H2O2复合推进剂的能量性能①

张运刚，庞爱民，肖金武，李文斌，袁 华

(1．华中科技大学，武汉 430074;2．中国航天科技集团公司四院四十二所，襄阳 441003)

0 引言

发展高能、绿色环保推进剂是推进剂研究工作者一直努力追求的目标。随着低温固体推进剂(CSP，Cryogenic Solid Propellant)概念的提出，以及相关研究不断取得进展［1－4］，使得“高能“和“绿色环保”在 CSP上找到了较好的契合点。德国航天研究所AI(Aerospace Institute)的 Roger E L、Harry A 等［5］研究开发的CSP，是将液体H2O2在低温下冷冻成固体，并与其他固体燃料组合在一起制成的一种新型绿色高能复合推进剂。H2O2复合推进剂的主要燃烧产物是无毒、无污染的H2O、H2，以及少量碳氧化合物和固体金属氧化物残渣，产物中没有HCl，因而具有绿色环保特性。H2O2含氧量高达94．1%，有效氧含量高达47．05%，因而H2O2复合推进剂具有潜在的高能特性。Harry A、Roger E L等［9］在膨胀比ε=68的条件下，计算了所有类型化学推进剂的能量性能。结果表明，H2O2/PE、H2O2/HTPB液体或混合推进剂的真空理论比冲在2 744～4 410 N·s/kg之间，远高于相同条件下常规固体推进剂的真空理论比冲(2 156～2 744 N·s/kg)。Franson C，Orlandi O 等［10］在 pc=7 MPa、pa=0、ε =40的条件下，计算了H2O2低温固体推进剂的真空理论比冲。结果表明，H2O2/Al组合的最高真空理论比冲为3 204．6 N·s/kg，H2O2/HTPB组合的最高真空理论比冲为3 351．6 N·s/kg，H2O2/AlH3组合的最高真空理论比冲为3 792．6 N·s/kg，均高于相同条件下常规固体推进剂HTPB/AP/Al的最高真空理论比冲(3 087 N·s/kg)。由此可见，H2O2复合推进剂的能量性能要远高于常规固体推进剂。

本文在文献分析和前期研究的基础上，对H2O2复合推进剂的能量性能进行理论分析和计算，考察配方组分和配比对能量性能的影响，为H2O2复合推进剂配方研究提供理论基础。

1 推进剂组分及理论计算条件

1．1 H2O2复合推进剂组分

在前期研究中，对H2O2复合推进剂的组分进行了筛选，初步确定了以下几类推进剂组分:

(1)基体材料:碳氢材料LZY(内含少量凝胶剂、偶联剂、H2O2稳定剂等)，作用是形成H2O2复合推进剂的固体结构框架;(2)氧化剂:H2O2(100%);(3)碳氢燃料:PE(聚乙烯)、HTPB(端羟基聚丁二烯)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮);(4)金属(金属氢化物)燃料:Al、AlH3。

1．2 理论计算条件

利用最小自由能原理、采用ramj能量计算软件计算H2O2复合推进剂的能量性能，设定如下计算条件:推进剂初温T0=298．15 K;燃烧室压强pc=6．86 MPa;出口压强 pe=0．101 MPa;环境压强 pa=0．101 MPa。此条件下计算得到的比冲是最佳喷管扩张比情况下的标准理论比冲，这一点与文献中的真空理论比冲有所不同。

1．3 能量性能表征参数

对固体推进剂而言，主要用推进剂密度ρ、燃温Tc、燃气平均相对分子质量、标准理论比冲Isp、特征速度C*、定容爆热Qv等参数表征能量性能。固体推进剂标准理论比冲，提高T或降低可

c提高Isp，提高ρ可提高推进剂密度比冲。本文主要研究了 H2O2复合推进剂配方组分及配比对 Tc、Isp、ρ等能量性能参数的影响，同时通过考察 C*、Qv等参数，对H2O2复合推进剂和常规固体推进剂的能量性能进行了比较。

2 结果及讨论

2．1 燃料种类对能量性能的影响

在H2O2复合推进剂组分中，基体材料LZY的主要作用是形成H2O2复合推进剂的固体结构框架，但也作为燃料参与燃烧;Al、AlH3是金属(金属氢化物)燃料，用来提高Tc和Isp;PE、HTPB、PVP是碳氢燃料，主要作用是调节燃气产物的，同时PE、PVP作为固体填料，还可提高H2O2复合推进剂的结构强度。为了考察 LZY、Al、AlH3、PE、HTPB、PVP 等 6 种燃料对能量性能的影响，分别计算了 H2O2/LZY、H2O2/Al、H2O2/AlH3、H2O2/PE、H2O2/HTPB、H2O2/PVP 等体系的 ρ、、Tc、Isp，结果见图 1 ～ 图 4。

由图1～图4可见，提高Al含量，可显著提高ρ和Tc，但同时也大大提高，而当Al含量在15% ～50%之间时，Al含量对Isp影响不大;提高AlH3含量，可显著提高Isp和Tc，而对ρ和影响不大;提高LZY含量，ρ、均降低，且 LZY/H2O2体系 Tc和 Isp均较低;对于PE/H2O2、HTPB/H2O2、PVP/H2O2体系，提高燃料含量，ρ、均降低，而Tc和Isp呈现先增后降的趋势。

图1 燃料含量对ρ的影响Fig．1 Influence of fuel content on ρ

图2 燃料含量对 的影响Fig．2 Influence of fuel content on

图3 燃料含量对Tc的影响Fig．3 Influence of fuel content on Tc

图4 燃料含量对Isp的影响Fig．4 Influence of fuel content on Isp

对于3种碳氢燃料PE、HTPB、PVP，HTPB在常温下呈液态，不适用于H2O2复合推进剂，而PE和PVP对能量性能的影响效果相当。因此，在后续研究中，主要选择PE作为研究对象。由图4还可看出，当PE/H2O2=13/87时，标准理论比冲达最高值2 731．3 N·s/kg。在此基础上，以10%Al取代10%H2O2，计算其ρ、Tc、Isp，测试其 Qv，结果见表 1。

表1 10%Al取代10%H2O2对能量性能的影响Table 1 Influence of 10%Al replaced by 10%H2O2 on energy property

由表1可见，当PE含量为13%时，用10%Al取代10%H2O2，Isp提高1．6%，Qv提高3．2%，ρ提高4．6%，Tc提高289 K。因此，可通过调节PE/Al/H2O2的配比，来达到 Isp、Qv、ρ、Tc之间的平衡。

2．2 H2O2/燃料配比对能量性能的影响

在保证H2O2复合推进剂结构强度的前提下，将基体材料 LZY的含量固定为7%，调节 PE/H2O2、Al/H2O2、AlH3/H2O2配比，计算 LZY/PE/H2O2、LZY/Al/H2O2、LZY/AlH3/H2O2体系的、Tc、Isp，结果见图 5～图8。

图5 燃料含量对ρ的影响(wt(LZY)%=7%)Fig．5 Influence of fuel content on ρ(wt(LZY)%=7%)

图6 燃料含量对的影响(wt(LZY)%=7%)Fig．6 Influence of fuel content on M— (w(LZY)%=7%)t

图7 燃料含量对Tc的影响(wt(LZY)%=7%)Fig．7 Influence of fuel content on Tc(wt(LZY)%=7%)

图8 燃料含量对Isp的影响(wt(LZY)%=7%)Fig．8 Influence of fuel content on Isp(wt(LZY)%=7%)

由图5～图8可看出，当wt(LZY)%=7%时，随着LZY/PE/H2O2体系中PE含量提高，燃烧产物的M—降低，有利于提高Isp，但PE含量的提高使得ρ和Tc均降低，降低了能量性能。因此，PE含量不宜过高。随着LZY/Al/H2O2体系中Al含量提高，ρ、Tc均显著提高，有利于提高能量性能，但随着Al含量的提高，燃烧产物的M—也显著提高，降低了能量性能。随着 LZY/AlH3/H2O2体系中 AlH3含量的提高，ρ、M—、变化不大，Tc有所提高，而Isp显著提高。

对于固体推进剂，为了获得较高的能量性能，必须使Tc较高，且燃烧产物的 M—较低。由于 LZY/Al/H2O2体系Tc高，燃烧产物的 M—大，而 LZY/PE/H2O2体系Tc低，燃烧产物的M—较小。因此，配方中必须同时添加Al和PE，调节LZY/Al/PE/H2O2的配比，才能获得较高的能量性能。对于AlH3，在确保配方工艺性能和安全性能的前提下，可适当提高其含量。

2．3 LZY/PE/Al/H2O2配比对能量性能的影响

将基体材料LZY的含量固定为7%，然后分别将H2O2含量固定为47%、48%、49%、……、69%、70%，再在每个H2O2含量下分别调节PE/Al配比，计算Isp，得到24条Isp-PE含量关系曲线，见图9。取每条曲线上的Isp最大值及相应配方组成、Tc、ρ，见表2。

图9 PE/Al配比对Isp的影响(wt(LZY)%=7%、wt(H2O2)%=47%～70%)Fig．9 Influence of the ratio of PE/Al on Isp(wt(LZY)%=7%，wt(H2O2)%=47%～70%)

表2 Isp最大值及相应的配方组成、燃温、密度Table 2 Maximal values of Ispand corresponding formula composition，combustion temperature，propellant density

由图9和表2可见，当wt(LZY)%=7%、H2O2含量在47% ～70%变化时，Isp均随PE含量先升后降;当H2O2含量在48% ～70%变化时，LZY/PE/Al/H2O2体系的Isp最大值均在2 740．1 ～2 755．8 N·s/kg，Isp最大值几乎与H2O2的绝对含量无关，而只与H2O2/PE/Al的配比有关。

在设计H2O2复合推进剂配方时，从提高推进剂Tc考虑，Al含量应该稍高一些，但Al含量太高，将导致燃烧效率下降;从降低燃烧产物的M—和提高推进剂结构强度考虑，PE含量应该高一些，但PE含量太高，将导致Isp和Tc下降;从提高燃烧效率方面考虑，H2O2含量应该高一些，但H2O2含量太高，将给H2O2复合推进剂的成型工艺和安全性能带来影响。因此，应综合考虑能量性能、燃烧温度、燃烧效率、成型工艺、安全性能、密度、结构强度等因素，对LZY/PE/Al/H2O2的配比进行综合调节，以达到各项性能之间的平衡。

2．4 LZY含量对能量性能的影响

基体材料LZY的含量主要影响H2O2复合推进剂的成型工艺和结构强度，但对能量性能也有影响。采用2．3节的处理方法，分别计算了wt(LZY)%=6% ～9%时不同H2O2含量下的标准理论比冲最大值，结果见图10。由图10可见，当H2O2含量高于48%时，不论LZY含量如何，LZY/PE/Al/H2O2体系的标准理论比冲最大值都几乎与H2O2的绝对含量无关;而当H2O2含量相同时，LZY含量每提高1%，标准理论比冲最大值约降低5．9 N·s/kg左右。因此，在确保H2O2固体推进剂成型工艺和结构强度的前提下，LZY的含量应尽量低一些。

图10 不同LZY含量标准理论比冲最大值与H2O2含量关系Fig．10 Maximal value of Ispunder different LZY contents vs corresponding H2O2contents

2．5 AlH3对能量性能的影响

为了进一步提高推进剂能量性能，需要在配方中添加AlH3。将LZY含量固定为7%，AlH3含量分别固定在5%、10%、14%，再在每个 AlH3含量下，分别将H2O2含量固定为47%、48%、49%、…、69%、70%。然后，在每个H2O2含量下，分别调节PE/Al配比，计算标准理论比冲，取每种情况下的标准理论比冲最大值，结果见图11。由图11可见，在基体材料LZY含量为7%的条件下，LZY/PE/Al/AlH3/H2O2体系标准理论比冲最大值的变化规律与LZY/PE/Al/H2O2体系的变化规律相同，当H2O2含量高于49%时，标准理论比冲最大值几乎与H2O2绝对含量无关，而只与组分配比有关。在H2O2含量相同的条件下，体系中AlH3含量每增加5%，标准理论比冲大约增加34．3 N·s/kg。当AlH3含量为14%、H2O2含量在48% ～66%时，体系的标准理论比冲高于2 842 N·s/kg。

2．6 H2O2复合推进剂与常规固体推进剂能量性能比较

计算了典型的HTPB推进剂、NEPE推进剂、H2O2复合推进剂配方的Isp和C*，测试了其Qv，结果见表3。

表3 几种推进剂能量性能比较Table 3 Comparision of energy property of several different propellants

由表3可见，H2O2复合推进剂的Isp、C*、Qv均高于HTPB推进剂和NEPE推进剂。其中，Isp比HTPB推进剂高6．5%，比 NEPE推进剂高3．3%;Qv比 HTPB推进剂高33．3%，比NEPE推进剂高23．5%。结果显示，H2O2复合推进剂是一种能量性能更高的推进剂。

3 结论

(1)H2O2复合推进剂配方中Al含量越高，Tc越高，燃烧产物的越大，PE含量越高，燃烧产物的M—越小，Tc越低，因此，配方中必须同时添加Al和PE，才能获得较高的能量性能;

(2)对于LZY/PE/Al/H2O2体系，LZY含量每降低1%，Isp约提高5．9 N·s/kg;当 LZY含量为7%、H2O2含量在48% ～70%之间变化时，LZY/PE/Al/H2O2体系 Isp最大值均在 2 740．1 ～2 755．8 N·s/kg之间，Isp最大值几乎与H2O2的绝对含量无关，而只与H2O2/PE/Al的配比有关;

(3)要进一步提高H2O2复合推进剂的能量水平，配方中必须添加AlH3;在H2O2含量相同的条件下，AlH3含量每增加5%，其标准理论比冲约增加34．3 N·s/kg;当LZY含量为7%、AlH3含量为14%、H2O2含量在48% ～66%之间时，其标准理论比冲均高于2 842 N·s/kg。

(4)H2O2复合推进剂是一种比HTPB、NEPE推进剂能量更高的推进剂，在固体火箭发动机领域具有广阔的应用前景。

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