧化劑含量減少。富燃料推進劑主要用於固體火箭衝壓發動機和固液火箭發動機的主推進劑。此外，還可作液體火箭發動機的燃氣發生器、渦輪起動器以及貯箱增壓、蓄壓器的能源介質。

基本介紹

• 中文名：富燃料推進劑
• 外文名：Fuel-rich propellant
• 別名：貧氧推進劑
• 種類：鎂鋁、碳氫、含硼富燃料推進劑
• 作用：固液火箭發動機的主推進劑，等等
• 特點：氧化劑含量減少

基本概念

富燃料推進劑，又稱貧氧推進劑，其組成和製造方法與複合固體推進劑基本相同，只是氧化劑含量減少，主要用於固體火箭衝壓發動機和固液火箭發動機的主推進劑。此外，還可作液體火箭發動機的燃氣發生器、渦輪起動器以及貯箱增壓、蓄壓器的能源介質。

Mg、Al金屬富燃料推進劑

前蘇聯於上個世紀60年代研製了裝配第三代整體式固體火箭衝壓發動機的SA-6飛彈，發動機採用富燃料煙火藥推進劑，主要的成分Mg為64%，為24%，熱值約為18.8MJ/kg，比沖小於4.9kN· s/kg。日本也開展了富燃料推進劑研製，已研究了0% ～ 70%鋁粉含量推進劑的燃燒性能，認為維持推進劑自燃的鋁的最大含量為50%，在發動機模擬實驗中，通過6倍空氣補燃，含鋁推進劑在扣除殘渣後計算得到5.88kN· s/kg ～7.84kN· s/kg的理論比沖。

Mg、Al富燃料推進劑配方中Mg、Al金屬為40%，丁羥膠粘合劑體系為17% ～ 20%，氧化劑AP為32% ～ 38%，推進劑密度為1.55g/ ～ 1.65g/ 。推進劑熱值22MJ/kg～ 24MJ/kg，固體火箭衝壓發動機比沖約為5 500N· s/kg ～ 7 000 N· s/kg，雖然低於使用煤油的液體衝壓發動機(11kN· s/kg～ 13kN· s/kg)和高能含硼富燃料推進劑(9kN·s/kg～ 10kN· s/kg)，但Mg、Al富燃料推進劑與空氣燃燒所需的理論空氣量較低(L=3 ～ 4)，低於含硼富燃料推進劑(L=6 ～7)，能達到最高的推力係數和機動性。

鋁粉熱值界於硼粉和鎂粉之間，而密度最大，適用於中能富燃料推進劑，但一次燃燒溫度較低(2000K左右)，鋁粉幾乎不參與燃燒反應，一般只經過因氧化劑的燃燒而熔化，然後再凝結的物理過程。即使鋁粉含量較低，也可能發生“燒結現象”，鋁粉的凝聚物將沉積於噴管和噴喉，嚴重時將造成燃氣發生器的堵塞。這主要因為補燃室的溫度遠低於火箭發動機的燃燒溫度，因而鋁粉的燃燒效率也低於火箭發動機。

為了提高鋁粉的燃燒效率，主要的解決途徑是添加鎂粉，因為鎂粉的沸點低，一次燃燒產物主要以氣相存在，不僅降低凝聚相的含量，而且Mg燃燒時需要的理論空氣量是常用金屬中最少的，以至於在發動機工作的極端情況下，仍能保持較好的燃燒效率，在補燃室能充分燃燒，燃燒時能為補燃室提供較高的燃溫，促進鋁化合物的充分燃燒。

目前，Mg、Al富燃料推進劑已通過氧化劑AP粒度級配和二茂鐵催化劑解決了燃速調節技術，可實現3MPa下2mm/s～20mm/s可調，較高含量的HTPB體系也使推進劑具有較好的工藝性能和力學性能；技術難點是提高壓力指數和降低殘渣技術。

含硼富燃料推進劑

硼的燃燒熱大(58.7MJ/kg)，單位質量熱值高於一切已實際套用的金屬組分；密度高(2.2g/ )，容積熱值最高，幾乎是碳氫燃料的三倍；硼燃燒產物在噴管流動過程中呈氣態，減小了兩相流損失，流動過程優於鋁鎂，因此，硼是高能富燃料推進劑較合適的燃料。從上個世紀70 年代開始，美國和德國率先開展了高能含硼富燃料推進劑的研究，其中，美國Thiokd聚硫橡膠公司和Hercules公司首次提出了用硼做高能燃料，並對此進行了大量研究，生產了可用的含硼藥柱。法國宇航公司(ONERA)和德國的MBB公司為第二代反艦飛彈研製了固體火箭衝壓發動機。MBB公司研製了高能富燃料推進劑和調節燃氣發生器流量的措施，其中含硼量高達50%，聚丁二烯粘結劑和高氯酸銨氧化劑等的含量為50%。硼含量的不同使推進劑熱值在35.5MJ/kg～ 39.7MJ/kg範圍內變化，比重約為1.7g/ 。含硼富燃料推進劑燃燒性能的改善主要是提高含硼富燃料推進劑的一次噴射效率和二次燃燒效率。

在富硼推進劑的研究中，制約含硼推進劑套用的首要問題是硼在HTPB體系中存在工藝惡化問題。B粉表面的雜質 、 與HTPB中羥基反應生成硼酸酯，引起凝膠化反應，生成高粘度的懸浮體系，隨著攪拌會形成彈性絲狀凝膠而導致工藝惡化，導致藥漿粘度增大，難以澆注。含硼推進劑工藝性能較差，除了因為B與HTPB不相容，改善B燃燒而添加的Mg粉對工藝也有不良影響，使推進劑藥漿出現彈性“凝聚團”現象。試驗研究表明，對Mg粉消除處理，MgO能改善工藝性能，這可能是由於鎂粉貯存過程中表面氧化，MgO與HTPB不相容。

其次，硼的點火和燃燒性能較差。熱力學計算表明，含硼推進劑具有很高的能量，這種高能量只有當硼粉在極其短暫的燃燒室停留時間內(通常低於5ms)充分燃燒才能實現，但硼在低壓下存在點火、燃燒時間長和燃燒不穩定等問題。因為硼的熔點和沸點高，難以熔化和氣化，硼的燃燒是表面氧化過程，因而燃燒效率較低。溫度較低時，硼氧化十分緩慢，當溫度上升到1850K時，硼的氧化速率劇增到每毫秒零點幾個微米。大多數研究者認為，硼的燃點為1850K，因而，當溫度達到1850K以上，硼才能點燃，而且點火延遲期較長，即使平均粒徑為2μm的硼粒子，其著火與燃燒長達11ms，如果顆粒粗大，則在有限的燃燒室長度下難以完全燃燒。

為了改善含硼推進劑的燃燒性能和工藝性能，已經探索了多種硼粒子的表面處理技術，主要處理方法有提純、包覆和團聚。其中，表面包覆是硼粉表面處理的核心，因為合適的包覆劑能改善推進劑的工藝、點火和燃燒。

碳氫富燃料推進劑

碳氫富燃料推進劑通過碳氫化合物、高分子化合物和粘合劑體系本身提高能量，如聚苯乙烯、碳黑等。與Mg、Al推進劑相比，碳氫富燃料推進劑的燃燒分解溫度低，分解產生的CH碎片極易燃燒，補燃效率高，而且燃燒氣體清潔，發動機羽流煙霧小，屬於低特徵信號推進劑。理論計算表明，含碳黑30%推進劑的熱值比含鎂65%的推進劑高15%，而在實際燃燒中，其燃燒完全，將可能表現出更優秀的性能。

碳氫富燃料推進劑的熱值都較高(約為41.8MJ/kg)，但一般高分子化合物的密度遠小於金屬燃料，因而推進劑的密度較小，體積熱值不會超過硼燃料，而且燃氣發生器一次燃燒溫度低，燃氣在補燃室中不能自動點火，需要提供外部點火源。添加鎂鋁金屬粉的多組元推進劑容積熱值較高，發生器的一次燃溫較高，在二次燃燒室可以自動點火。

目前有一種多環十一烷(PCU)烯烴二聚物是高密度燃料(ρ =1.2 g/ ～1.3g/ )，生成熱較高(+231.5kJ/mol)。僅有的數據表明，其在一定環境條件下穩定，適於室溫下長期貯存。尤為重要的是，在相同熱力學條件和結構下，二聚物的點火時間比HTPB燃料快一個數量級，燃燒釋放的熱量至少高2倍，其完全適合於固體燃料衝壓發動機，能夠保證低壓和高速橫向氣流中的點火和火焰穩定性。

發展與套用

固體火箭衝壓發動機主要由放置富燃料推進劑藥柱的燃氣發生器(一次燃燒室)和補燃室(二次燃燒室)組成，其中，熱值高、燃燒穩定性良好和噴射效率高的富燃料推進劑是決定衝壓發動機推力水平的關鍵因素。

固體火箭衝壓發動機對富燃料推進劑的要求

（1）較高的體積熱值為了增加飛彈的射程，降低發動機的消極質量，富燃料推進劑除了力學性能、安全性能和儲存性能基本要求，其首要技術指標是較高的體積熱值。增大體積熱值的途徑有：添加高能燃燒劑和增大推進劑的密度。對於現有推進劑組分，其密度一定，增加推進劑密度的方法十分有限，因此，主要通過添加高能燃燒劑提高富燃料推進劑的體積熱值；（2）推進劑燃燒效率高由於富燃料推進劑氧化劑含量低，推進劑組分以粘合劑碎片、金屬燃料液滴及部分終產物的形式進入衝壓燃燒室，而燃燒室內空氣流動快，燃料停留時間短，因而燃燒效率較低，影響發動機比沖效率的提高。通過燃燒室最佳化設計，組織空氣與燃料進行充分燃燒是一條首選途徑，同時，從推進劑配方調整角度，可以添加高效燃燒催化劑，提高燃氣發生器的噴射效率，降低燃料的燃燒活化能，提高推進劑的燃燒效率；（3）較低燃燒壓力下具有較高的燃速和壓力指數在高空低壓狀態下，非壅塞式固沖發動機燃燒室壓力較低，推進劑具有較高的燃速才能保持穩定和正常燃燒，不致於熄火。理論計算表明，燃燒室壓力要達到自動調節狀態，要求富燃料推進劑的燃速在0.5MPa下為10mm/s以上，壓力指數為0.5～ 0.7；（4）燃燒產物具有良好的成氣性，且固態產物的顆粒較小推進劑在燃氣發生器中燃燒後氣態產物越多，有利於燃料碎片和空氣充分摻混、燃燒，提高衝壓燃燒室的燃燒效率；固態產物的顆粒越小，與空氣的接觸、燃燒越充分，能確保固態燃料顆粒在衝壓燃燒室燃燒釋放能量，而不是在燃燒室外，因此不會導致發動機比沖的降低。

固體火箭發動機

發展趨勢

隨著固體火箭衝壓技術的發展和飛彈系統綜合性能的提高，發動機對富燃料推進劑將會提出更高的要求，如較高的能量水平和安全性能，推進劑的燃燒可控，燃氣流量隨飛彈飛行狀態可變。而目前的固體富燃料推進劑均難以滿足後者的要求，因此，為了適應武器型號需求，未來的富燃料推進劑應在以下幾個方面有突破性進展：（1）提高實測能量和燃燒效率。高能含硼富燃料推進劑(9kN· s/kg～ 10kN· s/kg)的理論比沖高，但B燃燒效率較低,實測比沖較小，此外，HTPB/AP/B體系存在硼的點火和澆藥工藝困難等問題，因此須開展新型含硼推進劑體系的研究；（2）能量可控。21世紀固體推進劑的發展面臨著三個目標：低特徵信號、低感度、靈活的能量控制。目前固體推進劑的一個缺點是點火後推力不可調，對於固體火箭衝壓發動機，通過閥門調控推力的途徑不完全有效，而採用膏狀推進劑可能是研製能量可控衝壓發動機的有效途徑之一；（3）降低特徵信號隨著武器系統隱身性能的不斷提高，採用衝壓發動機的吸氣式飛彈也有低特徵信號的套用要求。美國陸軍MICOM已將低特徵信號作為衡量火箭衝壓發動機驅動戰術飛彈綜合性能的一個關鍵指標，已先後研究過有煙富燃料推進劑和低特徵信號富燃料推進劑。以含能粘合劑為主要組分是低特徵信號富燃料推進劑的發展方向之一。