業(yè)余條件下制作專業(yè)7013及RAP燃料柱

1、業(yè)余條件下制作專業(yè)固體火箭高能燃料柱（7013及RAP）前言：KC的眾多火箭愛好者在制作過硝糖類燃料后，都會(huì)去追求一些高能高比沖的燃料，但是由于制作 工藝缺陷，時(shí)常導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸失敗。此文旨在拋磚引玉，積極探討在業(yè)余條件下如何安全地制作高質(zhì)量 的高能燃料藥柱。個(gè)人能力有限，不足或錯(cuò)漏之處，敬請(qǐng)斧正。在試驗(yàn)過程以及理論分析中，得到壇友 xj198398xujing、lilith以及qix001的傾力指導(dǎo)，機(jī)械加工得到壇友“拉風(fēng)”鼎力協(xié)助。在此一并感謝！ 本文將以熱塑型燃料中的典型配方7013和熱固型燃料典型配方為實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這兩種燃料比沖均超過 200，而且不含金屬成分，原料容易獲得，業(yè)余條件

2、易于加工。下面分別就這兩種燃料的配方及工藝與大 家進(jìn)行探討。7013燃料：7013燃料系聚氯乙烯推進(jìn)劑，這種推進(jìn)劑從1950年研究至今，該燃料由北京工業(yè)學(xué)院率先研 制成功，廣泛用于制式增雨火箭。7013燃料以高氯酸銨（下文簡(jiǎn)稱AP）為氧化劑，中分子量聚氯乙烯（n 為1200-2000，下文無特殊說明均簡(jiǎn)稱為PVC）為粘接劑，鄰苯二甲酸二丁酯（下文簡(jiǎn)稱DBP）及葵二酸 二丁酯（下文簡(jiǎn)稱DBS）為增塑劑，硬脂酸鉛（下文簡(jiǎn)稱LS）為PVC安定劑共同組成。7013燃料為典型 的熱塑型燃料，理論比沖230，有良好的存儲(chǔ)穩(wěn)定性，不吸潮，燃燒特性好，壓力指數(shù)較低，藥柱強(qiáng)度適 中等優(yōu)點(diǎn)，與粉壓BP以及硝糖類燃

3、料相比具有良好的內(nèi)彈道特性以及較高的比沖。在業(yè)余火箭發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng) 用中有良好的前景。7013配方:原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)說明AP70.0%氧化劑，化學(xué)純，粒度分布為50目25%，100目50%，200目25%PVC12.5%粘接劑，工業(yè)純，聚氯乙烯糊樹脂，P440或R1069標(biāo)號(hào)，白色細(xì)膩粉末DBP12.0%主增塑劑，分析純，無色透明液體DBS5.0%輔助增塑劑，提高低溫流動(dòng)性及固化產(chǎn)物低溫抗龜裂性，分析純，透明液體LS0.5%吸收PVC裂解出的氯化氫，抑制高溫固化過程中降解，化學(xué)純，白色細(xì)膩粉末7013燃料柱制作工藝流程：AP的干燥：AP結(jié)晶在空氣中極易吸潮結(jié)塊，甚至吸濕性高于硅膠，工業(yè)采用表面活性劑處理

4、一層疏水 被覆膜來防結(jié)塊，業(yè)余條件很難達(dá)到這個(gè)效果。因此在使用前必須進(jìn)行充分干燥，比較簡(jiǎn)單的方法是高溫 烘焙。將一定量的AP結(jié)晶平攤放在比較平坦的不銹鋼或玻璃容器內(nèi)，使蒸發(fā)面積增大，然后將容器放置 在恒溫干燥箱中，將溫度控制在95-110攝氏度之間，開啟通風(fēng)孔，使箱內(nèi)空氣在熱梯度作用下自動(dòng)對(duì)流循 環(huán)。50g藥量進(jìn)行約30分鐘的烘焙即可。烘焙過程中，會(huì)有極少量AP分解，釋放出氯化氫氣體，屬于正 ?，F(xiàn)象，可不以理會(huì)。烘焙完畢，結(jié)塊的AP團(tuán)聚物會(huì)自動(dòng)散開，用藥勺輕微攪拌壓散，即可投入粉碎工 序。AP的粉碎和過篩：由于自己合成的AP的粒徑一般在0.5mm左右，不適合用在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中，因此再 使用前有必

5、要對(duì)AP結(jié)晶進(jìn)行粉碎。為提高粉碎效率，保證粉碎過程中不吸入過多水分，這里建議使用旋 風(fēng)式粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎。估計(jì)有人會(huì)質(zhì)疑這種粉碎方式的安全性，但需要指明的一點(diǎn)是，純AP結(jié)晶，在不 混合有機(jī)物等還原劑的情況下，熱感度，撞擊感度和摩擦感度均較低，粉碎過程中幾乎不可能將其引爆， 本人進(jìn)行的百余次試驗(yàn)中，均使用旋風(fēng)粉碎機(jī)粉碎，未發(fā)現(xiàn)異常。粉碎機(jī)宜采用16000轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速， 每次粉碎50g量的話，5分鐘即可接近要求的粒度分布。如粉碎后發(fā)現(xiàn)結(jié)塊，是因?yàn)榫w間隙中存在少量 的水分以及粉碎過程中從空氣中的吸潮，可以不予理會(huì)，但若結(jié)塊嚴(yán)重，需將粉末放置在烘干箱中繼續(xù)烘 干15min左右。直到結(jié)塊散開。如采用研

6、缽粉碎方法，粉碎完畢的AP粉末，須在RH3d）存儲(chǔ)后應(yīng)重新干燥粉碎過篩。PVC粉稱量：按照配方的比例，計(jì)算出PVC的劑量，用托盤天平或電子天平進(jìn)行稱量后放置在塑料燒 杯中備用。這里建議使用一次性塑料杯子做稱量容器和預(yù)混容器，使用電子天平的去皮功能對(duì)其余原料進(jìn) 行累加稱量。LS稱量：使用電子天平的去皮功能，在已經(jīng)稱量好PVC的塑料杯中稱量定量的硬脂酸鉛粉末。DBP稱量：使用電子天平的去皮功能，用橡皮滴管或20ml 一次性注射器吸取適量的DBP，在監(jiān)視天平 讀數(shù)的同時(shí)緩慢滴加進(jìn)塑料杯。DBS稱量：使用電子天平的去皮功能，用橡皮滴管或20ml 一次性注射器吸取適量的DBS，在監(jiān)視天平 讀數(shù)的同時(shí)緩慢

7、滴加進(jìn)塑料杯。PVC，LS，DBP，DBS第一次預(yù)混：粘接劑、增塑劑及安定劑稱量完畢后，有必要進(jìn)行一次預(yù)混，使團(tuán) 聚的PVC及LS粉末均相分布在增塑劑混合液中。這里使用的超聲波清洗的空化功能，將盛放有粘接劑體 系的一次性杯子放置在超聲波清洗機(jī)中，清洗劑的水位略超過粘接劑混合液高度。開啟超聲波，此時(shí)可以 看見原先團(tuán)聚的白色粉末迅速散開，并不斷有氣泡溢出，配合玻璃棒的攪拌，1分鐘內(nèi)即可完成半杯原料 的預(yù)混。預(yù)混好的原料，呈乳白色粘稠狀懸濁液，粘度比色拉油略低（無粘度計(jì)，無法定量測(cè)量），用玻 璃棒挑起不拉絲。應(yīng)該注意的是預(yù)混過程中，應(yīng)控制體系溫度低于40攝氏度，否則增塑劑將發(fā)生不可逆 的溶劑化作用，

8、使PVC粉末溶脹，體系粘度增大而不利于后續(xù)的澆鑄工藝。將AP與第8工序產(chǎn)物進(jìn)行第二次預(yù)混：將稱量好備用的AP粉末分多次加入經(jīng)過第一次預(yù)混后的粘接 劑體系中。應(yīng)控制各原料的溫度以及操作環(huán)境溫度低于40攝氏度，用玻璃棒不斷攪拌之，直到所有原料 投放完畢。捏合：捏合工序必不可少，目的是使整個(gè)燃料體系的各組分混合均勻，從而得到良好的燃燒穩(wěn)定性和內(nèi) 彈道特性。工業(yè)上有專用捏合機(jī)，業(yè)余條件少量制作，使用硬質(zhì)塑料勺進(jìn)行不斷的攪拌，翻轉(zhuǎn)，擠壓即可， 一般半杯藥量捏合時(shí)間為10分鐘以上（胳膊酸痛，呵呵），直到整個(gè)燃料體系顏色均勻，并呈現(xiàn)良好的光 澤為止。11模具清洗及涂抹石蠟脫模劑：將內(nèi)孔陽(yáng)模的外端面和外圓模具

9、內(nèi)壁仔細(xì)清洗，不要留有殘?jiān)?，便于提?后期脫模的靈活性及藥柱光潔度。將模具放入恒溫箱或用其它方法加熱至100攝氏左右，用蠟燭均勻涂抹 在模具上有可能與燃料接觸的地方，涂層厚薄適中，切勿形成淚滴，然后自然冷卻至室溫備用。將模具裝配在振動(dòng)加速沉降器上：由于燃料體系的常溫粘度較大，光靠自重?zé)o法沉降到模具底部。因此 我們使用偏心輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)座，在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)下，獲得水平和垂直兩個(gè)自由度的高頻小振幅機(jī)械振動(dòng)， 使燃料體系加速沉降。裝配過程要盡量保證模具處于鉛垂方向，四個(gè)裝夾螺絲要適當(dāng)用力緊固，避免振動(dòng) 過程中螺絲松動(dòng)而使?jié)茶T半途而廢?？梢酝ㄟ^觀察，配合調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速來達(dá)到最佳沉降效果。真空澆鑄：這個(gè)步

10、驟是整個(gè)燃料柱制作工序中的重中之重，其工藝決定了藥柱成品的氣泡率和密度，直 接影響到燃料柱的內(nèi)彈道特性。真空澆鑄的方法如下：A、將恒溫真空倉(cāng)溫度設(shè)定在35攝氏度，并等待倉(cāng)內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值，此時(shí)燃料體系達(dá)到最佳流動(dòng)性， 溫度過高過低都會(huì)使黏度增加而礙于澆鑄；B、將真空倉(cāng)蓋子裝配好，用氣管連接好旋片式真空泵并進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，整個(gè)真空澆鑄系統(tǒng)應(yīng)該有良 好的氣密性，10分鐘真空降落為1KPa以下，氣密試驗(yàn)完畢泄壓至常壓；C、將捏合好的燃料體系用玻璃棒轉(zhuǎn)移至60mL 一次性注射器（不需要針頭）中，并適當(dāng)壓縮注射器活 塞排除過多空氣，直到有燃料從注射器口擠出。將裝有燃料的注射器放入真空恒溫倉(cāng)中保溫15分鐘

11、以 上，使其溫度達(dá)到35攝氏。D、保溫完畢的注射器取出后，及時(shí)將其針頭插入真空倉(cāng)澆鑄孔，同時(shí)開動(dòng)振動(dòng)器和真空泵。在真空 度達(dá)到-80KPa前需用手拉住注射器活塞，避免藥液過早滴下。E、當(dāng)室內(nèi)真空度達(dá)到-80Kpa以下時(shí)，關(guān)閉真空泵，放開注射器活塞，讓藥液在真空作用下自動(dòng)下落， 這時(shí)可以看見藥液呈條狀連續(xù)滴落進(jìn)模具中，有氣泡的時(shí)候藥條就會(huì)斷裂。而滴入模具中的藥液在振 動(dòng)和重力作用下均勻低沉積在模具底部。在澆鑄過程中可以對(duì)注射器活塞適當(dāng)加壓，提高澆鑄速度。 50g藥量澆鑄時(shí)間為10分鐘內(nèi)為宜。F、澆鑄完畢，繼續(xù)在真空-80Kpa以下保持振動(dòng)器開啟10分鐘，讓燃料充分沉底。之后緩慢泄壓至常 壓。取出

12、振動(dòng)器，拆下藥柱模具送固化步驟。恒溫固化：將澆鑄完畢的藥柱放在恒溫干燥箱中，在150攝氏度1度溫度下進(jìn)行固化。50g藥量需要 固化約1小時(shí)。固化完畢后將模具取出自然冷卻至常溫。固化溫度過高過低均會(huì)影響藥柱成品的抗拉強(qiáng)度， 固化時(shí)間過短會(huì)造成固化不完全，時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)造成部分PVC裂解，甚至引起藥柱變色。固化成功的藥柱 呈淺黃色乳膠狀物，取少量稍用力拉伸會(huì)變成白色，并有一定的彈性，測(cè)定密度應(yīng)該在1.7左右。退模：先邊旋轉(zhuǎn)外圓模具邊抽出加強(qiáng)套，然后稍用力旋轉(zhuǎn)內(nèi)孔陽(yáng)模即可輕松抽出。藥柱端面修整：如果端面有較多的澆鑄毛刺，需要進(jìn)行修剪，修剪方法較多，這里不贅述。我是用車床 加工。保存：制出的7013燃料柱

13、吸濕性極低，可在通常環(huán)境下保存5年之久。RAP高能燃料柱的制作前言：KC的眾多火箭愛好者在制作過硝糖類燃料后，都會(huì)去追求一些高能高比沖的燃料，但是由于制作 工藝缺陷，時(shí)常導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸失敗。此文旨在拋磚引玉，積極探討在業(yè)余條件下如何安全地制作高質(zhì)量 的高能燃料藥柱。個(gè)人能力有限，不足或錯(cuò)漏之處，敬請(qǐng)斧正。在試驗(yàn)過程以及理論分析中，得到壇友 xj198398xujing、lilith以及qix001的傾力指導(dǎo)，尤其是xj198398xujing星空廠長(zhǎng)提供了多年試驗(yàn)RAP得到 的寶貴經(jīng)驗(yàn)，機(jī)械加工得到壇友“拉風(fēng)”鼎力協(xié)助，密度測(cè)定法得到土農(nóng)兄的指點(diǎn)，在此一并感謝！ 本文將以熱固型燃料典型配方RA

14、P（書籍稱M.L.燃料）為實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種燃料比沖均超過200，而且 不含金屬成分，原料容易獲得，業(yè)余條件易于加工。下面分別就RAP燃料的配方及工藝與大家進(jìn)行探討。 RAP燃料：該燃料發(fā)明者不詳，資料較為缺乏。RAP燃料以AP為氧化劑，環(huán)氧樹脂（包含E51環(huán)氧樹 脂、660A環(huán)氧丙烷丁基醚活性稀釋劑、650低分子聚酰胺增韌劑、T31乙二胺酚醛固化劑）為粘接劑構(gòu)成， 理論比沖207,具體燃料特性參數(shù)有待于xj198398xujing的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)得知。該燃料有較高的機(jī)械強(qiáng)度， 不吸潮，原理廉價(jià)易購(gòu)，具有較好燃燒穩(wěn)定性以及良好的點(diǎn)火性能。不失為業(yè)余火箭高能燃料的良好配方。RAP配方：原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)說

15、明AP75.0%氧化劑，化學(xué)純，粒度分布為50目25%，100目50%，200目25%E5112.5%環(huán)氧樹脂主要成分，工業(yè)品，無色粘稠液體660A3.8%環(huán)氧樹脂活性稀釋劑，不揮發(fā)，參與固化反應(yīng)，工業(yè)品，無色稀薄液體6502.5%增韌劑，輔助固化劑，工業(yè)品，淺棕色粘稠糊狀液體T316.2%主固化劑，工業(yè)品，淡棕色稀薄液體RAP燃料柱制作工藝流程：模具清洗及涂抹石蠟脫模劑：將內(nèi)孔陽(yáng)模的外端面和外圓模具內(nèi)壁仔細(xì)清洗，不要留有殘?jiān)?，便于提?后期脫模的靈活性及藥柱光潔度。將模具放入恒溫箱或用其它方法加熱至100攝氏左右，用蠟燭均勻涂抹 在模具上有可能與燃料接觸的地方，涂層厚薄適中，切勿形成淚滴，然

16、后自然冷卻至室溫備用。將模具裝配在振動(dòng)加速沉降器上：由于燃料體系的常溫粘度較大，光靠自重?zé)o法沉降到模具底部。因此 我們使用偏心輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)座，在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)下，獲得水平和垂直兩個(gè)自由度的高頻小振幅機(jī)械振動(dòng)， 使燃料體系加速沉降。裝配過程要盡量保證模具處于鉛垂方向，四個(gè)裝夾螺絲要適當(dāng)用力緊固，避免振動(dòng) 過程中螺絲松動(dòng)而使?jié)茶T半途而廢。可以通過觀察，配合調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速來達(dá)到最佳沉降效果。AP的干燥：AP結(jié)晶在空氣中極易吸潮結(jié)塊，甚至吸濕性高于硅膠，工業(yè)采用表面活性劑處理一層疏水 被覆膜來防結(jié)塊，業(yè)余條件很難達(dá)到這個(gè)效果。因此在使用前必須進(jìn)行充分干燥，比較簡(jiǎn)單的方法是高溫 烘焙。將一定量的AP結(jié)晶

17、平攤放在比較平坦的不銹鋼或玻璃容器內(nèi)，使蒸發(fā)面積增大，然后將容器放置 在恒溫干燥箱中，將溫度控制在95-110攝氏度之間，開啟通風(fēng)孔，使箱內(nèi)空氣在熱梯度作用下自動(dòng)對(duì)流循 環(huán)。50g藥量進(jìn)行約30分鐘的烘焙即可。烘焙過程中，會(huì)有極少量AP分解，釋放出氯化氫氣體，屬于正 ?，F(xiàn)象，可不以理會(huì)。烘焙完畢，結(jié)塊的AP團(tuán)聚物會(huì)自動(dòng)散開，用藥勺輕微攪拌壓散，即可投入粉碎工 序。AP的粉碎和過篩：由于自己合成的AP的粒徑一般在0.5mm左右，不適合用在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中，因此再 使用前有必要對(duì)AP結(jié)晶進(jìn)行粉碎。為提高粉碎效率，保證粉碎過程中不吸入過多水分，這里建議使用旋 風(fēng)式粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎。估計(jì)有人會(huì)質(zhì)疑這種粉碎方

18、式的安全性，但需要指明的一點(diǎn)是，純AP結(jié)晶，在不 混合有機(jī)物等還原劑的情況下，熱感度，撞擊感度和摩擦感度均較低，粉碎過程中幾乎不可能將其引爆， 本人進(jìn)行的百余次試驗(yàn)中，均使用旋風(fēng)粉碎機(jī)粉碎，未發(fā)現(xiàn)異常。粉碎機(jī)宜采用16000轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速， 每次粉碎50g量的話，5分鐘即可接近要求的粒度分布。如粉碎后發(fā)現(xiàn)結(jié)塊，是因?yàn)榫w間隙中存在少量 的水分以及粉碎過程中從空氣中的吸潮，可以不予理會(huì)，但若結(jié)塊嚴(yán)重，需將粉末放置在烘干箱中繼續(xù)烘 干15min左右。直到結(jié)塊散開。如采用研缽粉碎方法，粉碎完畢的AP粉末，須在RH3d)存儲(chǔ)后應(yīng)重新干燥粉碎過篩。圖中是按照40g燃料量計(jì) 算的結(jié)果。E51環(huán)氧樹脂稱量：

19、按照配方的比例，計(jì)算出E51的劑量，用托盤天平或電子天平進(jìn)行稱量后放置在塑 料燒杯中備用。這里建議使用一次性塑料杯子做稱量容器和預(yù)混容器，使用電子天平的去皮功能對(duì)其余原 料進(jìn)行累加稱量。7.660A環(huán)氧活性稀釋劑稱量：使用電子天平的去皮功能，在已經(jīng)稱量好E51的塑料杯中稱量定量的660A。 加入完畢后用玻璃棒迅速攪拌使E51樹脂充分溶解在660A中，靜置片刻待氣泡全部上浮。8.650聚酰胺樹脂稱量：使用電子天平的去皮功能，稱取定量的650，此時(shí)不慌攪拌均勻。避免提前固化。 操作前聚酰胺樹脂的溫度控制在25攝氏左右，否則黏度過大難以滴加。加入稱量好的AP粉末：將預(yù)先稱量好的AP迅速加入步驟6混合

20、物中，并用玻璃棒迅速攪拌，直到混 合均勻，過程中會(huì)有氨氣逸出，屬正常情況。操作溫度控制在25攝氏左右。T31固化劑的稱量及混合：使用電子天平的去皮功能，稱取定量的T31，加入完畢應(yīng)迅速攪拌均勻。11捏合：因?yàn)镽AP燃料常溫下即開始固化反應(yīng)，因此捏合時(shí)間應(yīng)盡量控制在3min以內(nèi)，捏合使用塑料勺 不斷攪拌，翻轉(zhuǎn)擠壓，直到燃料顏色均勻，流動(dòng)性良好未知。模具填裝：將捏合好的藥液用玻璃棒迅速轉(zhuǎn)移到模具中，并適當(dāng)填壓使藥液盡量沉底。真空澆鑄：這個(gè)步驟是整個(gè)燃料柱制作工序中的重中之重，其工藝決定了藥柱成品的氣泡率和密度，直 接影響到燃料柱的內(nèi)彈道特性。真空澆鑄的方法如下：A、監(jiān)測(cè)恒溫真空倉(cāng)氣密性良好后將溫度設(shè)定在25攝氏度，并等待倉(cāng)內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值，此時(shí)燃料體 系呈現(xiàn)較好流動(dòng)性，而且藥液固化速度較慢，延長(zhǎng)操作時(shí)間；B、