[发明专利]一种自燃火箭燃料和自燃推进剂

说明书

提供了一种自燃火箭燃料和包含该燃料的自燃推进剂，所述自燃火箭燃料为多取代吖嗪类化合物或添加有该类添加剂的火箭煤油，该自燃火箭燃料与四氧化二氮、硝酸等氧化剂接触后，可形成自燃，从而作为自燃推进剂使用。该自燃火箭燃料或推进剂与以往的自燃推进剂相比，燃料能量密度更高，低毒且安全稳定性更好，是高能自燃双组元液体推进剂的优良候选物。

技术领域

本发明总体地涉及双组元液体火箭推进剂技术领域，具体涉及一种可与硝基氧化剂自燃的火箭燃料及包含该燃料的自燃推进剂。

背景技术

液体火箭推进剂是以液体状态进入火箭发动机，历经化学反应和热力学变化，为推进系统提供能量和工质的物质。双组元液体火箭推进剂是由分别贮存的液体氧化剂和液体燃料两个组元组合工作的推进剂。双组元液体推进剂具有能量高和使用较安全等特点，是液体火箭、导弹推进系统中使用最多的推进剂。

按照点火方式的不同，可将双组元液体推进剂分为自燃推进剂和非自燃推进剂。自燃推进剂是指氧化剂和燃料进入火箭发动机燃烧室时能迅速自动着火的双组元添加剂，如红烟硝酸与偏二甲肼、四氧化二氮与偏二甲肼、四氧化二氮与甲基肼等组合。反之，若不能自动着火的双组元推进剂，则称之为非自燃推进剂，如液氧与液氢、液氧与煤油、红烟硝酸与煤油等组合。

现在广泛应用的自燃推进剂燃料主要是肼类及其衍生物，肼类燃料(如偏二甲肼、一甲肼、肼等)虽然具有良好的点火燃烧特性，但其缺点也很显著：首先肼类燃料的密度较低，占飞行器空间较大而又产生的推力较小；另外一个缺点是高挥发性、高毒性、强致癌性，对环境和人的健康产生危害；同时，它们的生产、贮存、运输、使用及处理等是一个复杂的工艺过程，导致最终的使用成本也较高。

能量更高且环境友好的煤油类燃料，自20世纪70年代开始，已成为大推力运载火箭一二级主发动机的主要燃料，但是由于无法与氧化剂形成自燃，需要额外增加辅助点火装置，如电点火、火药点火和点火剂点火等方式。以点火剂方式为例，液氧使用的三乙基铝和三乙基硼等，四氧化二氮、硝酸等使用的三乙基胺、二甲苯胺、苯胺和糠醇等。大多数点火剂与空气或水接触后会燃烧或爆炸，高反应活性所带来较差的安全稳定性，所以点火剂通常采用额外的储箱和供应系统，与氧化剂形成自燃点火后再注入主燃料。外加的点火装置增加了系统部件，增加了系统的复杂性，不利于系统的可靠性保障；增大的火箭体积，不利于如导弹等体积受限飞行器的设计与安装。

另外铝类、硼类有机物燃烧产生的氧化物容易堵塞供应管道与孔洞，另外这些点火助剂通常都存在较高的毒性，如硼烷、硼胺、叠氮等物质；同时，这些物质所具有的能量水平较低，在一定程度上降低了推进剂的比冲，降低了火箭的推力与射程。

除了外加点火装置外，还可通过在燃料中加入自燃添加剂的方法，使非自燃推进剂变为自燃推进剂。有研究人员尝试将偏二甲肼与煤油加以混合，再与红烟硝酸形成自燃组合，但是混合物中偏二甲肼沸点(63.9℃)较低，会在进气道前从煤油中挥发，影响燃料在管路中的正常输送。

针对这些问题，各国开展了广泛的研究，目的是着手寻找综合性能更加优良的自燃燃料。其中环境友好的含能离子液体成为近年来自燃推进剂的研究热点。它主要是指一类由有机阳离子和有机阴离子或无机阴离子构成的有机盐类化合物，熔点通常低于100℃。2008年，美国空军实验室Schneider等制备出了一系列烷基取代的咪唑阳离子和叠氮阴离子组成的离子液体，试验结果发现咪唑二氰胺类离子液体与白色发烟硝酸可发生自燃反应。目前，自燃离子液体已发展出了二氰胺阴离子类、硝基氰胺阴离子类、硼氢阴离子类、硼烷类、铝基类、次磷酸阴离子类和肼类等七类。