本發(fā)明涉及固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是涉及一種自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有成本低、安全無(wú)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(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，近些年在運(yùn)載火箭、探空火箭、亞軌道飛行器、助推器、上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)、靶標(biāo)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和商業(yè)航天中廣泛應(yīng)用。對(duì)于典型的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)具有不同的工作特性及適用領(lǐng)域。常用的氧化劑有液氧、n2o、h2o2等，氧化劑通常為擠壓式供應(yīng)；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(wú)毒、常溫可貯存高性能液體氧化劑。過(guò)氧化氫固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有安全性好、推力調(diào)節(jié)容易、可實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)和多次啟動(dòng)、無(wú)毒無(wú)污染、藥柱穩(wěn)定性好、溫度敏感性低和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。十分符合臨近空間飛行器動(dòng)力系統(tǒng)快速、經(jīng)濟(jì)、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(guò)氧化氫固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火技術(shù)通常有火藥點(diǎn)火器點(diǎn)火、催化床點(diǎn)火、火炬式點(diǎn)火、輻射點(diǎn)火、激光點(diǎn)火等等。

4、其中，火藥點(diǎn)火器缺點(diǎn)：需要額外且復(fù)雜的點(diǎn)火系統(tǒng)，火藥點(diǎn)火器需要額外的安裝空間，點(diǎn)火藥為易燃易爆的火工品，在發(fā)動(dòng)機(jī)存儲(chǔ)過(guò)程中存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，未使用的點(diǎn)火藥也存在因震動(dòng)摩擦或劇烈過(guò)載而失效爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。如果需要多次點(diǎn)火則需要安裝多個(gè)點(diǎn)火裝置，采用點(diǎn)火藥進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)，啟動(dòng)次數(shù)受到點(diǎn)火裝置數(shù)量的限制，當(dāng)點(diǎn)火藥消耗完畢時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)也就不再具有啟動(dòng)能力。若攜帶多組點(diǎn)火藥，發(fā)動(dòng)機(jī)消極質(zhì)量也會(huì)隨之增加，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的提高。

5、其中，過(guò)氧化氫催化點(diǎn)火缺點(diǎn)：采用催化床進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)法采用此方式點(diǎn)火。此方法限制了發(fā)動(dòng)機(jī)所能使用的氧化劑類型。此外，催化床對(duì)于氧化劑的流率也有一定限制即床載有限制。催化床結(jié)構(gòu)尺寸較大，重量較大，流阻較大，流量較小，壓降大，壽命短，啟動(dòng)性能差，催化劑容易損失，而且催化劑價(jià)格昂貴。

6、其中，火炬式點(diǎn)火方案缺點(diǎn)：采用此種方法需要額外的點(diǎn)火氣路，還需要火花塞，點(diǎn)火系統(tǒng)占據(jù)額外的空間和重量，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)點(diǎn)火氣路的時(shí)序、流量控制要求較嚴(yán)格。

7、因此，亟待開(kāi)發(fā)一種不需要額外的點(diǎn)火裝置，氧化劑過(guò)氧化氫和固體燃料接觸即可發(fā)生燃燒反應(yīng)的燃料藥柱。

8、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)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(dòng)機(jī)藥柱，所述自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的制備原料按重量份數(shù)計(jì)包括：固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料50～90份、強(qiáng)還原性物質(zhì)5～50份。所述藥柱為和過(guò)氧化氫可以自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱，不需要額外的點(diǎn)火裝置，氧化劑過(guò)氧化氫和固體燃料接觸即可發(fā)生燃燒反應(yīng)，點(diǎn)火延遲為毫秒量級(jí)。

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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)藥柱的各制備原料混合后，再通過(guò)模具進(jìn)行澆筑、冷卻固化，制備得到所述的自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)藥柱在制備自燃的過(guò)氧化氫催化固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。

4、本發(fā)明的目的在于之四提供一種過(guò)氧化氫固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，所述過(guò)氧化氫固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包括過(guò)氧化氫輸送系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)主體系統(tǒng)，且所述過(guò)氧化氫固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)點(diǎn)火裝置；所述發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)藥柱。

5、為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)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(dòng)機(jī)藥柱，所述自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的制備原料按重量份數(shù)計(jì)包括：固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料50～90份、強(qiáng)還原性物質(zhì)5～50份；

7、其中，所述強(qiáng)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(dòng)機(jī)藥柱，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火機(jī)制。該藥柱可在與氧化劑接觸時(shí)，即刻觸發(fā)自燃反應(yīng)，其核心原理涉及氧化劑與藥柱中特定的強(qiáng)還原性物質(zhì)之間的高效氧化還原反應(yīng)。強(qiáng)還原性物質(zhì)比例的增加有助于促進(jìn)氧化還原反應(yīng)，從而進(jìn)一步降低點(diǎn)火延遲時(shí)間。此種氧化還原反應(yīng)釋放出大量熱能，將燃料溫度快速升至著火點(diǎn)，同時(shí)溫度升高讓過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生氧氣并放出熱量。

9、進(jìn)一步地，所述固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料在表面燃燒的同時(shí)，形成液態(tài)碳?xì)浠衔镆旱?，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(dòng)機(jī)持續(xù)推進(jìn)。因此，所述自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱擁有極低的點(diǎn)火延遲時(shí)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(jìn)行一定的調(diào)整。

10、且本發(fā)明自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的性能良好，幾乎不會(huì)影響固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和絕熱火焰溫度，從而保證了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能良好。此外，此種自燃藥柱可以實(shí)現(xiàn)多次啟動(dòng)，在氧化劑停止供應(yīng)后，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將熄火，再次供應(yīng)過(guò)氧化氫發(fā)動(dòng)機(jī)將再次點(diǎn)火，且再次點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)燃料主要含有c、h等元素，是推進(jìn)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(jié)性能和力學(xué)性能，主要使得藥柱具有足夠的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)自燃功能，強(qiáng)還原性物質(zhì)和氧化劑接觸即可自發(fā)進(jìn)行強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)，放出大量的熱點(diǎn)燃藥柱，同時(shí)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(dòng)機(jī)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(jìn)一步地，所述固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(xué)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(dòng)機(jī)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(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。

24、優(yōu)選地，所述自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)改進(jìn)添加劑粒度參數(shù)可縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，并改善碳?xì)浠衔锘w的燃燒。

29、優(yōu)選地，所述自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)劑組元的線型低分子預(yù)聚物轉(zhuǎn)變成適度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物，形成基體，實(shí)現(xiàn)固化，使推進(jìn)劑具有必要的機(jī)械強(qiáng)度。例如，羥基預(yù)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(dòng)機(jī)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(shí)使用的交聯(lián)劑，它主要用來(lái)形成三維空間交聯(lián)，使粘結(jié)劑成為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，防止推進(jìn)劑塑性流動(dòng)。

36、優(yōu)選地，所述自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)劑藥漿的粘度，增加其流動(dòng)性，以利于澆鑄；二是降低推進(jìn)劑的玻璃化溫度，改善其低溫力學(xué)性能。

39、優(yōu)選地，所述自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)藥柱受空氣氧化。

46、優(yōu)選地，所述自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)提供潤(rùn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)藥柱的各制備原料混合后，再通過(guò)模具進(jìn)行澆筑、冷卻固化，制備得到所述的自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)藥柱在制備自燃的過(guò)氧化氫催化固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。

55、優(yōu)選地，過(guò)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(shí)現(xiàn)自燃的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)配方可以在小范圍內(nèi)微調(diào)，點(diǎn)火延遲時(shí)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(guò)氧化氫固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，所述過(guò)氧化氫固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包括過(guò)氧化氫輸送系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)主體系統(tǒng)，且所述過(guò)氧化氫固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)點(diǎn)火裝置。

58、其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)藥柱。

59、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，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(dòng)機(jī)藥柱可通過(guò)在與氧化劑接觸時(shí)，氧化劑與強(qiáng)還原性物質(zhì)之間的高效氧化還原反應(yīng)，即刻觸發(fā)自燃反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火機(jī)制。

61、(2)本發(fā)明所述固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱在表面燃燒的同時(shí)，形成液態(tài)碳?xì)浠衔镆旱?，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(dòng)機(jī)持續(xù)推進(jìn)；且該藥柱擁有極低的點(diǎn)火延遲時(shí)間，僅需幾毫秒至幾十毫秒。

62、(3)本發(fā)明藥柱滿足快速點(diǎn)火、可多次啟動(dòng)、推力可調(diào)節(jié)性、燃料可長(zhǎng)期貯存、推力較大等需求，可以應(yīng)用于姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、性能好、體積小、貯存周期長(zhǎng)、維護(hù)使用方便等優(yōu)點(diǎn)。