[发明专利]一种温敏时变高能固体推进剂

说明书

本发明涉及一种温敏时变的高能固体推进剂，包含下列质量百分比的组分：含能温敏添加剂：1％～3％；叠氮聚醚粘合剂：8.5％～15％；增塑剂：12％～22.5％；氧化剂：36％～60％；固化剂：0.5％～1.5％；添加剂如燃烧性能调节剂、固化催化剂等：1％～2％，金属燃料为Al：12～20％。本发明制造出的温敏时变高能固体推进剂标准理论比冲大于2544.109N·s/kg，药浆20℃～50℃温度范围内的粘度随温度变化幅度大于60Pa·s/℃，具备40℃以下室温定型特性，温敏时变的高能固体推进剂可通过挤出成型工艺实现异形药柱增材制造。

技术领域

本发明属于复合固体推进剂领域，具体地涉及一种温敏时变的高能固体推进剂。

背景技术

传统上的固体推进剂制备过程中，药浆被浇铸成具有一个或多个纵向端口的圆柱形药柱，以实现径向燃烧。在铸造过程中，将所需形状的芯轴放入模具中，然后将其从固化的推进剂颗粒中移除，留下空腔。端口的几何形状决定了燃烧面随时间的演变，从而决定了火箭发动机的推力时间剖面。在过去，为了实现预期的内弹道，人们使用了各种端口几何结构。然而传统浇铸法所得制品无法直接使用，还需要经过一系列后处理，例如脱模、整形工艺，涉及手工面对面，目前无法实现机械自动化生产，存在较大安全隐患。这些过程繁杂，且产品形状较简单、适应性差，越来越难以满足发动机对推进剂高效制备、能量释放可控可调以及复杂结构等要求。

快速发展的3D打印技术可以缓解传统制造技术带来的几何约束，实现复杂结构的制造。与传统的减材制造相比，3D打印能节省很多原材料，降低成本，同时也可以快速制造出具有复杂内部结构的部件，无需使用模具以及昂贵的切削工具，进一步节省成本。另一个相对传统制造的优势就是3D打印可以根据需求个性化的设计、修改所需打印的结构，并且有共享设计的可能性，可以让制造过程在许多不同的地方同时进行。同时，3D打印可以实现人机隔离操作，避免手工面对面，降低了人员的安全隐患。将3D打印成型技术与推进剂成型技术相结合，可以达到传统浇铸法无法实现的功效。

目前，针对热塑性固体推进剂、热固性固体推进剂以及紫外光固化固体推进剂的增材制造研究已经陆续通过实验验证。南京理工大学蔺向阳等人报道了一种热塑性固体推进剂的增材制造方法[CN 106346774A、CN 106863801B]，采用溶剂辅助降低了打印温度。然而，溶剂挥发带来的样品收缩问题不利于打印精度控制，同时可能在推进剂内部产生孔洞，影响推进剂性能。之后他们进行了改进[CN 109627133A]，消除了溶剂挥发的影响，然而打印温度高达95℃，存在安全隐患。印度科学院Chandru等人实现了不同堆积密度三维网络结构的HTPB(端羟基聚丁二烯)复合固体推进剂的增材制造[Chandru R A,Journal ofpropulsion and power,2018,34(4):1090-1093]，配方中加入了大量固化剂实现打印药柱快速固化，虽然打印药柱与浇注药柱在燃烧性能及力学性能的差异较小，但大量的固化剂将导致推进剂药浆适用期缩短，难以在推进剂生产中推广应用。美国普渡大学McClain等人实现了85％高氯酸铵含量、高粘度的HTPB推进剂以及紫外光固化推进剂两种配方的增材制造[McClain M.S.,Proceedings of the Combustion Institute,2019,37(3):3135-3142]，并研究了紫外光固化厚度的影响因素[McClain M.S.,PropellantsExplos.Pyrotech.,2020,45:1-12]。南京理工大学蔺向阳等人也报道了一种紫外光固化的固体推进剂3D打印成型方法[CN 107283826A]。紫外光固化可实现较低温度下的药浆快速固化，是一种较为理想的固体推进剂增材制造方法。然而，该方法涉及到粘合剂的改性或筛选、光敏固化剂/光敏固化催化剂体系的筛选问题，形成配方后还需要开展推进剂的力学、燃烧、老化、安定以及工艺等性能的优化、调控，具有较长的研发周期，暂时无法直接推广应用。湖北航天化学技术研究所王伟等人报道了一种温敏时变固体推进剂[CN 110963866A]，这种配方以HTPB固体推进剂为基础，实现推进剂在较低温度(60℃以下)下的增材制造并室温定型，但该推进剂属于中能固体推进剂，能量水平有限。