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        固體推進(jìn)劑技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展規(guī)律

        2015-05-10 00:50:49龐愛民,黎小平
        含能材料 2015年1期
        關(guān)鍵詞:聚丁二烯高能推進(jìn)劑

        固體推進(jìn)劑技術(shù)從無到有,從低級到高級,遵循著自身發(fā)展的特殊規(guī)律。研究、分析和總結(jié)固體推進(jìn)劑技術(shù)發(fā)展的規(guī)律及創(chuàng)新機(jī)制,有利于國內(nèi)固體推進(jìn)劑技術(shù)的進(jìn)步,實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

        1.固體推進(jìn)劑技術(shù)創(chuàng)新規(guī)律

        從發(fā)明黑火藥到現(xiàn)在的高能固體推進(jìn)劑,固體推進(jìn)劑技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)百年的發(fā)展,但真正使得固體推進(jìn)劑技術(shù)產(chǎn)生翻天覆地變化的僅僅是二戰(zhàn)后的數(shù)十年的時間,在這期間,新品種固體推進(jìn)劑不斷涌現(xiàn)。其中,聚硫推進(jìn)劑、端羧基聚丁二烯推進(jìn)劑(CTPB)、端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑(HTPB)和硝酸酯增塑的聚醚推進(jìn)劑(NEPE)的開發(fā)成功,更是具有劃時代的里程碑。圖1顯示了固體推進(jìn)劑技術(shù)的發(fā)展歷程。

        圖1 固體推進(jìn)劑發(fā)展歷程

        (1)固體推進(jìn)劑的技術(shù)發(fā)展規(guī)律

        分析固體推進(jìn)劑的更新?lián)Q代歷程和技術(shù)發(fā)展,有以下規(guī)律:

        ① 能量始終是推進(jìn)劑追求的目標(biāo);

        ② 粘合劑一直是推進(jìn)劑發(fā)展的主線;

        ③ 推進(jìn)劑配方設(shè)計思路不斷更新;

        ④ 交叉、互補(bǔ)促進(jìn)推進(jìn)劑新品種產(chǎn)生;

        ⑤ 宇航、戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)型號的新需求推動了推進(jìn)劑技術(shù)的發(fā)展。

        隨著高性能武器系統(tǒng)和航天發(fā)射的"需求牽引",高能量、低特征信號、低易損、低成本、低污染、靈活的能量管理和高可靠性成為當(dāng)前及未來一段時間固體推進(jìn)劑新的發(fā)展方向。

        (2)固體推進(jìn)劑的技術(shù)創(chuàng)新規(guī)律

        ①能量主線論

        第一次創(chuàng)新 硝化棉吸收大量硝酸酯, 提高Tc,使雙基推進(jìn)劑能量顯著高于黑火藥。

        第三次創(chuàng)新 加入大量金屬鋁粉等,提高Tc,又一次顯著提高了推進(jìn)劑的能量。

        ②粘合劑牽引論

        固體推進(jìn)的發(fā)展總是以新粘合劑的成功應(yīng)用為前提的,具體表現(xiàn)在:

        第一次創(chuàng)新 高分子硝化纖維的出現(xiàn),產(chǎn)生雙基推進(jìn)劑,使推進(jìn)劑能量顯著高于黑火藥。

        第二次創(chuàng)新 合成高分子的技術(shù)進(jìn)步,聚硫橡膠、聚氯乙烯聚物的出現(xiàn),導(dǎo)致了復(fù)合固體推進(jìn)劑的產(chǎn)生。

        第三次創(chuàng)新 合成高聚物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,特別是聚氨酯化學(xué)工業(yè)的進(jìn)步,產(chǎn)生了聚氨酯、聚丁二烯丙烯酸推進(jìn)劑、聚丁二烯丙烯酸丙烯腈推進(jìn)劑、端羧基聚丁二烯推進(jìn)劑和端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑、NEPE推進(jìn)劑等。

        第四次創(chuàng)新 在固體推進(jìn)劑的粘合劑中引入含能基團(tuán),產(chǎn)生含能粘合劑推進(jìn)劑,如疊氮推進(jìn)劑等。

        跨學(xué)科、跨專業(yè)的交叉融合,使固體推進(jìn)劑技術(shù)發(fā)生了一次又一次的飛躍,詳見圖2。

        ④能量輸入論(或能量組合論)

        火箭發(fā)動機(jī)的工作原理是具有動能的工質(zhì)由噴管膨脹排出,利用作用力與反作用力定律推動火箭向預(yù)定方向運(yùn)動。其關(guān)鍵是工質(zhì)蘊(yùn)涵能量的多少,如果其能量越高,推力就越大,火箭射程也越遠(yuǎn)。

        工質(zhì)一般是氣體分子或離子,也可以是更小的微粒。輸入工質(zhì)的能量一般有化學(xué)能(如液體推進(jìn)劑、固體推進(jìn)劑等)、電能(如電推進(jìn))、磁能、光能、核能(核推進(jìn))等。因此,根據(jù)輸入的不同能量形式,將產(chǎn)生不同類型的推進(jìn)方式,如激光化學(xué)推進(jìn)技術(shù)。

        圖2 學(xué)科融合對推進(jìn)劑技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用

        2. 國外固體推進(jìn)劑技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

        (1)國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈

        世界上最先進(jìn)的戰(zhàn)略導(dǎo)彈是美國的三叉戟II-D5導(dǎo)彈和俄羅斯的布拉瓦導(dǎo)彈,分析其代表的固體推進(jìn)劑技術(shù)發(fā)展的方向為:

        ① 高性能(高比沖、高力學(xué)性能,適應(yīng)高壓強(qiáng)工作);

        ② 強(qiáng)突防(速燃、能量管理);

        利用多目標(biāo)情景分析法,分別計算九江市各縣在經(jīng)濟(jì)發(fā)展型、協(xié)調(diào)發(fā)展型和節(jié)水型3種情景下灌溉保證率P=50%,灌溉保證率P=75%情況下九江山塘2013年(現(xiàn)狀年)的供水量為4.61億m3,總需水量為3.98億m3,糧食產(chǎn)量為27.74萬t,經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量為5.29萬t,總產(chǎn)值為12.5億元,可承載人口為9.25萬人,種植面積為8.13萬hm2。灌溉保證率P=75%情況下九江2020年(規(guī)劃年)、2030年(規(guī)劃年)各縣山塘的供水量、用水量以、相應(yīng)的糧食產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量和總產(chǎn)值等,具體如表4。

        ③ 更高使用性能需求(高精度、環(huán)境適應(yīng)性);

        ④ 長壽命需求。

        (2)國外防空反導(dǎo)導(dǎo)彈

        國外先進(jìn)防空反導(dǎo)導(dǎo)彈正朝著"高壓強(qiáng)、雙脈沖、低易損"的方向發(fā)展,具有代表性的導(dǎo)彈型號有美國的PAC-3、THAAD、SM-3導(dǎo)彈和俄羅斯的C-400、C-500導(dǎo)彈,分析動力系統(tǒng)用固體推進(jìn)劑呈現(xiàn)出的典型技術(shù)特點(diǎn)有:

        ① 采用超高壓強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量提升;

        ② 用于雙脈沖發(fā)動機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量管理;

        ③ 采用低易損、低殘渣、低燃速推進(jìn)劑提升安全性;

        ④ 高壓強(qiáng)不穩(wěn)定燃燒抑制技術(shù)。

        (3)國外固體沖壓導(dǎo)彈

        美、歐、俄、日等國在固體沖壓導(dǎo)彈技術(shù)方面開展了多年的研究、制訂了詳細(xì)的發(fā)展計劃,一些型號即將裝備部隊,分析其固體推進(jìn)劑技術(shù)發(fā)展方向主要有:

        ① 推進(jìn)劑由早期的中能鋁鎂貧氧推進(jìn)劑向高能量的含硼貧氧推進(jìn)劑、碳?xì)錈o煙貧氧推進(jìn)劑和GAP貧氧推進(jìn)劑等方向發(fā)展。

        ② 由亞燃向超燃領(lǐng)域拓展成為了固體沖壓發(fā)動機(jī)的重要發(fā)展方向。

        (4)國外運(yùn)載火箭固體火箭或助推器

        美、歐、俄、日等航天大國已成功應(yīng)用了多種型號的全固體運(yùn)載火箭和固體助推器,并不斷升級,分析該領(lǐng)域應(yīng)用的固體推進(jìn)劑技術(shù)有以下特征:

        ① 國外固體運(yùn)載用固體推進(jìn)劑最大限度地采用戰(zhàn)略導(dǎo)彈的成熟產(chǎn)品和成熟技術(shù),快速形成具備一定運(yùn)載能力的全固體運(yùn)載火箭,并不斷提高其可靠性。

        ② 固體推進(jìn)劑普遍采用低燃速、低殘渣、高比沖HTPB推進(jìn)劑。

        ③ 低成本設(shè)計理念貫穿整個研發(fā)過程,低熔溫?zé)崴苄怨腆w推進(jìn)劑技術(shù)有望得到應(yīng)用。

        3. 固體推進(jìn)劑技術(shù)未來發(fā)展展望

        目前,乃至未來相當(dāng)一段時間內(nèi),固體推進(jìn)劑技術(shù)將處于一個發(fā)展的平臺區(qū),這也很有可能是一個快速發(fā)展的孕育期。未來可能在以下三個方面將取得突破。

        (1)新型含能物質(zhì)將取得突破

        新型高能物質(zhì)具有代表性的有:籠形富氮張力環(huán)化合物,激發(fā)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)和原子簇、分子簇化合物,富氫化合物,氟氮類化合物等。高氮、全氮化合物以及氫原子工質(zhì)的高效利用,將給固體推進(jìn)劑技術(shù)的發(fā)展帶來變革,推動比沖300s以上新型高能推進(jìn)劑的研發(fā)步伐。

        (2)先進(jìn)的高能固體推進(jìn)劑配方將分階段進(jìn)步

        隨著高能量密度材料的成功應(yīng)用,高能固體推進(jìn)劑配方的進(jìn)步將按照近期理論比沖達(dá)到280 s、中期能量比NEPE高10%左右,理論比沖達(dá)到290 s、遠(yuǎn)期能量較NEPE顯著提高,理論比沖達(dá)到300 s以上的目標(biāo)分階段發(fā)展。

        (3)交叉融合技術(shù)不斷推進(jìn)新發(fā)展

        跨專業(yè)、跨學(xué)科的深度交叉融合,將推動固體推進(jìn)劑技術(shù)不斷創(chuàng)新。

        ① 高能富燃料推進(jìn)劑技術(shù),引入新型高密度烴或顯著改善硼粉的燃燒效率,而使固體沖壓或超燃沖壓發(fā)動機(jī)能量充分發(fā)揮。

        ② 高能膏體/凝膠推進(jìn)劑技術(shù),滿足高能和靈活的能量管理雙重作用。

        ③ 低溫、熱塑性彈性體固體推進(jìn)劑技術(shù)(隨溫度發(fā)生可逆相態(tài)變化)。

        ④ 跨學(xué)科、跨專業(yè)的組合推進(jìn)技術(shù)。

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