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21世纪初固体推进剂技术展望摘要：：从高能、低特征信号、能量管理型及含硼富燃料推进剂等主要方面综述了各国近年来在固体推进剂技术方面的最新进展, 分析展望了固体推进剂技术21世纪初发展的趋势及主要技术方向, 并提出了预测性的看法。
关键词：固体推进剂; 高能推进剂; 低特征信号推进剂；能量管理型推进剂; 含硼富燃料推进剂; 高能量密度材料；述评1 引言在化学推进剂领域的一些观念上，HMX等一些高能炸药在推进剂中的广泛应用, 已经模糊了火药与炸药的界限；Klager K博士于20世纪80年代提出的“高能交联推进剂"的新概念, 促进了双基(均质）与复合推进剂的结合，推出了NEPE等新一代高能推进剂; 膏状推进剂（或凝胶推进剂) 的出现,则可能进一步打破固体与液体推进剂的现状分界,推出一个全新的品种.21世纪初固体推进剂发展方向, 是各国专家们预测的一个热点。
从80年代以来，先后有Klager K,Quentin D , Davenas A等中外学者在总结了固体推进剂发展历程、现有水平的基础上, 预测了未来的发展趋势.现依据近年来一些最新研制动态及进展, 作进一步的分析、阐述与展望。
2 高能推进剂提高能量始终是固体推进剂研制发展的主要目标.在高能化的进程中, 从单一着眼能量到注重以能量为主的综合性能指标；从单一着眼比冲()Is到注重密度比冲()ρ⋅Is, 都标志着高能化技术的日趋成熟与提高。
2. 1 进展(1) 为了提高能量, HTPB 推进剂固体含量提高到90 % , 加入硝胺炸药HMX ，在俄国还把HTPB +ADN推进剂用于地下井发射的白杨2M战略导弹第三级; NEPE推进剂，在美国已先后用于 MX 、三叉戟Ⅱ、侏儒等战略导弹及某些战术导弹。
为了提高能量 , 还在进行提高固体含量、提高比冲效率等方面的研究； GAP 推进剂为目前作为高能、低特征信号、钝感推进剂的最佳品种 , 而倍受关注。
美国拟于2001年将 GAP 推进剂用于高性能低特征信号的空对空导弹、洁净助推器装药及113级微烟推进剂中。
推进剂的化学方程式
以常见的火箭推进剂为例，固体火箭推进剂通常由含有氧化剂
和燃料的混合物组成。
其中，氧化剂常用的是硝酸铵（NH4NO3），
而燃料可以是铝粉（Al）或者其他可燃物质。
当火箭点火时，氧化
剂和燃料发生化学反应，产生大量的热能和气体，从而产生推进力。
推进剂的化学方程式可以用化学符号和方程式来表示这一化学
反应过程。
以固体火箭推进剂为例，其化学方程式可以表示为：
10Al + 6NH4NO3 → 5Al2O3 + 6N2 + 12H2O.
这个方程式描述了铝与硝酸铵的反应，生成了氧化铝、氮气和水。
这个反应释放出大量的热能和气体，从而产生了推进力。
通过化学方程式，我们可以清晰地了解推进剂在燃烧过程中的
化学反应过程，这有助于我们更好地理解推进系统的工作原理，从
而更好地设计和改进推进剂的性能。
同时，化学方程式也为我们提
供了研究和改进推进剂的理论基础，促进了航天技术的发展和进步。
含5-氨基四唑硝酸盐(5-ATEZN)推进剂的能量特性杜旭杰;李晓东;李树奎;邹美帅;杨荣杰;李玉川;庞思平【摘要】利用最小自由能法,在标准条件(燃烧室压力pc:喷管出口处压力pe=70∶1)下,计算了含5-氨基-四唑硝酸盐(5-ATEZN)推进剂的能量特性.结果表明,5-ATEZN单元推进剂的比冲为2371.38 N·s·kg-1,与黑索今(RDX)及奥克托今(HMX)单元推进剂接近,且5-ATEZN的氧平衡(-10.8％)远高于RDX及HMX.用5-ATEZN取代粘合剂端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂中的高氯酸铵(AP)和RDX时,推进剂比冲和特征速度均降低;而用5-ATEZN取代GAP推进剂中的AP时,推进剂比冲和特征速度随5-ATEZN含量增多呈抛物线形变化,最高比冲可达2580.62 N·s·kg-1,与原配方相比提高17.93 N·s· kg-1.同时由于5-ATEZN不含氯元素,对降低推进剂的特征信号十分有利.因此,用5-ATEZN取代适量AP是实现GAP(聚叠氮缩水甘油醚)推进剂高能化和少烟化的一个可行途径.【期刊名称】《含能材料》【年(卷),期】2015(023)008【总页数】6页(P807-812)【关键词】5-氨基-四唑硝酸盐(5-ATEZN);高能化合物;固体推进剂;能量特性【作者】杜旭杰;李晓东;李树奎;邹美帅;杨荣杰;李玉川;庞思平【作者单位】湖北航天飞行器研究所,湖北武汉430040;北京理工大学材料学院,北京100081;北京理工大学材料学院,北京100081;北京理工大学材料学院,北京100081;北京理工大学材料学院,北京100081;北京理工大学材料学院,北京100081;北京理工大学材料学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TJ55;V5121 引言近年来，唑类富氮化合物因其优异的理化性能和爆轰性能在高能钝感炸药、推进剂、发射药及气体发生剂等领域的应用中显现出巨大的优势。
固体推进剂性能计算计算机程序摘要：本文提出一种计算机程序，用来计算固体推进剂的性能。
通过考虑燃料类型、发动机类型、推进剂制备工艺以及腔室形式等参数，为发动机设计人员提供了一种准确、高效、可重复使用的计算性能的方法。
程序最终可以给出推进剂性能参数，如冲比、推力、推力衰减系数和比冲器中的湿度等。
关键词：固体推进剂性能；计算机程序；发动机设计；推力；冲比；湿度正文：本文开发了一种新的在线计算固体推进剂性能的计算机程序。
该程序考虑了多种参数，如燃料类型、发动机类型、推进剂制备工艺以及腔室形式等。
另外，它还可以根据推进剂发射条件估算推进剂性能参数，如冲比、推力、推力衰减系数和比冲器中的湿度等。
程序的详细原理、核心架构和技术参数讨论如下。
首先，对推进剂的各个参数进行初步测量并进行参数校正，以确定推进剂的实际性能状态。
然后，利用多元曲线拟合方法将参数和性能关联起来，构建出性能估算模型。
基于模型，我们实现了用于计算推进剂性能的实用程序，并验证了其准确性和稳定性。
此计算机程序可以在发动机设计过程中广泛应用，为工程师提供准确、高效的性能估算技术。
首先，可以利用此计算机程序来获得推进剂的性能参数，为发动机的设计提供充足的数据支持。
此外，它还可以作为一种可靠的推进剂性能测量手段，用于验证发动机设计的准确性和稳定性。
最后，此程序还可以作为一种完整而精确的计算工具，方便推进剂及发动机研发人员进行参数模拟，帮助他们快速进行设计优化。
总之，本文开发的计算机程序为固体推进剂性能计算提供了一种快速、准确、可重复使用的新工具。
除了具有计算性能的能力之外，本文的计算机程序还可以高效地获取推进剂的材料数据。
借助程序，工程师可以深入了解推进剂内部特性，并以此为基础进行相关分析。
此外，程序还可以帮助工程师实现快速、有效的参数校正，以优化发动机设计。
而且，由于程序使用了准确、高效的推进剂性能估算方法，可以将大量的计算时间，从而有效提升发动机开发的效率。
- 4 -高 新 技 术０ 引言固体推进剂是导弹武器推进系统的主要能源，其本质是化学推进剂，主要组成成分包括氧化剂和燃烧剂，依靠两者发生燃烧化学反应生成的大量高温高压气体产生发射功。
为了满足航天及导弹技术对固体推进剂性能的需求，对其能量释放规律进行研究具有重要的现实意义。
固体推进剂燃烧时的能量释放可以视为1个化学反应动力学过程，其燃烧化学反应机理仍是目前研究的热点。
赵瑜等人[1]通过详细的化学动力学机制，建立了复合推进剂的燃烧模型。
郑东等人[2]针对NOFBX 新型绿色推进剂（N 2O-C 2烃类燃料），发展了小规模的N 2O-C 2烃类燃料燃烧化学反应机理模型。
金秉宁等人[3]为了获得高氯酸铵粒度级配对固体推进剂燃烧响应特性的影响，建立了AP 多粒度级配的AP/端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂非稳态燃烧响应模型。
目前，国内对于固体推进剂的理论研究工作相对薄弱，对其能量释放的热力学和动力学过程认识不足，对相关理论模型的研究较少，阻碍了固体推进剂的应用；能量释放过程的理论研究对固体推进剂的设计和应用具有很大的现实意义。
该文以化学热力学为基础，建立了1个CHNO/Al 型固体推进剂能量释放的简化热力学模型，构建了固体推进剂在化学反应区内的能量关系，并结合CJ 爆轰理论探讨了1种该能量模型在评估固体推进剂安全性能方面的应用形式。
１ 能量关系的建立现代复合推进剂组成成分主要为氧化剂、燃料以及黏合剂等，为了提升装药的燃烧性能，常把高活性的金属粉末和复合含能颗粒等新型材料作为固体推进剂的含能添加物[4]。
为了构建能量关系，对推进剂的组分进行简化处理，将推进剂的组分简化为CHNO/Al 型，其中的Al 代表典型的金属燃料。
在化学反应动力学理论研究中，需要对推进剂的分解和金属粒子的氧化等主要化学和物理过程做出适当的假设[5]。
在构建固体推进剂CHNO/Al 反应的能量关系之前，提出以下3条假设：①将固体推进剂中的组分CHNO 按照一定的方式进行分解，并按照Kamlet [6]的原则确定产物的组成。
一、固体火箭发动机：由燃烧室，主装药，点火器，喷管等部件组成。
工作过程：通过点火器将主装药点燃，主装药燃烧，其化学能转变为热能，形成高温高压燃气，然后通过喷管加速流动，膨胀做功，进而将燃气的热能转化为动能，当超声速气流通过喷管排出时，其反作用力推动火箭飞行器前进。
工作原理：1能量的产生过程2热能到射流动能的转化过程优点：结构简单，使用、维护方便，能长期保持在备战状态，工作可靠性高，质量比高。
缺点：比冲较低，工作时间较短，发动机性能受气温影响较大，可控性能较差，保证装药稳定燃烧的临界压强较高。
二、1.推力是发动机工作时内外表面所受气体压力的合力。
F=F 内+F 外 F=mu e +Ae(Pe-Pa) 当发动机在真空中工作时Pa=0.这时的推力为真空推力。
把Pe=Pa 的状态，叫做喷管的设计状态，设计状态下产生的推力叫做特征推力。
2.把火箭发动机动，静推力全部等效为动推力时所对应的喷气速度，称为等效喷气速度u ef 。
3影响喷气速度的因素来自两个方面：a).推进剂本身的性质b) 燃气在喷管中的膨胀程度3.流量系数的倒数为特征速度C ∗,他的值取决于推进剂燃烧产物的热力学特性，即与燃烧温度，燃烧产物的气体常数和比热比K 值有关，而与喷管喉部下游的流动过程无关。
4.推力系数C F 是表征喷管性能的参数，影响推力系数的主要因素是面积比和压强比。
当Pe=Pa 时，为特征推力系数，是给定压强比下的最大推力系数，Pa=0时为真空推力系数。
5.发动机的工作时间包括其产生推力的全部时间,即从点火启动，产生推力开始，到发动机排气过程结束,推力下降到零为止。
确定工作时间的方法：以发动机点火后推力上升到10%最大推力或其他规定推力的一点为起点,到下降到10%最大推力一点为终点,之间的时间间隔。
6.燃烧时间是指从点火启动，装药开始燃烧到装药燃烧层厚度烧完为止的时间，不包括拖尾段。
确定燃烧时间的方法：起点同工作时间，将在推力时间曲线上的工作段后部和下降段前部各做切线，两切线夹角的角等分线与曲线的交点作为计算燃烧时间的终点。
固体推进剂能量计算方法一 固体推进剂能量计算原理 1，基本假设在火箭发动机工作时，固体推进剂的化学潜能转换为燃气的动能，经历了推进剂燃烧和燃烧产物膨胀两个过程。
发动机的实际工作过程是非常复杂的。
其复杂性在于：由于存在热损失，难以保证燃烧过程是等压绝热的；燃烧产物在燃烧室内分布是不均匀的；对于含铝、含镁、含硼推进剂或含有某些金属化合物的性能添加剂的推进剂，存在凝聚相产物，这些凝相产物在喷管膨胀过程中导致两相流损失；喷管流动难以保证等熵条件等等。
为了反映固体推进剂能量转换过程的本质，抓住主要矛盾，在进行其理论性能预估时，进行了一些基本假设。
(1) 在燃烧室中，推进剂的燃烧反应达到化学平衡，且燃烧过程为等压绝热过程，即热力学中的等焓过程；而且燃烧产物的分布是均匀的。
(2) 燃气为理想气体，凝相产物的体积忽略不计。
(3) 喷管中燃气的流动过程为绝热可逆过程，即为等熵过程；燃气在喷管中的流动为一维定常流，即在喷管的任一截面上，燃气的组成及各性能参数的分布是均匀的。
(4) 不考虑凝聚相燃烧产物的两相流损失。
2， 基本方程 (1) 质量守恒方程常见的固体推进剂是由C 、H 、O 、N 、Cl 、Al 等元素构成的某些化学物质的混合物。
对于这样一个复杂的系统，假设固体推进剂的燃烧产物共有n 种，而固体推进剂所含有的元素共l 种。
对j 元素的质量守恒方程可表达成：()11,2,,nij ij i a xb j l ===⋅⋅⋅∑ (1)式中，ij a 为混合物系中第i 种产物含j 种元素的原子摩尔数，它由i 燃烧产物的分子式得到；i x 为单位质量燃烧产物中第i 种产物的摩尔数；j b 为单位质量推进剂中含第j 种元素的原子摩尔数，它由推进剂的假想化学式得到。
(2) 能量守恒方程根据假设(1)，燃烧室内燃烧为等焓过程，则有p c H H = (2)式中，p H 为单位质量推进剂在初温0T 时的总焓(通常取0298T K =)； c H 为单位质量推进剂燃烧产物在平衡火焰温度c T 下的总焓。
实际上，在燃烧室热力计算中，等焓方程式(2)是作为判据使用的。
即根据式(2)来确定平衡火焰温度，进而计算出在定温(c T )和定压(燃烧室工作压强c P )条件下单位质量推进剂燃烧产物的平衡组成分布{}ci x ()1,2,,i n =⋅⋅⋅。
然后可求出平衡燃烧产物在c T 下具有的总熵c S 。
根据假设(3)，喷管中燃气的流动为等熵过程，则有c e S S = (3)式中，c S 为单位质量推进剂燃烧产物在c T 下的总熵；e S 为单位质量推进剂燃烧产物在喷管出口处温度e T 下的总熵。
同样，在喷管热力计算中，等熵方程也是作为判据使用的，即根据式(3)来确定燃烧产物在喷管出口处的平衡温度e T ，然后求出喷管出口处平衡燃烧产物的总焓e H 。
最后求得固体推进剂的理论比冲以及其它能量参数(特征速度、定压暴热)：sp I =(4)*C =(5) 式中，c R 为燃烧室中燃气的平均气体常数；比热比函数Γ=2981nK p c ci fii Q H x H==-∆∑ (6)式中下标c 表示燃烧室，f 表示生成焓。
3， 固体推进剂性能计算的一般过程Step1 求单位质量(1kg)推进剂的假定化学式j b 和推进剂总焓p H ；Step2 燃烧室热力计算，使用温度尝试法，根据等焓方程求解*c T 、{}*ci x 以及c S 等； Step3 喷管热力计算，使用温度尝试法，根据等熵方程求解*e T 、{}*ei x 以及e H 等；Step4 推进剂能量参数计算，计算sp I 、*C 、p Q 等。
温度尝试法基本原理：由热力学知识可知，随着温度的增加，燃烧产物总焓的绝对值和总熵是单调上升的。
以燃烧室热力计算为例，首先假设一个燃烧温度c T ，进而求出该温度和燃烧室工作压强下的燃烧产物平衡组分{}()1,2,,ci x i n =⋅⋅⋅，然后求出燃烧产物在燃烧室的总焓c H ，进一步用等焓方程式(2)进行比较，若c p H H >，则可知*c c T T <，其中*c T 为燃烧室工作压强下的平衡火焰温度。
此时，使c T 增加一个步长h ，即c c T T h =+，然后重新计算该温度和c P 下的平衡组成和总焓c H ，再将c H 与推进剂总焓p H 比较，此计算过程可以构成一个迭代计算过程。
步长h 可以变化，如取100K 、10K 、1K 、0.1K 等，根据所需的精度要求去逼近推进剂总焓p H 。
二 最小自由能法求解定温定压下产物的平衡组成经过上面的阐述，剩下的问题是如何求解定温定压下燃烧产物的平衡组成。
目前工程上经常使用的是吉布斯最小自由能法。
最小自由能原理：对于一个混合物系，求该物系的产物平衡组成，就是求该系统的自由能函数达到最小时的产物分布。
1，自由能函数为了使问题得到一定简化，只考虑无凝相的混合物系的化学平衡组成，即只考虑C 、H 、O 、N 、Cl 五种元素组成的体系。
下面简要推导混合物系自由能函数的表达式。
设一个混合物系共含有l 中元素，由n 种气态产物组成。
若该物系在给定温度和压强下，单位质量的混合物系中有i x 摩尔的第i 种产物，则单位质量该物系的总自由能函数为()()()0011ln ln ln nni i i i g i i G x g x x g R T P x X ==⎡⎤==++-⎣⎦∑∑ (7)式中，1ng ii X x ==∑，将(7)式除以0R T 进行无量纲化，又由吉布斯自由能的定义式可得000001i i i g H S R T R T ⎛⎫=- ⎪⎝⎭(8)式中，0i H 为第i 种产物的摩尔焓，可由式(9)求得；0i S 为第i 种产物的摩尔熵，可由式(10)求得。
()234501234562345i i i i i i i H R d T d T d T d T d T d =+++++ (9) ()2340123457ln 234i i i i i i i S R d T d T d T d T d T d =+++++ (10)式中，0R 为普适气体常数；T 为温度；1i d 、2i d 、⋅⋅⋅、7i d 为第i 种物质的温度系数。
将(8)式代入(7)式，又令0ln i i g C P R T≡+ (11)该物系的总自由能函数可写成()()1ln ln ni i i g i G x x C x X ==+-∑ (12)2，Lagrange 乘数法求平衡组分 (1) 自由能函数的近似表示首先假设满足质量守恒方程式(1)的解为{}i y ()1,2,,i n =⋅⋅⋅，此时该混合物系的总自由能函数为()()1ln ln ni i i g i G y y C y Y ==+-∑ (13)式中1ng ii Y y==∑。
令i i i x y ∆=-，即i ∆为体系平衡时第i 种产物的摩尔数(真解)与假设值只差。
又令g g X Y ∆=-，则1ni i =∆=∆∑。
假设i ∆很小，取()G x 在x y =处Taylor 级数展开的前三项()Q x 来近似表示()G x ，利用多元函数的微分原理，整理可得()()()()22111ln ln 2nn i i i g i i i ig G x Q x G y C y Y y Y ==⎛⎫∆∆≈=++-∆+- ⎪ ⎪⎝⎭∑∑ (14) (2) 线性方程组的建立现在面临的问题是求出混合物系的自由能函数式(12)在满足质量守恒条件系达到最小时的产物组成{}i x ，这是一个多元函数的条件极值问题。
写出Lagrange 函数，即()()()1111ln l nj j ij i j j ij i j i j i L x G x b a x Q x b a x λλ====⎛⎫⎛⎫=+-≈+- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭∑∑∑∑ (15)当反应达到平衡时，混合物系的自由能函数达到最小值，即该点处Lagrange 函数的一阶导数应为零。
将Lagrange 函数对i x 求导，有1ln ln 0lg i i i g j ij j i g X x C y Y a y Y λ=+-+--=∑ (16)对上式进行整理，可改写成()1lg i i i j ij i j gX x y y a g y Y λ==+-∑ (17)将上式两边对i 求和，进行整理可得()11lnj jij i b g y λ===∑∑ (18)另一方面，将式(18)代入元素质量守恒方程式(1)，有()()11111,2,,n ln ngik i j ik ij i ik i k i j i i g X a y a a y a g y b k l Y λ====⎛⎫+-==⋅⋅⋅ ⎪⎝⎭∑∑∑∑ (19) 整理上式，同时令1nkj jk ik ij i i a a y γγ===⋅⋅∑，1g gX W Y =-，则式(20)可写成()()111,2,,lnk kj j ik i j i b W a g y k l γλ==⋅+⋅=⋅=⋅⋅⋅∑∑ (20)联立式(19)和(21)构成一个()1l +元一次线性方程组，解该方程组可以求出l 个待定系数12,,,l λλλ⋅⋅⋅和未知数W ，然后利用式(18)可求得n 个平衡组分{}i x 。
(3) 负值修正推进剂的燃烧产物大致可分为含量较多的主要产物和含量甚微的次要产物。
一般情况下，假设的初值{}i y ()1,2,,i n =⋅⋅⋅往往与真值偏差较大，其结果是利用不合理初值计算出来的结果{}i x 部分出现负值，显然在下一次迭代前，需对负值进行修正。
设本次计算用假设值为{}i y ，本次计算结果为{}i x ，修正后的值为{}'i x 。
负值修正的公式为()'i i i i x y x y φ=+- (21)式中φ为修正系数。
负值修正的具体作法是： Step 1 令ii i iy x y δφ-=-，式中δ取很小(如1510δ-=)。
Step 2 在{}()1,2,,i i n φ=⋅⋅⋅中选最小值min φ，取m in φφ=，利用式(22)对{}i x 进行修正，这样可使全部i x 均修正为正值。
Step 3 检验()()'0G x G y -≤是否成立，若不成立，令0.8φφ=，重新对{}i x 进行修正，直至()()'G x G y ≤为止。
Step 4 令'(1,2,,)i i y x i n ==⋅⋅⋅，进行下一步迭代计算。
Step 5 精度检验要求max1,2,,i i x y i n ε-≤=⋅⋅⋅。
满足上式时的{}i x 即为给定T 、P 下的平衡组成。
