胶体推进剂

胶体推进剂摘要随着各种新技术和新材料的快速发展，胶体推进剂的研究也在不断拓展和完善，本文结合国内有关胶体推进剂方面的论文和综述，阐述了胶体推进剂的含义、性能、特点、与固体和液体推进剂性能的比较、研究体系、应用以及研究现状。

关键词胶体推进剂触变性金属化凝胶推进剂研究体系应用研究现状1 引言推进剂是能使推进装置产生推动力的物质，常用的推进剂有化学推进剂，核能推进剂，电能推进剂和太阳能推进剂。

其中化学推进剂又可分成液体推进剂、固体推进剂、混合推进剂、胶体推进剂。

目前，国内外的火箭、导弹主要是以固体或液体化学推进剂为动力，但它们各有优缺点。

固体推进剂密度大、易贮存和运输、使用维护方便，但比冲较低、飞行过程中不能调节燃速和推力、不能多次启动；液体推进剂比冲较高、能在飞行过程中调节推力、能多次启动，但它们大多易燃、易爆、密度小、有的毒性和腐蚀性较大、使用维护不方便、安全性低；掺加胶凝剂的胶体推进剂兼具液体、固体推进剂的优点，符合对推进剂低特征信号、高能、钝感、环保的发展要求，满足大载荷比、远射程、使用安全、低易损性、低成本等发动机的发展要求，又克服了固体、液体推进剂的缺点[1,2,5]。

因此，在技术上可控与安全性能等方面兼顾固体推进剂和液体推进剂的优势于一体、实现两者优势互补的胶体推进剂是一类非常具有应用前景的优良推进剂，现已成为各国研究的主要方向之一。

2 胶体推进剂概述2.1胶体推进剂的定义胶体推进剂又称为凝胶推进剂或膏体推进剂，是由直径在1～100nm的胶体粒子或大分子分散在液体推进剂中所形成的特殊分散体系[1,2]。

在液体可燃物或氧化物中掺加胶凝剂可制成各种胶体推进剂：例如把气态甲烷、乙烷等烷烃与氮气混合，通入液氢中，烷烃凝结成固体，分散在液氢中形成胶氢；把铝粉、碳粉或二氧化硅粉等掺入液氢可制得金属化胶氢。

2.2胶体推进剂的性能胶体粒子或大分子靠范德华力或氢键相互连接成空间网状结构(图1)，液体推进剂填满孔隙。

胶体推进剂具有触变性，即推进剂静止时呈半固体不流动状态，呈现出固体的力学性能，如具有一定的弹性、强度和屈伏值。

但是这种结构因为粒子间连接力不强并不稳定，在切应力或压力作用下，能像普通流体一样流动；停止切应力或压力作用时，又会恢复凝胶结构呈半固体状态[1,2,3,15]。

A B C D图1凝胶结构的四种类型独特的触变性使它静止不用时形似固体，具有密度大、易贮存和运输等固体推进剂的优点，又克服了易蒸发、易溅洒、易晃动、腐蚀性大等缺点。

加压使用时形似液体，具有能在飞行过程中调节推力、能多次启动等液体推进剂的优点，又克服了固体推进剂一次烧完、不能控制燃速的缺点[1]。

2.3胶体推进剂的特点2.3.1优点[4](1)碰变性：胶体推进剂在压力下呈现较强的流动性，没有压力作用时则呈现出较好的稳定性，这使得推进剂在贮存和流量控制上较为便利，使胶体推进剂发动机推力可控成为可能；(2)高能：目前胶体推进剂的比冲与现役最好的固体推进剂相当或更高，并且有较高的密度比冲；(3)低感度、低毒：美军通过大量研究表明，胶体推进剂的反应性低，对撞击、枪击、静电等的感度较固、液推进剂都低，而且挥发性低，毒性小，完全符合“钝感弹药要求”；(4)低信号特征：适当调配胶体推进剂固体填料配方就能够显著降低发动机羽烟的可探测性水平，使之成为优异的低信号特征推进剂；(5)抗高过载：由于胶体推进剂的胶体触变性，使得推进剂的抗高过载能力突出，已有研究表明，在高过载条件下，胶体体系仍然具备较好的稳定性。

2.3.2缺点[11](1)与固体推进剂相比，胶体推进剂需要增加输送和控制部件；(2)胶体推进剂流变性不太稳定，与温度有指数关系，会影响内弹导特性调节精度。

2.4与固体、液体推进剂性能的比较[1,2]衡量航天器推进剂性能的主要指标是能量特性、使用性能和经济性能，理想的推进剂应该是：1）比冲高、密度大、燃烧产物的摩尔质量小；2）有足够的物理化学稳定性、有较好的材料相容性、毒性小、对机械冲击不敏感以免着火、爆炸；3）生产工艺简单、原材料来源广、成本低。

胶体推进剂与固体、液体推进剂相比具有很大优势，具体如下所述：2.4.1与固体推进剂相比胶体推进剂与固体推进剂相比具有以下优点:(1)胶体推进剂在一定压力下有一定的流动性，因而能在飞行过程中调节流量、调节推力，还可做到多次启动。

(2)处理胶体推进剂在成本上、人员危险程度上要比处理液、固体推进剂小得多。

2.4.2与液体推进剂相比胶体推进剂与液体推进剂相比具有以下优点：(1)密度增大：在液氢中加35%甲烷，密度增高50%；加70%铝粉，密度增高300%。

密度增大可减小贮箱体积及传输系统质量，减少结构重量。

(2)粘度增大：液氢中加10%～15%乙烷，粘度增加1.5～3.7倍，粘度增大可减少泄漏带来的危险，降低贮箱气密要求，增加贮存和使用的安全性。

(3)降低蒸发速率：液氢蒸发速率为 4.7cm3/min；加79%铝粉蒸发速率为1.0cm3/min；加36%二氧化硅粉蒸发速率为2.0cm3/min。

降低蒸发速率可减少贮存、运输期间的蒸发，可节省燃料,降低成本,还有利于环保。

(4)加入含能胶粒可提高比冲，提高飞行速度，增加有效载荷：液氢中加5%甲烷，比冲提高4s；加60%铝粉，比冲提高5～6s。

(5)对钝化的铝腐蚀速率低：由甲肼-抑制性红烟硝酸组成的胶体推进剂对钝化的铝合金的腐蚀速率低，即与钝化的铝合金有良好的相容性，在49℃或室温下小于25.4μm/年，因此可长期贮存。

2.4.3胶体、液体、固体推进剂安全性比较胶体推进剂与液体、固体推进剂的安全性能比较[1,2,3,5]作用类型胶体推进剂固体推进剂液体推进剂振动不敏感爆轰、爆炸、爆燃不敏感静电放电不敏感爆轰、爆炸、爆燃不敏感误点火通过系统设计防止误点火灾难性事故，导致火箭进入操作程序通过系统设计防止误点火点火/操作设计了外部处理系统，不会产生推力灾难性事故，导致火箭进入操作程序设计了外部处理系统，不会产生推力在密闭空间燃烧不产生有毒产物产生致死剂量HCl 不产生有毒产物在密闭空间泄露的毒性蒸发损失小，允许使用呼吸面具/惰性/易于清除清理时需要戴呼吸面具，穿防护衣，燃烧的推进剂是惰性的短时间内能达到致死浓度点火，自燃加载燃烧直至耗尽不加控制的燃烧、爆燃加载燃烧直至耗尽枪弹或碎片撞击只在界面燃烧爆轰、爆炸、爆燃满负载燃烧直至耗尽3胶体推进剂研究体系及应用3.1导弹方面[3,5,6]导弹用胶体推进剂一般划分为三类：1)添加铝粉的胶体推进剂：甲基肼中添加铝粉,抑制红烟硝酸中添加硝酸锂；2)最小特征信号胶体推进剂：含碳甲基肼和不含硝酸锂的抑制红烟硝酸；3)少烟胶体推进剂：甲基肼胶体和抑制红烟硝酸胶体中不含其它添加剂。

含铝粉的胶体推进剂具有高的密度比冲，在靶机燃料箱中具有至关重要的钝感弹药相容性，而且运输安全性良好；无填料的胶体推进剂羽烟含烟量最小，比纯液体推进系统在安全性、钝感弹药相容性方面有所改善，但由于惰性凝胶剂的影响，比冲有所降低；含固体填料的胶体推进剂，密度比冲接近高性能含烟固体推进剂的值。

3种胶体推进的特性比较比较内容密度比冲m/s羽烟可见度含铝粉胶体9.8 高灵巧弹射座椅；动能拦截器；导弹防御系统助推级和上面级；数据采集与核对系统(DACS)含碳胶体19.6 低/中要求羽烟特征信号最小的战术导弹纯胶体29.4 低要求少烟的战术导弹3.2航天运载火箭方面目前国外正在研究的、航天运载火箭上用的胶体推进剂主要有：胶氢、煤油胶体、甲基肼(MMH)胶体和混肼-50胶体、金属化胶体单元推进剂和金属化胶体液氧单元推进剂等[1,5,6]。

3.2.1胶氢[5,7,17]胶氢可用于运载火箭和上面级、组合循环冲压发动机、火箭冲压发动机，也可用于单级入轨、可重复使用的运载火箭。

氢胶具有下列5个优点:(1)增加安全性:液氢凝胶化以后粘度增加1.5～3.7倍，降低了泄漏带来的危险。

(2)减少蒸发:氢凝胶化以后，蒸发速率仅为液氢的25%。

(3)增大密度；液氢中添加35%甲烷，密度可提高50%左右；液氢中添加70%(摩尔比)铝粉，密度可提高300%左右。

(4)减少液面晃动：液氢凝胶化以后，液面晃动减少了20%～30%，有助于上面级的长期贮存，并可减少挡板尺寸和数量。

(5)提高比冲:以甲烷作为液氢的胶凝剂，当甲烷添加量为5%时，比冲可提高4s；当铝粉添加量为60%时，比冲可以提高5～6s。

3.2.2煤油胶体[5]20世纪80年代中期，美国宇航局开始研究金属化胶体RP-1火箭煤油。

RP-1煤油添加55%铝粉，密度可以从0.773增大到1.281，当有效载荷为2.25×104kg 时，如果助推器采用LO2/RP-1，贮箱体积为351.1 m3；如果改用LO2/RP-1/Al，则贮箱体积可减小到304.7 m3。

3.2.3甲基肼(MMH)胶体和混肼-50胶体[5]当铝粉添加量为50%时，甲基肼密度可由0.87增大到1.324，比冲也有显著增加。

甲基肼和金属化甲基肼性能比较推进剂输送方式氧化剂比冲/（m/s）比冲效率不加铝粉添加铝粉泵压式四氧化二氮（NTO）3015.5 3125.2 0.92挤压式2747.9 2727.3 0.923.2.4金属化胶体单元推进剂金属化胶体推进剂是在液体推进剂中加入胶凝剂形成凝胶，并加入高热值金属粉末混合均匀，使金属粒子悬浮于其中而形成稳定的胶状物质[8,9]。

金属化胶体单元推进剂是将常规高能液体燃料、氧化剂和固体燃料混合形成的，可用于灵巧战术弹、拦截弹(包括动能杀伤器及助推器)、运载火箭上面级、先进飞行员弹射系统以及吸气式发动机等方面，是导弹武器和新一代大型运载火箭推进剂的发展趋势，可望在军事航天领域得到广泛应用，美、法等国已将这种配方应用到水下推进系统、太空飞船动力系统及导弹推进系统等方面。

美国大西洋研究公司研制的阿科胶单元推进剂---APG-42推进剂，密度可达1.8 g/cm3，比冲可达2557.8 m/s(室压6.895mPa，出口压力0.101 mPa)。

而航天飞机所使用的聚丁二烯-丙烯酸-丙烯腈固体推进剂(PBAN)，密度是1.77 g/cm3，比冲为2466.7 m/s(室压4.233mPa，面积比7.72)[5]。

3.2.5金属化胶体液氧单元推进剂在21世纪，许多国家都计划在月球建设永久性基地。

月球土壤中有多种氧化物，可以用来生产液氧/金属胶体单元推进剂，采用这种推进剂可以从月球返回地球，或者从月球飞往火星[5]。

几种月球推进剂的最高比冲月球推进剂品种最高比冲/（m/s）固体含量LO2/Al2770.5Al 33% LO2/Al-Mg(80/20)2754.8Al-Mg 40% LO2/Si2666.6Si 30%LO2/Fe1794.4Fe 8.94%3.3民用方面目前，胶体推进剂在民用上也卓有成效，胶体灭火剂、胶体焊接剂和原油压裂弹等的研究已经进入实用化阶段，俄罗斯已将该推进剂用于人工降雨和防雹火箭型号上。