火箭要想飛得穩(wěn)，還得加點金屬粉

火箭發(fā)動機中的固體推進劑

固體火箭發(fā)動機是一種以固體推進劑作為主燃料的動力裝置，因具有結構簡單，高比沖等優(yōu)勢得以在航空航天領域廣泛應用，通常作為航天運載火箭、導彈等裝備的主要動力來源。

（圖源：pixabay）

固體火箭發(fā)動機的工質是推進劑的燃燒產物，工質經(jīng)過噴管的噴射后獲得一個作用于飛行器的反作用力，克服飛行中的阻力，用來保持或加速現(xiàn)有的行進速度。火箭發(fā)動機的推進過程中，推進劑需要經(jīng)歷一系列復雜的物理、化學反應，涉及到推進劑的化學能經(jīng)過可控的反應轉化為工質的熱能，后續(xù)再通過噴管將工質的熱能轉化為動能這兩個重要的能量轉化過程。

固體推進劑作為固體火箭發(fā)動機的能源，其能量特性、力學特性等性能水平的提升是固體發(fā)動機領域的重要課題。固體推進劑的主要組成成分是氧化劑、粘合劑、金屬燃料、增塑劑等。

對應組分的作用如下：氧化劑主要在燃燒時分解出大量的氣體，為燃料提供氧化性氣氛，促進推進劑的完全燃燒；粘合劑主要是作為碳骨架，為金屬燃料及氧化劑提供一個彈性包裹體系；金屬燃料具有高能量密度等優(yōu)勢，可提高推進劑的能量水平；增塑劑主要是改變推進劑的流變性能及低溫力學性能。

固體推進劑中的金屬粉

為了滿足戰(zhàn)略武器和小型運載火箭的各項性能要求，在固體推進劑中添加金屬粉是提高其性能的重要手段。金屬燃料推進劑以金屬粉作為燃料，水、空氣、AP、KP或者高能硝銨類炸藥作為氧化劑，二者在一定的條件下發(fā)生劇烈的化學反應，快速燃燒使得工質加熱膨脹，通過噴管將化學能轉為動能。

金屬粉具有高熱值和高密度的優(yōu)點，在配方中加入金屬粉可以提高單位質量和單位體積推進劑的熱值，降低系統(tǒng)的質量和體積，以增加推進劑的密度和比沖，抑制系統(tǒng)的高頻不穩(wěn)定燃燒，因而得到了廣泛的應用。

幾種常見金屬燃料性能

在固體推進劑常用的金屬燃料中，硼（58.5 kJ/g和136.9 kJ/cm3）有著極高的燃燒熱值，但其自身的高熔、沸點和低熔、高沸點氧化產物使得硼的燃燒性能較差，燃燒效率較低，且硼燃燒耗氧量較高，作為常規(guī)復合固體推進劑需要自帶氧化劑，并需要增加補燃室使其得到充分燃燒。

鈹（101.7MJ/kg）有著最高的質量燃燒熱值，但由于空氣中高反應活性誘發(fā)的存儲困難與燃燒產物BeO有劇毒而不適用于推進劑燃料。

鎂（24.8 kJ/g和43.2 kJ/cm3）的燃燒熱較鋁（31.0 kJ/g和83.7 kJ/cm3）偏低，但由于與H2O和CO2的反應活性較高且單位體積的成氣量較大，因此常用于水沖壓發(fā)動機或跨介質發(fā)動機。

鋯粉是一種類似于鋁粉的高活性金屬。鋯粉的密度高、體積熱值高、活性高，在某些要求密度較高的推進劑中具有特殊的優(yōu)勢。

鋁（Al）是一種具有較高密度（2.70 g/cm3）、高燃燒熱（1670.59 kJ·mol-1）的輕金屬，具有存量豐富、燃燒產物無毒無害特點，被廣泛應用于推進劑中，以提高推進劑的能量和比沖。不同類型推進劑中的鋁含量有所不同，如常規(guī)丁羥推進劑中的鋁含量在18%左右；鋁鎂貧氧推進劑中鋁的含量稍高，約為30~40%；特殊金屬基燃料（如跨介質動力用鋁基金屬燃料）中的鋁含量則高達70~90%。

作為推進劑配方的重要組成部分，鋁顆粒的燃燒特性對發(fā)動機的性能具有重要影響。燃燒的鋁顆粒及其凝聚氧化產物會對聲振蕩造成黏性損失，從而在一定程度上抑制發(fā)動機中的不穩(wěn)定燃燒，改善燃燒平穩(wěn)特性。

但是，鋁在與周圍的氧化性氣體反應時，會生成許多細微凝聚態(tài)的金屬氧化物沉積在金屬顆粒表面，由于氧化鋁的熔點較高，作為氧化層覆蓋在鋁顆粒表面時，對鋁顆粒點火及燃燒過程起到了極大的阻礙作用。同時，燃燒產生的凝相產物會導致噴管侵蝕及兩相流損失，對整個燃燒系統(tǒng)產生負面作用。

納米金屬粉在推進劑中的應用

納米金屬粉因其優(yōu)異的性能正成為推進劑中應用最廣泛的一種新型材料，其特殊性能的利用對推進劑性能的進一步提高是一條有用的途徑；然而，納米金屬粉的表面修飾依然是瓶頸技術之一，表面修飾的成功與否直接影響到納米金屬粉的應用，表面包覆層太厚會影響其能量性能以及延遲反應時間，包覆層太薄或其他原因導致的不能將納米金屬粉完全包覆則會導致納米金屬表面被氧化、失去活性，甚至導致某些較活潑的納米金屬粉自燃，嚴重影響推進劑使用安全。從目前情況來看，納米金屬粉的安全性能依然是影響其推廣應用的主要因素之一。

納米金屬粉由于其粒徑小、易團聚，在推進劑中的分散問題和工藝問題如果處理不好將極大地影響其催化性能和能量性能。不同的納米金屬粉有不同的功能，如納米鋁粉能提高推進劑能量、調節(jié)推進劑燃速，納米鎳粉能提高推進劑燃速、調節(jié)壓強指數(shù)等。目前從國內外的研發(fā)情況來看，出現(xiàn)了納米材料和其他功能材料復合的跡象，如納米鋁熱劑、納米金屬粉/碳納米管、納米金屬粉/石墨烯等，都是對納米金屬粉進行功能化創(chuàng)新。

參考來源：

[1]陳曉琳：鋁顆粒及AP/HTPB/Al推進劑不穩(wěn)定燃燒特性研究，浙江大學

[2]袁志鋒等：納米金屬粉的制備、改性及其在推進劑中的應用，西北工業(yè)大學

[3]柴久龍：鋁鎂合金的點火燃燒機理及模型研究，哈爾濱工程大學