一种新型固体火箭发动机燃料_石蜡基燃料

　　　化学推进剂与高分子材料

２００９年第７卷第６期

Chemical Propellants & Polymeric Materials

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一种新型固体火箭发动机燃料——石蜡基燃料

庞维强１，樊学忠１，吕康２

(1.西安近代化学研究所，陕西西安 710065；

2.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院建筑分院，陕西西安 710065)

摘　要：综述了用于固液混合发动机用的一种新型固体火箭燃料——石蜡基燃料的研究状况，总结了部分具有代表性的研究成果，分析了石蜡基燃料在混合火箭发动机的应用中可能存在的问题。认为石蜡基燃料将是未来固液混合火箭发动机应用中很有发展潜力的一种固体燃料。

关键词：固液混合发动机；固体火箭燃料；石蜡基燃料；退移速率

中图分类号： TQ436 文献标识码： A 文章编号： 1672－2191(2009)06－0020－03

在燃烧领域，有2条途径可获得高效、低污染、高性能燃烧系统：一是发展先进的燃烧结构，二是研制高能燃料。固液混合发动机由于其本身具有液体火箭发动机和固体火箭发动机的共同特征而成为目前应用较广泛的一种发动机，国内外已对固液混合发动机用燃料进行了较深刻的研究。由于固液混合发动机中氧化剂是从固体燃料外部引入，固体燃料的分解产物与氧化剂只能形成扩散火焰，从而使得燃料的退移速率不可能很高，更不可能无限制地增加氧化剂的流量来提高气流速度，以此来提高退移速率。

多年来，从事燃料研究者力图发现和研制可供实际应用的高能量密度燃料，但至今未有突破性进展，尤其是对固体火箭燃料的研究还不十分完善，因此有必要对固体火箭燃料作进一步深入探讨。为解决固体燃料退移速率过低这一制约固液混合发动机发展的难题，研究者提出了以下解决方法：①在燃料中加入氧化剂和自分解物质来提高固液混合发动机的安全性；②在固体燃料中添加金属或纳米金属粉；③采用氧化剂旋转喷注。此外，研究人员改进了火箭的设计，将固体燃料与液态或气态的氧化剂分离，设计出了所谓的“混合燃料火箭”(hybrid rocket)，这种混合燃料火箭相对于传统固体燃料火箭最大的优越性就是能够控制并停止氧化剂与燃料的混合[1~4]。以上解决方法尽管有一定的成效，但退移速率提高不多，这使得研究者不得不开始考虑其他的高效燃料。

收稿日期：2009－06－22

石蜡基燃料是近年来国内外纷纷开始研究的一种新型固体火箭燃料，石蜡基燃料的出现，解决了传统固体燃料燃速低的问题，可以实现固液混合发动机装药构型设计简单化。据文献报道[5~6]，采用石蜡基燃料的固液混合发动机的燃速是HTPB的3倍多，而且使用石蜡基燃料的固液混合火箭有望成为一种更廉价更安全可重复使用的火箭助推器。文中对应用于固液混合发动机上的一种新型固体火箭燃料——石蜡基燃料进行了介绍，并给出部分具有代表性的研究成果，以及目前所存在的一些问题并展望了其应用前景。

1 石蜡基燃料的研究现状

燃料退移速率为单位时间内药柱径向尺度的变化，是固液混合火箭燃料的重要特性之一，通常用式(1)计算一次实验的平均燃料退移速率[7~9]：

Δrravg tb

1

di ]2

tb

(1)

其中：Δr为药柱厚度，m；mｆ为燃料质量，kg；L为药柱长度，m；ρ为燃料密度，kg/m3；di为药柱内径，m；tb为实验燃烧时间，s。

一般情况下，燃料退移速率可用半经验公式表示成：

r ＝ a . WGOXm (2)

其中，r表示固态燃料燃烧退移速率，m/s；a为与燃料本身特性有关的常数；WGOX为氧化剂流量，kg/(m2.s)；m为常数。

作者简介：庞维强(1977－)，男，陕西长安人，博士研究生，主要从事固体推进剂工艺配方及燃烧研究。电子信箱：[email protected]

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Karabeyoglu[10]发现，碳原子数为16~50的烷烃可通过产生雾化液滴来提高燃速。而且经过多次测试得到了纯石蜡燃料的燃烧退移速率与氧气通量，得出：

r ＝ 0.117 . WGOX0.62 (3)

对于常用的HTPB燃料而言，燃烧退移速率与氧化剂流量关系a、m分别为0.0304和0.681，使用石蜡作为燃料时，Karabeyoglu等人实验所得a、m的结果分别为0.117和0.62(见式3)。由此可见，石蜡基燃料在同一氧气通量下其退移速率可达到传统燃料HTPB的3~4倍，显示出极佳的燃料退移速率[1]。

美国宇航局(NASA)埃姆斯研究中心和斯坦福大学曾成功实验了生态洁净的固体火箭燃料——石蜡基燃料。石蜡基火箭燃料理论的提出者Karabeyoglu在研究固体燃料的退移速率机理时，受到在冻结的凝固戊烷中高退移速率现象的启发，从而将液膜不稳定理论引入传统的固液混合发动机燃烧理论中，研究出了提高表面退移速率理论[11~12]，得出高退移速率是燃料的一种自然属性，它不需要添加其他物质和增强措施。他认为固液混合发动机工作时，这类固体燃料表面熔化了一层液体薄膜，在液体表面气流的作用下，液体产生不稳定进而雾化形成液滴进入气相，液滴的引入极大地增强了燃料的质量传递，从而大大提高了固体燃料的表面退移速率。

在此基础上斯坦福大学配制出了SP-la石蜡基推进剂，并实验得出了SP-la的高退移速率，结果见图1。而且当燃烧室压强为3.4MPa，喷管扩张比为70:1时，得到了石蜡/液氧和HTPB/液氧的理论比冲，结果见图2。

图2 石蜡基燃料与HTPB推进剂理论比冲变化曲线Fig.2 Theoretical specific impulse change curves of

paraffin-based fuel and HTPB propellant

常温下固化后HTPB燃料与石蜡燃料的密度分别为0.88g/cm3和0.91g/cm3，相近的密度有助于二者的混合。李聪盛等人[12]利用石蜡混合HTPB方式来解决石蜡燃料受热后的强度问题，并建立了漩涡推进氧方式，以此提高氧化剂/燃料蒸气的混合，并探讨了石蜡基燃料退移速率及其燃烧效率等特性。

单世明[10]进行了石蜡燃料混合火箭的性能测试，图3是在WGOX＝101kg/(m2.s)条件下，HTPB燃料混合火箭内弹道性能变化曲线；图4是在WGOX＝107kg/(m2.s)条件下，石蜡燃料混合火箭内弹道性能变化曲线。

图3 使用HTPB燃料的推力及燃烧室压力变化曲线Fig.3 Thrust and combustion chamber pressure change

curves of using HTPB fuel

图1 石蜡基燃料和HTPB推进剂的退移速度

随氧化剂质量流量的变化曲线

Fig.1 Change curves of regression rates of paraffin-based

fuel and HTPB propellant with

the oxidant mass flow

图4 使用石蜡燃料的推力及燃烧室压力变化曲线Fig.4 Thrust and combustion chamber pressure change

curves of using paraffin fuel

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２００９年第７卷第６期

从图3可看出，推力与压力值随测试时间的增加先增加然后下降，说明喷喉缓慢变大。在图4中显示出有明显的压力及推力振荡，其原因可能为熔融状态下石蜡剧烈燃烧造成，另外在测试后期(约6.3s)燃烧室压力有更大的振荡，可能是部分熔融燃料随喷焰喷出造成。

2 石蜡基燃料存在的问题

虽然石蜡基燃料作为一种新型火箭发动机用燃料具有应用潜力，然而目前石蜡基燃料还存在一些问题：①混合燃料很难确保平稳的燃烧，尤其是在点火初期；②由于石蜡基燃料的熔点较低(69℃)，故存在蠕变性贮存问题；③点火时压强使药柱扩张，产生拉伸应力，会使药面产生裂纹；④石蜡固化后收缩17%，药柱的浇铸加工问题也应注意[13~15]。

3 前景展望

固、液(混合)发动机燃料都具有不同程度的毒性，而石蜡基燃料则相反，并具有如下优点：燃烧时条件较温和，燃烧非常干净(燃烧后只留下水蒸气和二氧化碳)，燃料运输无需特殊性安全措施，火箭的添加燃料过程简便等，这是传统固体火箭燃料所无法比拟的。此外由于混合式火箭调节范围很大，可以通过控制氧化气体控制熄火和重新点燃，这也是科学家认为其具有替代目前固体火箭燃料潜力的原因之一。

然而，石蜡基燃料相关研究技术尚处于实验验证阶段，在其作为火箭燃料应用于航空事业之前，还需在小型火箭发动机上反复实验，再在大型火箭发动机上进一步实验验证。

4 结束语

石蜡基燃料的研究为发展高能量燃料开辟了一条新途径，即开发一种有效、高轻便的燃料，这种燃料有作为基本燃料的巨大潜力。石蜡的存储及制造比固体火箭推进剂安全，且价格更低，使其应用于大型固液混合发动机成为可能。

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(下转至第41页)

韩伟等 · 红烟硝酸/偏二甲肼凝胶双组元推进剂研制

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②可选的UDMH凝胶的胶凝剂虽然较多，但满足一定的工程实验要求的也仅有1~2种。文中所选的胶凝剂为一种较低相对分子质量的有机高分子物质，完全满足工程实验要求。

③制备的HNO3－20s/UDMH凝胶复配性良好。

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Research and Manufacture of Red Fuming Nitric Acid/ UDMH Gel Bipropellant

HAN Wei, SHAN Shi-qun, DU Zong-gang, YU Jun, YANG Chao, WU Jin

(Xi’an Aerospace Propulsion Test Technique Institute, Xi’an 710100, China)

Abstract: Aiming at the chemical properties of red fuming nitric acid / UDMH, by means of rheological properties test,fluid flow test of rocket motor head, restriction orifice test and ground hot firing test, the appropriate gellant was screened out.It can form gel system with red fuming nitric acid / UDMH. The gel system possesses excellent rheological properties and goodbehaviour in hot firing test, it can basically satisfy the requirement of gel motor.

Key words: red fuming nitric acid; UDMH; gel propellant; gellant

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(上接第22页)

A New Type of Solid Rocket Engine Fuel—Paraffin-based Fuel

PANG Wei-qiang1, FAN Xue-zhong1, LU Kang2

(1. Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China;2. HydroChina Xibei Engineering Corporation, CHECC, Xi’an 710065, China )

Abstract: Research status on a new type of solid rocket fuel-paraffin-based fuel for the solid and liquid hybrid engines isreviewed. Some representative research achievements are summarized. Possibly existing problems for application of paraffin-based fuel in hybrid rocket engine are analyzed. It is considered that paraffin-based fuel will be one of solid fuels with greatdevelopment potential in the solid and liquid hybrid rocket engine in the future.

Key words: solid and liquid hybrid engine; solid rocket fuel; paraffin-based fuel; regression rate

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(上接第37页)

Influence of Nucleating Agent on Properties of Ultrafine Talcum Powder/Polypropylene Blends

GUO Jian-bing, YANG Er-xing, FAN Ze-dong, QIN Shu-hao

(National Engineering Research Center for Compounding and Modification of

Polymeric Materials, Guiyang 550014, China)

Abstract: Influence of α andβ nucleating agents on the mechanical properties of talcum powder/polypropylene(Talc/PP)blends was studied. The results show that addition ofα nucleating agent can increase the tensile strength, flexural strength,flexural modulus and hardness, etc of the materials, but slightly decrease the impact strength. β nucleating agent can markedlyincrease their toughness. Adding both α andβ nucleating agents obviously increases the thermal stability of the compositesystem, α nucleating agent is more advantageous to the enhancement of the heat distortion temperature(HDT) than β nucleatingagent.

Key words: nucleating agent; talcum powder; polypropylene