21世紀(jì)初固體推進(jìn)劑技術(shù)展望

21世紀(jì)初固體推進(jìn)劑技術(shù)展望摘要:：從高能、低特征信號(hào)、能量管理型及含硼富燃料推進(jìn)劑等主要方面綜述了各國(guó)近年來在固體推進(jìn)劑技術(shù)方面的最新進(jìn)展,分析展望了固體推進(jìn)劑技術(shù)21世紀(jì)初發(fā)展的趨勢(shì)及主要技術(shù)方向,并提出了預(yù)測(cè)性的看法。關(guān)鍵詞：固體推進(jìn)劑;高能推進(jìn)劑;低特征信號(hào)推進(jìn)劑;能量管理型推進(jìn)劑;含硼富燃料推進(jìn)劑;高能量密度材料;述評(píng)1引言在化學(xué)推進(jìn)劑領(lǐng)域的一些觀念上,HMX等一些高能炸藥在推進(jìn)劑中的廣泛應(yīng)用,已經(jīng)模糊了火藥與炸藥的界限;KlagerK博士于20世紀(jì)80年代提出的“高能交聯(lián)推進(jìn)劑”的新概念,促進(jìn)了雙基(均質(zhì))與復(fù)合推進(jìn)劑的結(jié)合,推出了NEPE等新一代高能推進(jìn)劑;膏狀推進(jìn)劑(或凝膠推進(jìn)劑)的出現(xiàn),則可能進(jìn)一步打破固體與液體推進(jìn)劑的現(xiàn)狀分界,推出一個(gè)全新的品種。21世紀(jì)初固體推進(jìn)劑發(fā)展方向,是各國(guó)專家們預(yù)測(cè)的一個(gè)熱點(diǎn)。從80年代以來,先后有KlagerK,QuentinD,DavenasA等中外學(xué)者在總結(jié)了固體推進(jìn)劑發(fā)展歷程、現(xiàn)有水平的基礎(chǔ)上,預(yù)測(cè)了未來的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)依據(jù)近年來一些最新研制動(dòng)態(tài)及進(jìn)展,作進(jìn)一步的分析、闡述與展望。2高能推進(jìn)劑提高能量始終是固體推進(jìn)劑研制發(fā)展的主要目標(biāo)。在高能化的進(jìn)程中,從單一著眼能量到注重以能量為主的綜合性能指標(biāo);從單一著眼比沖到注重密度比沖,都標(biāo)志著高能化技術(shù)的日趨成熟與提高。2.1進(jìn)展(1)為了提高能量,HTPB推進(jìn)劑固體含量提高到90%,加入硝胺炸藥HMX,在俄國(guó)還把HTPB+ADN推進(jìn)劑用于地下井發(fā)射的白楊2M戰(zhàn)略導(dǎo)彈第三級(jí);NEPE推進(jìn)劑,在美國(guó)已先后用于MX、三叉戟Ⅱ、侏儒等戰(zhàn)略導(dǎo)彈及某些戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。為了提高能量,還在進(jìn)行提高固體含量、提高比沖效率等方面的研究;GAP推進(jìn)劑為目前作為高能、低特征信號(hào)、鈍感推進(jìn)劑的最佳品種,而倍受關(guān)注。美國(guó)擬于2001年將GAP推進(jìn)劑用于高性能低特征信號(hào)的空對(duì)空導(dǎo)彈、潔凈助推器裝藥及113級(jí)微煙推進(jìn)劑中。(2)近年來高能量密度材料(HEDM)推進(jìn)劑成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。美國(guó)科學(xué)家1987年首先合成出來的CL220(六硝基六氮雜異伍茲烷、HNIW)等高能化合物先后披露出來,引起各國(guó)同行們的注意,并先后進(jìn)行了合成及在推進(jìn)劑中使用性能的研究。據(jù)報(bào)道,美已建立了每批200kg的中試裝置,法國(guó)也能以每批20kg～25kg規(guī)模合成。美、法等國(guó)主要將CL220用于高能低特征信號(hào)推進(jìn)劑、槍炮推進(jìn)劑和高能炸藥。據(jù)美國(guó)國(guó)防部1997年關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃要求,近期(1～2年)CL220推進(jìn)劑比沖達(dá)到2430,中期(3～5年)比沖達(dá)到2665。(3)20多年前,由前蘇聯(lián)澤林斯基有機(jī)化學(xué)研究所首先合成出來的ADN(二硝酰胺銨)較晚才披露于世。俄致力于ADN的研制與使用,ADN推進(jìn)劑已用于部份空對(duì)空導(dǎo)彈及SS224、SS227TOPOL2M(白楊2M)機(jī)動(dòng)型洲際導(dǎo)彈第三級(jí)等型號(hào)。使用40%的ADN,可將比沖提高約100。ADN用于低特征信號(hào)推進(jìn)劑,可將比沖提高7%;用于含鋁推進(jìn)劑,可將比沖提高10%。近年來,也一直有俄專家關(guān)于ADN的研究報(bào)告。西方專家對(duì)ADN也表現(xiàn)了極大興趣。有報(bào)告報(bào)道,在HTPB,AP,Al推進(jìn)劑中,使用ADN,可使比沖提高100左右。認(rèn)為現(xiàn)在最不明確的是含ADN推進(jìn)劑的安全等級(jí)。美國(guó)、法國(guó)等都非常重視這種新型氧化劑,并已開展了ADN性能的評(píng)估工作。(4)荷蘭研究較多的是(硝仿肼,),密度比ADN高,熱值也高,與聚丁二烯或GAP配合,均可得到高的體積能量特性。缺點(diǎn)是高感度、相容性差。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),是HNF中含少量雜質(zhì)所致。改善制造工藝,提高純度后,其感度及相容性可得到明顯改善。俄國(guó)除了ADN推進(jìn)劑,還對(duì)AlH3推進(jìn)劑進(jìn)行了研究。據(jù)說AlH3+AP已用于型號(hào),比沖大約可達(dá)2600。俄國(guó)對(duì)也進(jìn)行過可容性、燃燒穩(wěn)定性以及球形化工藝等方面的研究。2.2展望(1)新一代武器裝備普遍提出了增大射程、提高飛行速度和突防能力、提高能量管理水平以及降低成本、保護(hù)環(huán)境等新要求。1998年北約的導(dǎo)彈技術(shù)會(huì)議,對(duì)未來戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)的要求可以歸納為:提高能量、超高速飛行、低特征信號(hào)等,其中的核心問題是能量性能。美國(guó)國(guó)防部最近發(fā)表的防衛(wèi)計(jì)劃關(guān)于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈推進(jìn)的項(xiàng)目中,重點(diǎn)也是放在提高能量特性上。該計(jì)劃到2003年預(yù)算撥款5360萬美元,平均每年900萬美元。具體的能量性能增益指標(biāo)如表1。(2)提高能量的主要技術(shù)途徑為采用含能粘合劑、高能氧化劑、含能增塑劑、含能固化劑和其它一些高能組分。在含能粘合劑方面有,,,基等化合物,其中值得注意的,基新型化合物有兩例。其一為聚雙(1,32氧雜丙基)2雙(2,22二硝酸酯基甲基)21,32丙二酸酯：其氧含量高達(dá)62%,基礎(chǔ)配方比沖計(jì)算值2570N·s/kg(較GAP高出約100)。另一例聚縮水甘油硝酸酯(PGN)：基化合物有GAP,AMMO,BAMO,B2GAP等。類化合物中,二氟胺類粘合劑(以及二氟胺氧化劑)具有極高的密度比沖潛力,應(yīng)是一個(gè)重要的研究類別。如3,32雙二氟胺氧雜環(huán)丁烷。在高能氧化劑方面表2列出了一些氧化劑的能量性能,可以看出,高能氧化劑的研究途徑主要有二,一是ADN(KDN)、HNF、CL220等的合成及應(yīng)用研究;另一是氟及其衍生物、大環(huán)呋喃系列等新型化合物的合成及應(yīng)用研究。(3)高能推進(jìn)劑性能比較見表3。3低特征信號(hào)推進(jìn)劑3.1進(jìn)展低特征信號(hào)是指發(fā)動(dòng)機(jī)排氣羽煙(一次煙和二次煙)、二次燃燒火焰(可見光、紅外、紫外)等的輻射特征信號(hào)較低,因此對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)信號(hào)衰減低、導(dǎo)彈不易被敵方探測(cè)、識(shí)別和攔截。80年代以來,美國(guó)強(qiáng)調(diào)武器應(yīng)具備隱身性能,要求推進(jìn)劑無煙、無焰,于是把低特征信號(hào)作為21世紀(jì)戰(zhàn)術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要方向。美、法、英、德四國(guó)達(dá)成了發(fā)展高能、低特征信號(hào)、鈍感推進(jìn)劑技術(shù)協(xié)議。在美國(guó)近、中、遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃中,比沖為2255～2451的低特征信號(hào)(及鈍感)推進(jìn)劑,列為主要目標(biāo)。英國(guó)利用二次燃燒抑制技術(shù),可以使推力為2～12的固體發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外、紫外、或可見光輻射減少了90%以上,激光透過率提高27%,微波衰減從10dB減低到零。北約宣布,2000年后使用的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈全部使用微煙低特征信號(hào)推進(jìn)劑。3.2展望預(yù)計(jì)NEPE和GAP類推進(jìn)劑將是21世紀(jì)初高能低特征信號(hào)推進(jìn)劑的研制使用的重點(diǎn)。法國(guó)提出的計(jì)劃是1998年實(shí)現(xiàn)GAP2CL220推進(jìn)劑,2001年實(shí)現(xiàn)GAP+ADN推進(jìn)劑,含能粘合劑+硝基立方烷類推進(jìn)劑在2010年后實(shí)現(xiàn)。近期美國(guó)在高能、少煙潔凈型新品種推進(jìn)劑研制方面作了不少工作。粘合劑是含能聚合物———聚縮水甘油硝酸酯(Polyglycidylnitrate,PGN)。PGN的官能度近于或大于2,羥基當(dāng)量為1200～1700,環(huán)狀低聚物小于2%～5%。PGN推進(jìn)劑中金屬燃料為Al,Mg或B的混合物,氧化劑主要是AN,也可用HMX、RDX或CL220。固體組份為60%～85%。固體含量在65%～75%時(shí),其能量水平與大型運(yùn)載火箭用HTPB推進(jìn)劑水平相當(dāng)(見表4)。配方中加入少量B有利于提高燃速,降低燃速壓強(qiáng)指數(shù)。低特征信號(hào)推進(jìn)劑要求將鈍感和低特征信號(hào)綜合考慮,主要技術(shù)途徑有:(1)低感度含能粘合劑和增塑劑,如GAP,PGN等含能粘合劑或熱塑性彈性體等組成推進(jìn)劑。(2)新型高能氧化劑,如ADN,CL220等。(3)用相穩(wěn)定硝酸銨氧化劑(如PSAN)取代AP,HMX,研制NEPE/PSAN,GAP/PSAN/RDX等推進(jìn)劑。(4)ADN簡(jiǎn)化工藝,降低價(jià)格。(5)HNF提高純度,降低感度。4特種推進(jìn)劑4.1含硼富燃料推進(jìn)劑(1)固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展,推動(dòng)了富燃料推進(jìn)劑的研究。硼推進(jìn)劑以HTPB25%,AP25%,燃料50%的基礎(chǔ)配方計(jì)算,則無論是,還是,能量性能都是最高的,有希望使固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖超過10。硼推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物潔凈,適用于整體級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。但在實(shí)際應(yīng)用中,硼推進(jìn)劑又存在著點(diǎn)火性能差、燃燒效率低等問題,影響了使用。這正是硼推進(jìn)劑當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。(2)固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)使用的高硼含量推進(jìn)劑,美、法、德等都有研究報(bào)道,認(rèn)為硼推進(jìn)劑具有高比沖10159、高密度比沖,在端面燃燒藥柱中有好的工藝性能,在較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的力學(xué)性能。硼含量約在25%～65%,最佳值約為40%,主要性能見表5。(3)國(guó)外含硼推進(jìn)劑以用于固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究報(bào)導(dǎo)為主。美國(guó)已于1994年申請(qǐng)了有關(guān)發(fā)明的專利。據(jù)報(bào)道,德國(guó)空軍BVRAAM導(dǎo)彈已應(yīng)用了低容積高比沖的含硼推進(jìn)劑。另外也有用于整體級(jí)(MIST)的研究報(bào)道。4.2能量管理型推進(jìn)劑能量管理型推進(jìn)劑技術(shù)是指合理分配全彈道的能量,減少損失,以提高導(dǎo)彈射程或攻擊速度,或?qū)崿F(xiàn)在有動(dòng)力條件下攻擊目標(biāo)。能量管理將是下一代固體發(fā)動(dòng)機(jī)的重點(diǎn)預(yù)研課題。通常是要求在起飛后有一段低推力或自由飛行,在臨近目標(biāo)時(shí)再加速,這樣可以明顯提高導(dǎo)彈可用過載,增大射程。空對(duì)空導(dǎo)彈采用能量管理,可提高射程25%,或使彈頭增大一倍。預(yù)計(jì)下一代導(dǎo)彈將大量采用這一技術(shù)。能量管理型推進(jìn)劑,目前世界各國(guó)采用的技術(shù)途徑不盡一致,所以稱謂也不一樣?，F(xiàn)在使用的名字主要有:凝膠(或膠凝)推進(jìn)劑(Gelledpropel2lants),膏狀推進(jìn)劑(Pastypropellants)等。凝膠推進(jìn)劑是化學(xué)推進(jìn)劑領(lǐng)域中的一種新型推進(jìn)劑,它兼?zhèn)淞艘后w和固體推進(jìn)劑的諸多優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了固體發(fā)動(dòng)機(jī)推力可調(diào)、能量管理和鈍感的特性。美國(guó)1997財(cái)年“國(guó)防技術(shù)領(lǐng)域計(jì)劃”中重點(diǎn)提出了近期研制凝膠推進(jìn)劑并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能論證的計(jì)劃。美國(guó)航空噴氣公司的凝膠推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī),準(zhǔn)備用于星球大戰(zhàn)計(jì)劃中的GPALSD的地基攔截導(dǎo)彈。凝膠推進(jìn)劑使導(dǎo)彈性能和可靠性提高,導(dǎo)彈更加靈活,射程提高。實(shí)驗(yàn)表明,采用凝膠推進(jìn)劑的長(zhǎng)矛導(dǎo)彈是使用液體推進(jìn)劑射程的兩倍。據(jù)報(bào)道,1999年3月美國(guó)對(duì)TRW公司制造的、使用凝膠推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)。導(dǎo)彈發(fā)射后飛行了8km,在51s的飛行過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火5次。飛行試驗(yàn)獲得成功。前蘇聯(lián)及烏克蘭研制膏狀推進(jìn)劑已有20多年的歷史了。KukushkinVH教授等近來披露了前蘇聯(lián)使用膏狀推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(Pastypropellantrocketen2gines,簡(jiǎn)稱PPRE)的太空飛船標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果。他們不僅研制出了成熟的膏狀推進(jìn)劑(粘度2000Pa·s),而且采用直徑200mm發(fā)