火箭推进剂技术发展前沿

燃烧可控固体推进剂技术是指燃烧方式可控、燃速可调的先进固体推进剂配方设计及装药技术,可根据智能武器、精确打击弹药、动能拦截弹等武器系统的实际需要完成点燃或熄火的自主控制。

燃烧可控固体推进剂技术目前主要有两类:一类是加入表面活性剂的燃烧可控固体推进剂;另一类是电压控制的燃烧可控固体推进剂。前者的原理是:在配方中加入优选表面活性剂实现配方优化,使固体推进剂在所需压力范围内具有熄火、再次点燃的功能,从而实现推进剂药柱燃烧或熄火的选择性与可控性。后者的原理是,在固体推进剂药柱内放置一根或多根电极,通电后药柱即被点燃,断电后药柱则立即熄灭;还可以通过调节电极的电压来控制推进剂的燃速,燃速随着电压的加大而升高,从而实现点燃、自持燃烧和熄火的选择性与可控性。

2011年,美国电子固体推进有限责任公司将开发的电压控制的燃烧可控固体推进剂在微型推进器、直径50.8mm和76.2mm发动机上成功进行了验证。该固体推进剂可在药柱内置电极的作用下点燃、持续燃烧或熄火,具有良好的导电性,通电后,在常压或高压条件下均能点燃并持续燃烧,但在常压下需要施加较高的电压才能点燃;断电后,推进剂会熄火;增加电压,推进剂燃速相应提高,可满足武器弹药可控推进系统的需求。但由于该推进剂在压力高于14MPa时能自持燃烧,也就是说,在高压下,即使停止通电,推进剂仍持续燃烧,直至推进剂燃烧完全,这就限制了其在高压下的使用范围。2014年,美国雷声公司发明了一种在高压下仍燃烧可控的电压控制固体推进剂,能在电极控制下根据需要在1.4~14MPa高压环境下点燃、熄火,通电即点燃,断电即熄火,使火箭和导弹实现可控推进。发明的电控制推进剂的主要配方组成为液态高氯酸盐氧化剂、金属基燃料和粘合剂。此外,该电控制推进剂的储存时间较长,如数月或数年,且能在储存期内保持性能稳定。即使暴露在109.8℃环境下,其冲量、点火时间、峰压、密度等性能仍保持稳定。

2012年,美国佛罗里达大学研究人员发明的燃烧可控固体推进剂能自熄火,无需对发动机燃烧室快速降压,且推进剂燃速可调。推进剂配方中包含至少一种氧化剂、一种粘合剂、一种表面活性剂、一种燃速调节剂和燃料。其中,表面活性剂是赋予复合固体推进剂优异的自熄火功能的关键。此处的“自熄火”,是指在一定压力范围内,推进剂的燃速随着压力的升高而降低,当压力继续升高到一定程度时,推进剂会熄火。

美国电子固体推进有限责任公司开发的电压控制的燃烧可控固体推进剂在微型推进器、直径50.8mm和76.2mm发动机上成功进行了验证;雷声公司的电压控制固体推进剂能在1.4~14MPa压力范围内实现燃烧、熄火可控,能在电极控制下根据需要点燃、熄火,通电即点燃,断电即熄火,使火箭和导弹实现可控推进。

燃烧可控固体推进剂技术适用于所有固体火箭发动机,只需对现有发动机系统进行简单改进即可,应用前景广阔,军事效益明显,在微型推进器和小型发动机上得到了验证。该技术可赋予固体推进系统精确可控的推进能力,且寿命周期内安全性高、分解产物洁净无污染,将有效提升智能增程弹药的灵活推进与远程精确打击能力,改善动能拦截弹的快速机动能力,还能提高武器系统寿命周期安全。


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