本发明涉及燃料添加剂领域。具体地说涉及固冲发动机含硼固体推进剂。
背景技术：
由于硼具有高质量热值、高体积热值、两相流损失小、燃烧分散性好、喷管喉部沉积少、喷射效率高等优异性能，使得含硼贫氧推进剂成为固体火箭冲压发动机的首选燃料。但硼的熔点和沸点较高，难以熔化和气化，同时硼粒子表面包裹着一层难以挥发的致密氧化膜，阻碍氧气与硼内核接触，导致硼在实际应用中存在点火困难，点火温度高，点火延迟时间长等问题。因此，寻找促进硼粒子点火的方法对于含硼推进剂以及固冲发动机的发展与应用有着重要的意义，而加入合适的添加剂是解决上述问题的有效途径。目前常用的促进硼点火的添加剂有镁、铝等金属和LiF、TMP(三羟甲基丙烷)等化合物。其中镁、铝等金属主要起引燃的作用，可先于硼着火并产生大量热量，提高周围环境温度，促进硼的着火。但为了有效的降低硼粒子着火温度，需要较多的金属添加剂(一般不少于硼质量的20％)，这样会降低整个含硼推进剂的潜在热值。同时金属添加剂会消耗一定量的氧气，从而降低含硼贫氧推进剂的有效含氧量，不利于推进剂的燃尽。LiF、TMP等添加剂可与B2O3发生反应，去除硼粒子表面的氧化膜，促进硼粒子的着火。但它们使用时需要经过包覆程序，工艺较复杂且包覆的均匀性和完整性还有待提高。同时LiF等一些包覆材料与B2O3反应的生成物有一定毒性，会对环境造成一定污染。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，利用催化理论改变硼点火时的反应途径，提供一种促进硼粒子点火和燃烧用高效环保添加剂。为解决技术问题，本发明的解决方案是：提供一种固冲发动机含硼固体推进剂，该固体推进剂由质量比为1∶10～100的Bi2O3粉末与硼粉机械掺混而成；其中，Bi2O3粉末是粒径为10～500μm的颗粒。作为优选的方案，该固体推进剂由质量比为12∶0的Bi2O3粉末与硼粉机械掺混而成。Bi2O3掺混比例越高，促进含硼推进剂点火和燃烧的效果越好。但掺混比例在1:20以后，促进效果变缓。因此，推荐掺混比例在1:20，此比例下可使硼粉着火温度降低15.2％，热反应转化率有所提高。作为优选的方案，所述Bi2O3粉末是粒径为10～75μm的颗粒。粒度变细有利于含硼推进剂着火和燃烧性能的改善，但在75μm以下效果相差不大，当粒径大于75μm时，改善效果变缓。因此，推荐Bi2O3的粒度在75μm以下为佳。本发明进一步提供了Bi2O3作为促进硼粒子点火和燃烧的添加剂的应用。与现有技术相比，本发明的有益效果在于是：所需添加剂的量较小(仅为硼粉质量的1％-10％)，与硼粉的混合方式简单，不消耗含硼贫氧推进剂中的氧，添加剂本身高效、环保。附图说明图1原始硼粉和硼+Bi2O3样品的TG-DSC曲线。图中：曲线1为单纯硼粉的热重曲线；曲线2为单纯硼粉的差示扫描量热曲线；曲线3为单纯硼粉的热重曲线；曲线4为单纯硼粉的差示扫描量热曲线；具体实施方式1、具体实施例表1为具体实施例的数据，有关点火试验在NETZSCHSTA449F3型热天平(包括TGA和DSC)上进行，加热速率为20℃/min，实验气氛为空气，流量为40ml/min。实验中，同时使用TGA和DSC方法确定样品的点火温度。表1添加比例和粒径对硼样品点火和燃烧性能改善实验从上表中的数据可以看出，随着Bi2O3添加量的增加，含Bi2O3的硼推进剂样品的点火温度下降，热反应转化率提高，说明了添加Bi2O3是有利于含硼推进剂点火和燃烧性能的改善。但改善的效果和添加的比例并不是呈线性增加的，即在1:20之前(如1:50、1:100)改善效果显著提高，而在1:20之后，如添加比例为1:10时，虽然也能降低点火温度，提高热反应转化率，改善效果没有不明显。这是因为Bi2O3是无热量物质，随着添加比例的进一步提高，会使含硼推进剂单位热值下降，不利于其点火和燃烧。因此，根据实验结果，添加比例在1:20为佳。此外，上表还表明，Bi2O3的粒度变细有利于含硼推进剂样品点火和燃烧性能的改善，但在75μm以下，效果相差不大，当粒径大于75μm时，改善效果有较明显的变差趋势。因此，根据实验结果，Bi2O3的粒度在75μm以下为佳。对比例：本发明的实现原理是：金属氧化物Bi2O3的促进硼粒子点火和燃烧的作用原理为氧传递机理。催化反应过程中，Bi2O3先溶于硼表面的氧化膜并与硼接触被还原成单质金属或低价金属氧化物，接着又被环境中的氧气重新氧化为原先的Bi2O3。所以硼粒子的催化着火机理归结于催化剂生成的中间产物，该物质可充当氧的载体，促进氧传递，达到促进硼点火和燃烧的目的。并不是所有金属氧化物均能降低硼粉的着火温度，并且可以降低硼粉着火温度的金属氧化物的作用效果也各不相同。这与金属氧化物本身的性质有关，具体与金属氧化物与硼反应的速率和中间产物在B2O3液态氧化膜中的扩散速率有关。这也是本发明独具特色的技术创新之处。按Bi2O3和硼粉的质量比为1:20称取硼粉和Bi2O3，Bi2O3和硼粉的粒径分别为10-30μm和15μm左右。将Bi2O3和硼粉置于研钵中，手动研磨10min，使它们均匀混合，即得到含Bi2O3添加剂的高效环保固冲发动机含硼推进剂样品。在NETZSCHSTA449F3型热天平(包括TGA和DSC)上进行，加热速率为20℃/min，实验气氛为空气，流量为40ml/min。实验中，同时使用TGA和DSC方法确定样品的点火温度。为了对比和突出Bi2O3促进硼点火燃烧的效果，还分别实验了不加添加剂的原始硼粒子和添加MgO、CeO2、Fe2O3、CuO和Sb2SnO5的实验结果，实验条件和添加Bi2O3时相同。表2为实验结果。表2不同添加剂使用情况下进行硼样品热重实验得到的特征参数从表2中可以看出，原始硼粉在空气中的点火温度为778.7℃。硼+MgO、硼+CeO2、硼+CuO四种样品的点火温度分别为781.4℃、777.4℃和775.0℃，与原始硼粉的点火温度相差不大；硼+Fe2O3和硼+Sb2SnO5二种样品的点火温度分别为738.8℃和741.2℃，相比于原始硼粉，点火温度分别下降了5.1％和4.8％。说明Fe2O3和Sb2SnO5这二种金属氧化物有一定程度的降低硼粒子的点火温度的效果，而Bi2O3的影响效果非常显著，硼+Bi2O3的点火温度只有660.6℃，比原始硼粒子下降15.2％。同时硼的热反应转化率也是最高的。图1为原始硼粉和硼+Bi2O3样品的TG-DSC曲线，从图中可以看出，相比于原始硼粉的TG-DSC曲线，硼+Bi2O3样品的TG-DSC曲线发生突变的起始温度提前了很多。观察硼+Bi2O3样品的TG曲线，发现样品在500℃时就开始增重，在700℃时，DSC曲线达到峰值，此时放热速率最大。到900℃左右时，TG曲线趋于平稳，这时样品热反应已基本结束。与原始硼粉相比，热反应过程提前约120℃。表明添加Bi2O3能有效地降低硼粉的点火温度，使热反应过程和点火提前。