一种含高氮化合物的固体燃料

1.本发明总体地涉固体推进剂领域，具体涉及一种含有高氮化合物的固体燃料。


背景技术：

2.固液混合火箭发动机一般采用固体燃料和液体氧化剂，是介于液体和固体火箭发动机之间的一种推进系统。控制液态氧化剂的流量，达到调节发动机推力的目的。由于氧化剂和燃料分开贮存，固液混合火箭发动机具有安全性高、推力可调节和燃烧稳定性高等优点。可应用于探空火箭、小型运载火箭、靶标与导弹、亚轨道飞行器及载人飞船、助推器及上面级和姿轨控等系统的动力装置，应用前景十分广泛。在固液混合发动机中，由于氧化剂为液态，通过管道输入的氧化剂一般远离固体燃料的燃烧表面，因此燃烧反应生成的热对固体燃料的热反馈较少，固体燃料组分的热分解速率较慢，从而影响了燃面退移速率。
3.固体燃料中常使用端羟基聚丁二烯(htpb)或石蜡为基体，htpb作为基体的固体燃料力学性能好，但htpb基体熔化后粘度大，不易快速热分解，燃料燃面退移速率低，一般1mm
·
s-1
左右。石蜡熔点低，粘度小，石蜡基固体燃料的燃面退移速率比htpb快，但石蜡基固体燃料的力学性能差。htpb和石蜡为基体的固体燃料均不能在低氧含量环境下自持燃烧，导致热分解必须全部依靠燃面的热反馈，也是制约燃烧性能的原因之一。
4.目前固体推进剂领域广泛使用的固体燃料配方中，都含有一定量的氧化剂，来增加固体燃料的燃面退移速率，提高燃烧性能，但氧化剂含量少不能起到效果，氧化剂含量增加又会导致推进剂感度增加，相比不含氧化剂配方，安全风险成倍增加。


技术实现要素：

5.为解决现有固体燃料中存在的燃烧性能差，燃面退移速率低的问题，提供了一种含高氮化合物的固体燃料。
6.本发明的固体燃料采用高氮化合物为主要燃料，不含氧化剂，可在无氧环境下自持燃烧，燃速快，燃烧性能好。
7.本发明的技术方案是，以固体燃料总质量为100％计算，一种含高氮化合物的固体燃料中各组分的质量百分含量为：
8.燃料：50％～70％；
9.金属粉：10％～25％
10.粘合剂：10％～18％；
11.增塑剂：8％～12％；
12.固化剂：0.5％～1％；
13.交联剂：0.05％～0.1％，
14.其中燃料为高氮化合物，包括三氨基胍硝酸盐(tagn)、硝酸胍(gn)、偶氮四唑三氨基胍盐(tagzt)、7-(1氢-1,2,4-三唑-3氨基)-4,6-二硝基苯并氧化呋咱(tadnb)、3,6-双(1氢-1,2,3,4-四唑-5-氨基)-1,2,4,5-四嗪(btatz)、3,3-二氨基偶氮呋咱(daoaf)、四嗪并
四唑化合物(attz)、偶氮四唑铵盐(azt)的一种或两种以上的混合物。
15.进一步的，上述金属粉为铝粉(al)、硼粉(b)、镁粉(mg)，以及以这三种金属为主要基体制备的合金粉，铝-锂，铝-锂-镁、铝-锂-锌、铝-硼的铝基合金，硼-钛、硼-锆、硼-钴、硼-镁、硼-铝、硼-钛的硼基合金，镁-锌、镁-铝、镁-硼、镁-锆、镁-钴的镁基合金，这些金属粉中的一种或组合。
16.进一步的，上述粘合剂为聚叠氮缩水甘油醚(gap)、3,3-双叠氮甲基氧丁烷与四氢呋喃共聚物(pbt)、环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚(pet)、聚3-硝酸酯甲基-3-甲基氧杂环丁烷(pnmmo)、聚3-叠氮甲基-3-甲基环氧丁烷(pammo)、聚3,3-双叠氮甲基氧杂环丁烷(pbamo)中的一种或组合。
17.进一步的，上述增塑剂为2,2-二硝基丙醇缩甲醛与2,2-二硝基丙醇缩乙醛的等质量比混合物(a3)、邻苯二甲酸二丁酯(dbp)、n-丁基硝氧乙基硝胺(bu-nena)、三羟甲基乙烷三硝酸酯(tmetn)、癸二酸二辛脂(dos)中的一种或组合。
18.进一步的，上述固化剂为甲苯二异氰酸酯(tdi)、异佛尔酮二异氰酸酯(ipdi)、二苯甲基二异氰酸酯(ddi)、二苯甲烷二异氰酸酯(mdi)、六亚甲基二异氰酸酯(hdi)中的一种或组合。
19.进一步的，上述交联剂为(mapo)、甘油(gp)、三羟甲基丙烷(tmp)、季戊四醇、蓖麻油中的一种或组合。
20.本发明针对固体燃料燃面退移速率慢，燃烧性能差等问题，采用高氮化合物为主要燃料，配方中完全不含氧化剂，但能够在无氧环境下自持燃烧，燃烧性能好。
21.相比于现有技术，本发明具有的优点在于：
22.1)本发明以高氮化合物为燃料，自持燃烧产物为n2、h2等小分子物质，低分子量燃烧产物有利于提高发动机的比冲；
23.2)本发明固体燃料的燃面退移速率快，可以快速燃烧产生富燃气体，其中的富燃气体指的是富燃料气体，主要是含碳、氢元素的可以在氧化性环境下进一步燃烧的中间态或终态产物，如h2、ch4、c2h2、ch等；
24.3)本发明固体燃料燃烧性能好，能够在无氧环境下自持燃烧；
25.4)本发明固体燃料不含有氧化剂，导致其安全性好，撞击感度和摩擦感度极低。
26.本发明针对固体燃料燃面退移速率慢，燃烧性能差等问题，采用高氮化合物作为主要燃料，制备了一种新型固体燃料。该固体燃料中，不含有氧化剂，撞击感度均为0％，安全性能高，固体燃料能够在惰性气体下燃烧，自身燃烧热量可以促进热分解速率，燃烧性能好。燃料为高氮化合物，自持燃烧产物为h2、n2、h2o等小分子易燃物质，能快速提供富燃气体，更容易与输入的氧化剂充分混合，促进燃烧提供更高的比冲。燃料中不含氯元素，特征信号低，对环境友好，能作为绿色特种燃料，为固体燃料提供了一条新思路，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
27.为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
28.实施例1
29.(1)推进剂组成
[0030][0031]
(2)推进剂性能
[0032][0033]
实施例2
[0034]
(1)推进剂组成
[0035][0036]
(2)推进剂性能
[0037][0038]
实施例3
[0039]
(1)推进剂组成
[0040][0041]
(2)推进剂性能
[0042]
[0043]
从实施例1-3可以看出，改变固体燃料中燃料与金属粉比例，6mpa下，固体燃料均能在惰性气体下燃烧，燃烧性能较好，燃速均在6mm/s以上。增加燃料含量可以提高推进剂燃面退移速率，增加燃烧效率。
[0044]
实施例4
[0045]
(1)推进剂组成
[0046][0047]
(2)推进剂性能
[0048][0049]
实施例5
[0050]
(1)推进剂组成
[0051][0052]
(2)推进剂性能
[0053][0054]
实施例6
[0055]
(1)推进剂组成
[0056][0057]
(2)推进剂性能
[0058]
[0059]
从实施例3-6可以看出，在金属粉中添加更为活泼的元素，形成燃烧性能较好的合金粉，可以提高固体燃料的燃面退移速率，增加自持燃烧效率。
[0060]
对比例1
[0061]
(1)推进剂组成
[0062][0063]
(2)推进剂性能
[0064]
性能测试结果惰性气体下燃烧不能燃烧燃烧热，j/g-12031(落高25cm，落锤2kg)撞击感度，％31(摆锤角度66
°
，压力2.45mpa)摩擦感度，％89
[0065]
从实施例3和对比例1可以看出，本发明中的固体燃料可以在惰性气氛下自持燃烧，具有很好的燃烧性能。
[0066]
对比例2
[0067]
(1)推进剂组成
[0068][0069]
(2)推进剂性能
[0070]
[0071]
从实施例1-3和对比例2可以看出，金属粉含量过高、燃料含量过低将导致al在燃烧过程中无法从燃面脱离，形成al骨架，而导致推进剂只存在热分解过程，无法燃烧，残渣率高。
[0072]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。