固体火箭发动机(使用固体推进剂作为燃料的火箭发动机)

2023-08-29 28阅读

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固体火箭发动机

使用固体推进剂作为燃料的火箭发动机

固体火箭发动机(Solid propellant rocket engine)使用固体推进剂的化学火箭发动机。又称固体推进剂火箭发动机。固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧,化学能转化为热能,生产高温高压的燃烧产物。燃烧产物流经喷管,在其中膨胀加速,热能转变为动能,以高速从喷管排出而产生推力。固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。

中文名 固体火箭发动机
英文名 Solid propellant rocket engine
属于 化学火箭发动机
承受温度 2500~4000度

简介

固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成。药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体(中空部分为燃烧面,其横截面形状有圆形、星形等)。药柱置于燃烧室(一般即为发动机壳体)中。在推进剂燃烧时,燃烧室须承受2500~3500度的高温和102~2×107帕的高压力,所以须用高强度合金钢、钛合金或复合材料制造,并在药柱与燃烧内壁间装备隔热衬。

点火装置用于点燃药柱,通常由电发火管和火药盒(装黑火药或烟火剂)组成。通电后由电热丝点燃黑火药,再由黑火药点火燃药柱。

喷管除使燃气膨胀加速产生推力外,为了控制推力方向,常与推力向量控制系统组成喷管组件。该系统能改变燃气喷射角度,从而实现推力方向的改变。

药柱燃烧完毕,发动机便停止工作。

固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较,工作时间短,加速度大导致推力不易控制,重复起动困难,从而不利于载人飞行。

固体火箭发动机主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机,以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。

组成

固体火箭发动机主要由壳体、固体推进剂、喷管组件、点火装置等四部分组成,其中固体推进剂配方及成型工艺、喷管设计及采用材料与制造工艺、壳体材料及制造工艺是最为关键的环节,直接影响固体发动机的性能。

固体推进剂配方各种组分的混合物可以用压伸成型工艺预制成药柱再装填到壳体内,也可以直接在壳体内进行贴壁浇铸。壳体直接用作燃烧室。喷管用于超音速排出燃气,产生推力;喷管组件还要有推力矢量控制(TVC)系统来控制导弹的飞行姿势。点火装置在点火指令控制下解除安全保险并点燃发火药产生高温高压火焰用于点燃壳体内的推进剂。

原理

固体火箭发动机属于化学火箭发动机,用固态物质(能源和工质)作为推进剂。固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧,产生高温高压的燃气,即把化学能转化为热能;燃气经喷管膨胀加速,热能转化为动能,以极高的速度从喷管排出从而产生推力推动导弹向前飞行。

固体推进剂

固体推进剂是由氧化剂、燃料(可燃剂)和其他添加剂组成的固态混合物,按配方组分性质可分为单基推进剂、双基推进剂、复合推进剂、改性双基推进剂等;按质地的均匀性分为均质推进剂(如单基、双基推进剂)和异质推进剂(如复合推进剂和改性双基推进剂);按能量水平分为高能、中能、低能推进剂,比冲大于2450牛·秒/千克(即250秒)为高能,2255牛·秒/千克(即230秒)到2450牛·秒/千克为中能,小于2255牛·秒/千克为低能;按特征信号分为有烟、微烟、无烟推进剂。

固体推进剂分类单基推进剂Simple Base propellant由单一化合物(如硝化纤维素,即硝化棉,简称NC)组成,它的分子结构中包含可燃剂和氧化剂,溶于挥发性溶剂中,经过膨润、塑化、压伸成型,除去溶剂即可。单基推进剂由于能量水平太低,现代固体发动机不再使用。

双基推进剂

Double Base Propellant理论比冲为170~220秒(1660~2150牛·秒/千克),密度1.55~1.65克/立方厘米。危险等级1.3级。双基推进剂主要由硝化纤维素、硝化甘油(NG)和一些添加剂组成,两种主要成分的分子结构中都含有可燃剂和氧化剂。

硝化纤维部分溶于硝化甘油,加入挥发性或不挥发溶剂及其它添加剂,经溶解塑化,成为均相物体,使用压伸成型(或称挤压成型)工艺即可制成不同形状药柱。双基推进剂的优点是药柱质地均匀,结构均匀,再现性好;良好的燃烧性能,燃烧速度压力很小;工艺性能好;具有低特征信号,排气少烟或无烟;常温下有较好的安定性、力学性能和抗老化性能;原料来源广泛,经济性好。缺点是能量水平和密度偏低,高、低温下力学性能变差。双基推进剂主要用于小型固体燃气发生器。

复合推进剂

Composite Propellant理论比冲为225~265秒(2200~2600牛·秒/千克),密度1.65~1.80克/立方厘米。危险等级1.3级。复合推进剂使用单独的可燃剂和氧化剂材料,以液态高分子聚合物粘合剂作为燃料,添加结晶状的氧化剂固体填料和其它添加剂,融合凝固成多相物体。

为提高能量和密度还可加入一些粉末状轻金属材料作为可燃剂,如铝粉(Al)。复合推进剂通常以粘合剂的化学名称来命名。氧化剂通常占推进剂总重量的60~90%,许多无机化学品可作为氧化剂,如高氯酸盐类(高氯酸钾、高氯酸胺、高氯酸锂),硝酸酯类(硝酸胺、硝酸钾、,硝酸钠),现在使用最多的是含氧量较高的高氯酸胺(AP,又称过氯酸胺)。高分子聚合物既用作可燃剂又作为粘合剂,常用的有聚硫橡胶、聚氨酯(PU)、聚丁二烯-丙烯腈(PBAN)、端羧基聚丁二烯(CTPB)、端羟基聚丁二烯(HTPB)、端羟基聚醚(HTPE)、聚氯乙烯等类。

其他添加剂一般有:调节燃烧速度的燃速调节剂;改善燃烧性能的燃烧稳定剂;比用基本的粘合剂更好地改善力学性能的增塑剂;降低机械感度的安定剂;改善储存性能的防老化剂;改善工艺性能的稀释剂、润湿剂、固化剂和固化催化剂等类。除具有热塑性的聚乙烯类推进剂可使用压伸成型工艺外,一般都使用浇铸法制造,工艺简单,适宜于制造各种尺寸的药柱。

复合推进剂综合性能良好,使用温度范围较宽,能量较高,力学性能较好,广泛用于各种类型的固体火箭发动机,尤其是大型火箭发动机。1942年美国研制出了沥青高氯酸钾复合推进剂,40年代末出现了第一代复合推进剂聚硫橡胶推进剂,现在常用的有PBAN和HTPB推进剂。

民兵3和航天飞机固体助推器采用PBAN推进剂,“和平卫士”MX的一、二级使用HTPB推进剂,法国的M4使用CTPB推进剂,我国的巨浪-1也使用了CTPB复合推进剂。改性双基推进剂包括复合改性双基推进剂(CMDB)和交联改性双基推进剂(简称XLDB)两类。理论比冲为260~270秒(2550~2646牛·秒/千克),密度1.75~1.80克/立方厘米。危险等级1.1级。在双基推进剂的基础上大幅降低基本组分硝化纤维素和硝化甘油的比例,加入高能量固体组分,包括氧化剂(高氯酸胺AP,高能炸药黑索金[RDX]或奥克托金[HMX]等)和可燃剂(铝粉等)。

硝化纤维素(含氮量12%左右)被硝化甘油塑化作为粘合剂,或是硝化纤维素和硝化甘油双基母体作粘合剂,硝化甘油还作为增塑剂,再加入一些添加剂,混合后使用压伸成型或浇铸成型工艺制成药柱,这就是复合改性双基推进剂(CMDB)。

在CMDB配方基础上加入高分子化合物作为交联剂,它内含的活性基团与硝化纤维素上残留(未酯化)的羟基发生化学反应生成预聚物,预聚物的大分子主链间生成化学键,交联成网状结构,预聚物作为粘合剂可以大幅改善推进剂的力学性能,这类推进剂就被称为交联改性双基推进剂(XLDB)。

主要交联剂有异氰酸酯(如六亚甲基二异氰酸酯HDI、甲苯二异氰酸酯TDI)、聚酯(如聚乙交酯PGA)、聚氨酯(如聚乙二醇PEG)、端羟基聚丁二烯、丙烯酸酯等。改性双基推进剂的能量水平高于复合推进剂,广泛用于各种战略、战术导弹。美国的“三叉戟C4”潜射战略导弹的所有三级发动机都使用了XLDB推进剂,称为XLDB-70,它的配方中固体填料达到70%(其中43%HMX/8%AP/19%Al),理论比冲2646牛·秒/千克。

我国固体火箭发动机发展

启航:闯出固体动力一番天地

1966年6月6日,按照“调整一线,建设三线”重大决策,七机部批准四院7416工程代号,组建蓝田基地十六号工程筹建处,7416厂由此正式诞生。7416厂创业者们,开始了固体火箭发动机自主创新发展之路。

从1966年第一批选点队员来组建“063工程”第二筹建处,到1974年5月小型发动机装药线的建成,7416厂历经8年时间的建设,使新中国第一座规模最大的固体火箭发动机装药总装厂,在群山掩映下,巍然矗立起来。

随后,关于7416厂建设好消息纷至沓来:1984年春,7416厂建厂以来首次承担的国家重点型号任务远地点发动机,成功将我国东方红二号通信卫星送入预定轨道。作为承担卫星远地点发动机研制生产单位,7416厂荣获陕西省科学大会成果奖,该发动机获得国家质量金奖殊荣。

在历次阅兵中,7416厂参与研制生产的型号产品盛装亮相,再次向世界展示了维护国家主权与领土完整的决心和实力……7416厂事业发展突飞猛进,凝聚起高质量发展的强大动力,这不仅得益于一群为固体动力事业默默耕耘和奉献的“孺子牛”“拓荒牛”“老黄牛”,更得益于社会各级对7416厂的全力支持。

创新:在不断超越中奋力前行

面对国家安全需求的新变化,既要敢于亮剑,也要重视铸剑。7416厂聚焦主责主业,从零开始到第一次跨越用了30年,到第二次跨越用了12年,到第三次跨越用了不到4年的时间,而第四次跨越仅用了10个月时间。跨越的背后,是该厂连续多年深入推进高效科研生产新体系建设取得的扎实成效,科研生产的效率、效能、自动化水平和安全质量保证能力也都得到大幅提升。

2005年,7416厂完成了三线调迁,在西安近郊建成了我国规模最大的装药总装生产厂区。新生产线不仅在工艺上了一个新台阶,还研制出一批具有突出技术进步点的装药专用设备,引进一批具有国际先进水平的高、新、精、尖仪器设备,形成立式化、连续化、机械化和数控化生产线,使研制水平、批生产能力全面提升,体现了国内同行业先进水平,满足了航天战略发展需要,也为工厂建立可持续发展平台。

2020年11月2日,国内最大的整体式固体火箭发动机在7416厂新的生产工房完成装药,与之匹配的是国内最大的固体推进剂浇注系统。两个“国内最大”的叠加并非偶然,是不断在刷新自我中奋力前行,是55年来始终坚持走自主创新之路。特别是“十三五”以来,加大自主研发投入力度,重大创新项目竞相涌现,在一些前沿领域进入并跑、领跑阶段,实现了大型固体运载分段发动机精准对接、精确控制、精细绝热等专业技术,参与研制国内最大的分段式固体火箭发动机试车成功,极大提升了固体火箭发动机装药总装工艺技术水平。

一项项独立自主设计,都代表着固体动力装药行业的先进水平,体现出了“创新与制造”的独特力量。通过坚持问题导向、攻坚克难,攻关多项重大瓶颈工艺技术,工艺保障能力显著提升。以型号研制生产任务为背景,承担并完成了7项集团公司重大、共性工艺研究项目,解决型号研制关键重大工艺瓶颈,为工厂跨越式增长夯实技术基础。

55年来,7416厂先后获得技术专利334项,获得国家和省部级科技成果奖百余项,“高能装药线新工艺技术研究及实践”获2010年度国家科学技术进步二等奖,累计获得国家和省部级科技进步奖百余项。

改革:全力推动产业高质量发展

在55年的发展历程中,7416厂紧跟国企改革的步伐,在提质增效中激流勇进。不断壮大主营主业项目,探索实践事业部管理模式运行管理机制。比如聚焦核心优势领域,集中优势资源,推动精细化工、高性能薄膜材料和固体推进剂综合应用等主导产业领域,实现窗膜项目、高性能挠性覆铜板项目等主营业务板块规模和效益同步跨越。目前,高性能窗膜材料已成为其航天技术应用产业的一张名片,让山由窗膜“飞入寻常百姓家”。

这些年,7416厂航天技术应用产业获得一个个“国字号”荣誉:中国行业十大诚信品牌、中国十大玻璃窗膜、中国防爆膜十大品牌、国际窗膜协会全球第九家制造商会员……并通过加速新旧动能转化,全力推动产业高质量发展。

参考资料

1.打造一流固体火箭发动机·人民网

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