20世纪初双基固体推进剂开始被大家相继研究,20世纪中期复合固体推进剂得到广泛关注,随之而来又有了高能固体推进剂。高能固体推进剂的组分具有很高的生成热,经过燃烧后可以产生小分子的产物并释放出巨大的能量,因此其具有较高的能量密度和比冲(指单位质量的推进剂燃烧所产生的冲量)。对于高能固体推进剂来说,提高其组分中的含能材料的能量密度是其发展的重要方向[1]。于是,固体推进剂组分中氧化剂、粘合剂、增塑剂、添加剂的高能化和配方的改进成为研究热门。然而随着研究的不断开展,人们开始意识到想要通过传统的改变配方或提高配方中各组分性能来提高化学反应催化效率的方式来获得更高能的固体推进剂变得越发困难。论文网
随着研究的不断深入,人们发现推进剂燃烧效率在很大程度上取决于燃烧表面积的大小。如果能够在相同的条件下获得更大的燃烧表面积,那么推进剂的燃烧效率将大大提高。
对于传统的双基推进剂、改性双基推进剂和复合固体推进剂,我们通常称之为常规推进剂,其推进效率的提高受到燃烧表面积的强烈限制。超高燃速固体推进剂的出现较好得解决了燃烧表面积不足的问题。超高燃速固体推进剂(UHBR,又称致密型多孔燃烧固体推进剂)在常规推进剂中加入了一些速燃组分,燃烧过程中燃烧表面积由于多孔结构的存在而变大,这些多孔燃烧层极大促进了燃烧分解表面反应,提高了燃烧效率。超高速固体推进剂的燃烧机理为:推进剂被点燃后,其中的速燃组分最先快速分解并产生一定厚度的多孔性燃烧层附着在速燃材料自身反应产生的气体四周,孔内的高温气体不断加热孔内壁,在这个过程中无论是气—固相界面还是气—液相界面均有不同程度的氧化分解反应发生。由于前面的速燃组分形成的孔内燃气的温度始终高于速燃材料自身发生分解反应的温度,因此会不断地发生“速燃材料分解形成孔—孔内高温燃气加热速燃材料—速燃材料继续分解形成孔”的递进反应过程,于是便不断地形成孔燃烧层,反应剧烈程度不断增加。又因为形成的具有一定厚度的多孔型结构燃烧层始终位于燃烧表面,燃烧的表面积就会成倍增加,燃烧效率大大提高,燃速加快。常规推进剂的燃烧过程为平行层燃烧,而超高燃速固体推进剂的燃烧过程称为透气性多孔平行层燃烧。对于产生多孔燃烧曾层的速燃材料,国内外先后进行了如下研究:美国将含硼氢化合物作为超高燃素推进剂的速燃材料并进行了用于火炮的随行装药研究;俄罗斯的A。E。Fogelzang教授研究指出当速燃材料的粒径为1~5mm时,对于提高推进剂的燃速效果最好;南京理工大学李凤生教授用粒度较小的药粒和燃速粘结剂,通过二次成型工艺制成具有双层次复式结构的推进剂。其中小药粒主要用来满足推进剂的能量需求,燃速粘结剂主要用来适应高燃速需求。该类型推进剂的两种成分存在燃速差异,燃烧过程中亦可以形成多孔状燃烧层,使得燃速显著提高。该推进剂组分中的颗粒燃速粘结剂也属于速燃材料[2]。
根据速燃材料可产生多孔燃烧层而增大燃烧表面这一特点,人们将多孔性的结构用于含能材料的改性得到的产品同样可以增大燃烧表面积从而提高燃烧速率。如在组分相同的情况下,多孔发射药的产气速率和燃速要明显高于传统发射药。多孔发射药的制备工艺为将一定粒度和一定量的水溶性无机盐(多用硝酸钾)与发射药其余组分混合均匀,待混合材料成型后加入水将无机盐溶解出来,此方法形成的药粒具有多孔型结构。然而,该多孔型结构的成型工艺过程过长且制得的药粒孔隙大小和分布不均匀,会导致燃烧过程中的燃速不稳定且不利于更高燃速的技术要求。研究者们改进了工艺过程,发现在物料中添加发泡剂,通过药粒成型过程中的发泡而产生大量内径大小、分布较均匀的孔型结构。针对于该工艺过程制得的多孔推进剂,国内外研究人员分别进行了如下探究:Chris A Van D,Jan K,Remco B等人研究了单机多孔发射药的燃烧性能。北京理工大学王伯羲研究发现多孔性结构的推进剂燃烧时产生的高温、高压气体可以部分渗入气孔中,在孔内发生对流燃烧,故该类型推进剂具有压力敏感性,并提出用不同密度和不同孔结构的多段药片组合可以明显降低其燃烧时的表观压力指数[3]。Margolis S B研究了微气孔推进剂的燃烧特性,认为大量分布的气孔使得燃烧产生的高温高压气体可进行更深层的渗透作用,并提高了对流传热,因此极大程度上提高了燃速。