固体与液体推进剂的比较

固体与液体推进剂的比较

燃料供应是促进装置兴奋的物质。常用的推进剂有化学推进剂,核能推进剂,电能推进剂和太阳能推进剂。它们分别利用化学能,核能,电能或太阳能加热、加速工质(液体H2),使其高速排出,产生使飞行器上天的推动力。化学推进剂是为火箭发动机提供能源和工质的化学制剂,通常含可燃物和氧化剂。可燃物在发动机燃烧室内燃烧,放出化学能。燃烧后产生的高温、高压气体通过喷管喷出,产生反作用力推动飞行器上天。化学推进剂分成液体推进剂、固体推进剂、混合推进剂、胶体推进剂。例如:煤油/液O2、液H2/液O2、偏二甲肼/四氧化二氮为液体推进剂。聚硫橡胶/高氯酸铵、端羧基聚丁二烯/高氯酸铵/铝粉为固体推进剂。目前,国内外火箭、导弹都以固体或液体化学推进剂为动力,但它们各有优缺点。固体推进剂无需贮箱和输送系统,燃料和氧化剂混合后贮放在燃烧室内,点火即燃,一次用完(图1)。液体推进剂分别放在氧化剂箱和燃料箱内,工作时由输送系统送入燃烧室(图1),输送速度可调节。固体推进剂密度大,易贮存和运输,使用维护方便,但固体推进剂比冲(比冲是单位质量(1000g)推进剂(燃烧)所产生的冲量,是火箭发动机的推力与推进剂单位时间质量消耗量之比。冲量是发动机推力对工作时间的积分值,因此发动机冲量决定于推力大小和工作时间的长短,是综合评定火箭发动机性能的重要参数之一。它直接影响导弹或火箭的有效载荷和飞行距离。)低,且不能调节燃速,不能多次启用。液体推进剂比冲高,能在导弹飞行过程中调节推力,能多次启用,但液体推进剂密度小,易燃,易爆,有毒,安全性低。掺加胶凝剂的胶体推进剂则兼具液体推进剂和固体推进剂的优点,又克服了它们的缺点,是一类值得推荐的、未来航天器所用的优良推进剂。1自由切应力-切变速度ca-tki胶体推进剂是直径为10-7~10-10m的胶体粒子或大分子分散在液体推进剂中所形成的特殊分散体系。在液体可燃物和(或)氧化物中掺加胶凝剂可制成各种胶体推进剂。把气态甲烷、乙烷等烷烃与氮气混合,通入液氢中,烷烃凝成固体,分散在液氢中形成胶氢。把铝粉、碳粉或二氧化硅粉等掺入液氢可制得金属化胶氢。胶体推进剂是热力学不稳定的多分散体系,长期贮存易分层。选择合适的胶凝剂,按一定比例加入所制得的胶体推进剂具有触变性。触变性流体的特性是:(1)流变曲线形状像假塑型流体,其表观粘度随切速增大而下降,如图2(左)所示。(2)流变曲线不通过原点而与横坐标相交于屈伏值τy点,τy是使体系开始流动所需加的临界切应力,只有当切应力τ>τy时,体系才开始流动。(3)切应力作用时间对流变性质有影响,在流变曲线上出现滞后环(用转筒粘度计可测得此滞后环。均衡地增加转速(切应力)得切应力ABC,到C点后降低转速,由于已破坏结构的恢复需要时间,一时来不及形成,切应力只用于体系流动,故CA直线下降,形成ABCA切速滞后环。若在C点保持恒定切速不变,所需切应力减少达D点。再降低切速呈DA线,形成ABCDA时间滞后环。),如图2(右)所示。(4)体系在搅动时呈流动状态,静止后逐渐变稠直至胶凝,不是立即恢复到搅动前状态,有个时间过程。触变性流体的这些特性与体系的构成有关。体系中除了液体外还含有胶体粒子(多半是针状或片状)或大分子,它们靠范德华力或氢键相互连接,形成具有一定强度的结构(图3)。由于粒子间连接力不强,此类结构并不稳定。当外力超过其结构强度(τ>τy)时,结构被破坏,体系能像普通流体一样流动。静止时,结构又能自动逐渐恢复,是溶胶-凝胶间相互转换过程的表现。但结构的破坏和恢复都有一个时间过程,因而在切应力-切变速度曲线上出现滞后环。若结构恢复时间很长,滞后环面积很大,体系具有高触变性;若结构恢复时间很短,体系具有低触变性。体系的浓度、固体粒子的大小和形状、加入电解质、温度高低等因素都会影响体系的触变性。据报道,由美国陆军导弹司令部资助、特雷伍德(TRW)公司和路易斯研究中心合作,以三甲氧基硼和四乙氧基硅为原料,用溶胶-凝胶法按下式制得了比表面为1000m2/g的纳米级胶凝剂。mB(OCH3)3+3mH2O→mH3BO3+3mCH3OHmB(ΟCΗ3)3+3mΗ2Ο→mΗ3BΟ3+3mCΗ3ΟΗ三甲氧基硼硼酸甲醇nSi(OC2H5)4+4nH2O→nSi(OH)4+4nC2H5OH(ΟC2Η5)4+4nΗ2Ο→nSi(ΟΗ)4+4nC2Η5ΟΗ四乙氧基硅硅烷醇乙醇mH3BO3+nSi(OH)4→HO[—B(OH)O]m[—Si(OH)2O]nH(ΟΗ)4→ΗΟ[—B(ΟΗ)Ο]m[—Si(ΟΗ)2Ο]nΗ或[B2O3]m/2[SiO2]n直线型硼硅酸盐聚合物或交联型硼硅酸盐聚合物把液氢压到此纳米级胶凝剂中混合,可制成含7%~8%胶凝剂的胶氢。它的粘度是液氢的1.5~3.7倍。在外力超过屈伏值后,它的粘度迅速下降,可似液氢一样流动。这种屈伏应力低的触变性流体对推进剂从贮箱到发动机的传输是很需要的。显然,这种聚合物胶凝剂可把液氢制备成航天器用的胶体推进剂。最近,以色列发表了用纤维素胶凝肼类燃料、用二氧化硅粉胶凝抑制性红烟硝酸或过氧化氢氧化剂的胶体推进剂,其配方见表1。表1中HPC和HEC是水溶性非离子纤维素衍生物,可用于制备假塑性水溶液。二氧化硅是密度为50g/L的细粉。Carbopol是常用于悬浮液的增稠剂和稳定剂。若用铝或硼作添加剂,悬浮在胶体燃料中,可增加它们的能值。所得胶化肼类燃料在切速1~1000L/s范围内是屈伏值低(<20Pa)的假塑性流体;胶化的氧化剂是屈伏值为500~1000Pa范围内的触变性流体。他们以实验室规模在常规推力火箭发动机上成功地进行了25次热点火试验和20次0.1秒开/0.5秒关循环的多脉冲操作,效果很好。2化学药剂。在压力小、密度大,比冲高,适用高,影响经济衡量航天器推进剂性能的主要指标是能量特性、使用性能和经济性能。理想的推进剂应该是比冲高,密度大,燃烧产物的摩尔质量小;有足够的物理化学稳定性,有较好的材料相容性,毒性小,对机械冲击不敏感(以免着火、爆炸);生产工艺简单,原材料来源广,成本低。在化学火箭推进剂中,液氢比冲最高,它的燃烧产物是摩尔质量不大的、无毒的水分子。但它密度小、蒸发速率高。在液氢中掺加胶凝剂和(或)金属粉制成胶氢或金属化胶氢可克服它的缺点。(1)与液体剂相比，胶体剂具有以下优点多晶铝粉的合同密度在液氢中加35%甲烷,密度增高50%;加70%铝粉,密度增高300%。密度增大可减小贮箱体积及传输系统质量,减少结构重量。RP-1火箭煤油掺加55%铝粉,密度从0.773增大到1.281。当有效载荷为2.25×104kg时,所用贮箱体积可从351.1m3变为304.7m3。航天飞机用甲基肼掺加50%铝粉后,助推器长度可由45.5m减为40.8m;若将此长度增加到46.2m,则航天飞机有效载荷从2.25×104kg变成3.20×104kg。降低贮箱气密要求液氢中加10%~15%乙烷,粘度增加1.5~3.7倍,粘度增大可减少泄漏带来的危险,降低贮箱气密要求,增加贮存和使用的安全性。尤其是胶体推进剂独特的触变性,使它在暴露于空气中时表面易形成硬壳,可减少液面晃动,不易溅洒,并可减少飞行时液面晃动产生的不利影响。加32%二氧化碳粉蒸发速率液氢蒸发速率为4.7cm3/min;加79%铝粉蒸发速率为1.0cm3/min;加36%二氧化硅粉蒸发速率为2.0cm3/min。降低蒸发速率可减少贮存、运输期间的蒸发,可节省燃料,降低成本,还有利于环保。添加含能橡胶粒可以提高比冲，提高飞行速度，增加有效载荷液氢中加5%甲烷,比冲提高4s;加60%铝粉,比冲提高5~6s。对于火星探险计划,有效载荷可增加20%~30%。胶体催化剂的腐蚀速率TRW公司的试验证明:由甲肼-抑制性红烟硝酸组成的胶体推进剂对钝化的铝合金的腐蚀速率低,在49℃或室温下小于25.4μm/年。亦即与钝化的铝合金有良好的相容性,因而可长期贮存。(2)固体体现安全性能①胶体推进剂在一定压力下有一定的流动性,因而能在飞行过程中调节流量、调节推力,还可做到多次启动。推力调节可对一系列负载和环境变量进行最大加速级的控制,降低对一定类型导引头