【原创】固体推进剂中添加能材的思考

在固体推进剂中适当地添加能材是改善推进剂能量的有效方式。除含能增塑剂外,还可以添加其他含能材料,一般是猛炸药类。曾经看到有网友提问说“5-ATN添加在发射药中怎么样”,包括我自己也曾有过类似的疑问,那么现在,我就用理论分析和模拟数据来解答。 

首先,什么样的物质可以用作能材添加剂? 

不难想象,推进剂的能材添加剂不能有太高的感度,否则也会拉高推进剂的感度。当然也有例外:NG、EGDN等含能增塑剂,虽然感度颇高,但由于添加量不会很大,且会均匀分散在粘合体系中,因此并不会明显拉高推进剂的感度。而对于固体能材的添加,则需要考虑到其感度问题。所以,想在推进剂中添加MHN、ETN等高感度能材是不合适的。更有甚者在推进剂中添加起爆药(如TATP),真可以认为是自寻危险了。 

同时,能材添加剂的能量应该较高。不仅仅指爆热,能量会体现在诸多方面,这将在后文进行详细论述。 

还有一点很重要,就是添加剂的安定性。假如添加剂的感度不高,能量足够,但却会在短期内变质(如HBT),则也没有什么意义。 

那么接下来,就是对能量相关的讨论。 

我们可以先看一张表格,里面列出的是我曾经想过往推进剂中添加的能材的各方面性能。这些能材除DNOAF和DNMT外,都是通过了上面讨论的筛选的,而DNOAF和DNMT之所以在较高的感度下还能在列表中有一席之地,是因为它们极其突出的爆热性能。另有RDX和HMX两种应用广泛的能材添加剂作为对比。 

考虑到我的模拟软件用的单位比较奇怪,下表中的生成焓采用卡/克为单位。 

种类 

爆热(kJ/kg) 

爆容(L) 

生成焓(cal/g) 

感度 

氧平衡 

密度 

5-ATN 

3658 

877 

-119.62 

11J 

 

1.847 

NQ 

3724 

895 

-213.73 

>49J 

-30.7% 

1.7 

NU 

3782 

852 

-644.9 

 

-7% 

 

EDNA 

5343 

895 

-166.99 

>30J 

-31.98% 

1.605 

HN 

3869 

1001 

-630.10 

14J 

+8.4% 

1.6 

FOX-7 

4446 

907 

-32.15 

一说342J 

-21.6% 

1.885 

TAGZT 

3277 

981 

+256.94 

4J 

 

1.602 

DATH 

6623 

839 

+181.20 

>5J 

-30% 

1.71 

DNOAF 

7095 

658 

+561.12 

3.5J 

-5.88% 

1.91 

DNMT 

8130 

772 

+921.19 

3J 

-9% 

1.87 

RDX 

5737 

865 

+71.70 

9J 

-21.6% 

1.816 

HMX 

5713 

865 

+60.50 

7J 

-21.6% 

1.91 

 

模拟软件:Cpropep,这个软件是上世纪80年代NASA用的整套模拟系统中的一个碎块,用的应该是传统的预设-迭代计算路线,虽然计算比较慢,但是可靠性还是比较不错的。 

当然,首先要做的事情是,把上述能材的数据输入到Cpropep的数据库里。这个工作几经周折,因为最初我对Cpropep数据库的格式掌握的不甚准确,曾经出现模拟时的生成焓数据出错、甚至化学式出错等情况,不过后来还是解决了。

由于本人最近在研究AN基推进剂,因此这一次的模拟以AN-PU以及AN-PU-Mg推进剂为基础进行。能材的一般添加方法是替代一部分的氧化剂,本帖也采用这样的方法。 

为了降低模拟难度,同时又取得比较完整的数据,本帖中能材添加剂与氧化剂的含量按10%增减,若无特殊情况,在能材添加剂刚刚超过主氧化剂时结束模拟。 

本帖中数据均为8MPa下的数据,比冲均为海平面理论比冲。 

本帖中,数据将采用列表法显示。靠后部分的影响因素讨论部分将会有拟合曲线图(或折线图)以便对比观察。 

 

先进行5-ATN的模拟。首先是不含金属粉末的AN-PU-ATN,用ATN来部分代替AN作为氧化剂。基础配方中,含有83%的AN和17%的PU。 

AN 

5-ATN 

比冲(s) 

燃温(K) 

特征速度(m/s) 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

216.9 

1954 

1334 

63 

20 

216.3 

1939 

1332 

53 

30 

215.7 

1924 

1328 

43 

40 

215.0 

1909 

1325 

33 

50 

214.3 

1892 

1320 

可以看到,随着5-ATN的增加,推进剂的比冲、燃温和特征速度都有轻微下降。5-ATN从0%增加到50%过程中,比冲下降了3.2s,燃温降低了75K,特征速度降低了17m/s。这些对于推进剂性能影响不大,因此5-ATN用作无金属推进剂的能材添加剂比较鸡肋,但是有降低特征信号之作用(因为含氮量较高)。 

 

然后是含有Mg粉的配方模拟。基础配方含有70%AN、17%Mg、13%PU。 

AN 

5-ATN 

比冲(s) 

燃温(K) 

特征速度(m/s) 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

250.6 

2908 

1511 

50 

20 

250.8 

2911 

1516 

40 

30 

250.9 

2913 

1521 

30 

40 

251.0 

2913 

1525 

加了Mg粉之后,结果变得相反:性能随5-ATN含量增加而略微上升。5-ATN从0%增加到40%的过程中,比冲上升了0.7s,燃温上升了10K,特征速度提高了18m/s。这点性能提升对于推进剂能量的帮助微乎其微,但考虑到5-ATN的密度是1.847g/cm³,而两个基础配方的密度分别只有1.602和1.635g/cm³,5-ATN可以提高密度比冲,这也是提高火箭性能的。不过,5-ATN具有较强的酸性,与Mg粉的相容性尚有待验证。 

 

下面是火箭推进剂常用的降温剂——NQ。 

同样,先用不含金属的配方试: 

AN 

NQ 

比冲(s) 

燃温(K) 

特征速度(m/s) 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

215.8 

1908 

1328 

63 

20 

214.2 

1847 

1318 

53 

30 

212.7 

1786 

1306 

43 

40 

211.3 

1723 

1294 

33 

50 

210.0 

1660 

1279 

可以看到随着NQ的增加,比冲和特征速度略有下降,而燃温则出现了暴降的现象。NQ含量从0%增加到50%的过程中,比冲降低了7.5s,燃温降低了307K,特征速度降低了58m/s。可以看出性能降低不明显,但燃烧温度降低了很多。这意味着发动机的防热措施可以减少很多,降低消极质量,对提升火箭性能是有利的。 

 

接下来是含有Mg的配方: 

AN 

NQ 

比冲(s) 

燃温(K) 

特征速度(m/s) 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

250.3 

2866 

1512 

50 

20 

250.0 

2826 

1516 

40 

30 

249.6 

2782 

1519 

30 

40 

248.9 

2735 

1520 

在含Mg的配方中,随着NQ的增加,比冲略有下降,燃温明显下降,特征速度略有上升。在NQ含量从0%增加到40%的过程中,比冲下降了1.4s,燃温降低了178K,特征速度升高了13m/s。同样也是在性能变化不大的情况下大幅降低了燃温。NQ的密度是1.7g/cm³,对推进剂的密度影响不太大。从这些数据我们也可以看出,NQ能作为常用的降温剂,自然有它的道理在。 

 

然后是在火箭方面名不见经传的NU。 

无金属配方结果如下: 

AN 

NU 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

214.0 

1908 

1316 

63 

20 

210.5 

1847 

1293 

53 

30 

206.9 

1783 

1270 

43 

40 

203.4 

1717 

1245 

33 

50 

199.9 

1648 

1219 

可以看到随着NU的增加,推进剂的性能出现明显下降。随着NU从0%增加到50%,推进剂的比冲降低了17.6s,燃温降低了319K,特征速度降低了118m/s。可以看到其降低燃温的效果与NQ相近,但是对比冲等性能的拉低较为严重,因此应用远不如NQ广泛。 

接下来看含Mg的配方:

AN 

NU 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

248.0 

2871 

1496 

50 

20 

245.6 

2836 

1484 

40 

30 

243.0 

2798 

1471 

30 

40 

240.4 

2757 

1458 

我们观察到了与无金属配方相似的现象。随NU从0%增加到50%,比冲下降了9.9s,燃温降低了146K,特征速度降低了49m/s。同样地,也是拉低性能较为严重。由此可见,NU在燃料领域名不见经传也是有原因的。 

 接下来是EDNA。由于密度低和酸性等原因,未见其在火箭中的应用,但是其能量特性如何呢? 

AN 

EDNA 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

217.5 

1939 

1338 

63 

20 

217.5 

1910 

1338 

53 

30 

217.4 

1880 

1337 

43 

40 

217.4 

1849 

1335 

33 

50 

217.3 

1817 

1333 

可见,EDNA对无Mg的AN推进剂比冲和特征速度影响不大,有一定降低燃温的作用。随着EDNA含量由0%增加到50%,比冲下降0.2s,燃温降低150K,特征速度先升高1m/s,再降低5m/s。EDNA密度与原推进剂相差不大,因此对密度也没有明显贡献。就模拟结果而言,EDNA作为降温剂应该也是可行的。 

接下来是含Mg的配方。 

AN 

EDNA 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

251.3 

2888 

1516 

50 

20 

252.1 

2871 

1526 

40 

30 

252.8 

2852                

1535 

30 

40 

253.3 

2830 

1543 

这里我们看到,随着EDNA的增加,比冲和特征速度均上升,而燃温有所下降。随着EDNA从0%增加到40%,比冲升高了3s,燃温降低了73K,特征速度升高了36m/s,理论上对于推进剂的能量应该是有益的。推测没有应用的原因在于,EDNA有较明显的酸性,与Mg混合的安定性不好。 


然后是HN。先是不含Mg的配方模拟。 

AN 

HN 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

219.2 

1981 

1348 

63 

20 

220.8 

1995 

1358 

53 

30 

222.4 

2010 

1369 

43 

40 

224.1 

2024 

1380 

33 

50 

225.7 

2038 

1391 

可以看到,HN增加时,三项性能均有一定的上升。随着HN从0%增加到50%,比冲升高了8.2s,燃温升高了71K,特征速度升高了54m/s。但HN的密度略低于AN密度,因此会使密度轻微下降。 

然后是含有Mg的配方模拟。 

AN 

HN 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

252.0 

2913 

1518 

50 

20 

253.7 

2923 

1529 

40 

30 

255.4 

2932 

1541 

30 

40 

257.1 

2941 

1552 

与不含Mg的现象类似,HN增加时三项性能均上升。随着HN从0%增加至40%,比冲上升了6.2s,燃温上升了38K,特征速度上升了45m/s。同样,HN会拉低密度,因此实际性能如何尚有待商榷。 


接下来是FOX-7。很多朋友们对此物寄予厚望,那么实际上FOX-7的能量如何呢? 

AN 

FOX-7 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

218.9 

1985 

1346 

63 

20 

220.1 

2002 

1354 

53 

30 

221.2 

2018 

1362 

43 

40 

222.2 

2034 

1369 

33 

50 

223.2 

2050 

1376 

可以看到,FOX-7对无Mg推进剂的性能提升不大。随着FOX-7从0%增加到50%,比冲增加5.7s,燃温提高了83K,特征速度升高了39m/s。 

然后是含有金属的配方。 

AN 

FOX-7 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

251.9 

2929 

1518 

50 

20 

253.3 

2954 

1530 

40 

30 

254.8 

2976 

1542 

30 

40 

256.2 

2994 

1553 

可以看到,在含Mg的推进剂中,FOX-7的能量提升也不是很明显。随着FOX-7从0%增加到40%,比冲增加了5.9s,燃温提高了91K,特征速度升高了46m/s。考虑到FOX-7的密度较高,其对推进剂的能量提升可能比数据显示的更加明显。不过尽管如此,FOX-7的能量可能还是不尽如人意。 

接下来是典型的高氮能材TAGZT。从很多计算数据来看,TAGZT的性能十分突出(例如某些文献中计算爆速高达9050m/s)。但是鉴于最近高氮贫氧新型能材被频繁啪啪打脸,可能模拟数据并不会太好看。先是无金属的配方。 

AN 

TAGZT 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

206.6 

1720 

1269 

63 

20 

197.0 

1468 

1191 

53 

30 

189.5 

1274 

1134 

43 

40 

183.6 

1201 

1094 

33 

50 

178.3 

1161 

1061 

不出意料,TAGZT严重拉低了推进剂的性能,随着TAGZT含量从0%增加到50%,比冲降低了39.2s,燃温降低了906K,特征速度降低了276m/s。不难想象,TAGZT分子内不含氧,导致其严重拉低了推进剂的氧平衡,进而影响了燃温、比冲等性能。 

然后是含Mg的推进剂配方。 

AN 

TAGZT 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

244.0 

2719 

1480 

50 

20 

236.1 

2504 

1442 

40 

30 

226.7 

2265 

1393 

30 

40 

222.3 

2164 

1361 

可见TAGZT又一次拉低了推进剂的性能。随着TAGZT含量从0%增加到40%,比冲降低了27.7s,燃温降低了739K,特征速度降低了146m/s。推测此次模拟中,性能降低的原因与无Mg配方应该是相同的。 

然后是DATH的模拟。先是无金属的配方。 

AN 

DATH 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

216.5 

1934 

1332 

63 

20 

215.3 

1900 

1325 

53 

30 

214.2 

1863 

1318 

43 

40 

213.0 

1824 

1308 

33 

50 

211.9 

1784 

1298 

结果出乎意料,DATH竟然拉低了无金属AN配方的性能。随着DATH含量由0%增加到50%,推进剂的比冲降低了5.5s,燃温降低了183K,特征速度降低了39m/s。DATH性能本应优秀(单独模拟时比冲高达239s),这样的结果的成因笔者暂时没有分析出来。 

随后是含金属配方。 

AN 

DATH 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

250.5 

2894 

1512 

50 

20 

250.5 

2882 

1518 

40 

30 

250.4 

2867 

1522 

30 

40 

250.0 

2843 

1526 

DATH在含金属推进剂中对比冲影响不大,燃温有所降低,特征速度略有升高。随着DATH从0%增加到40%,比冲先升高0.2s,后降低0.5s,燃温降低60K,特征速度升高19m/s,整体来讲影响不大,比较鸡肋。 

然后是DNOAF的模拟。 

AN 

DNOAF 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

220.2 

2039 

1354 

63 

20 

222.7 

2113 

1370 

53 

30 

224.9 

2190 

1386 

43 

40 

227.0 

2271 

1402 

33 

50 

228.9 

2356 

1418 

DNOAF不负众望,提高了推进剂的性能。随着DNOAF含量从0%增加至50%,推进剂的比冲上升了11.4s,燃温上升了399K,特征速度上升了81m/s,整体提升比较明显。但是DNOAF成本较高(实验室制备成本在2500RMB/kg上下),感度也略显高,因此不适合大量添加。 

接下来是含金属推进剂配方的模拟。 

AN 

DNOAF 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

252.5 

2983 

1521 

50 

20 

254.7 

3059 

1535 

40 

30 

256.7 

3100 

1549 

30 

40 

258.6 

3100 

1561 

DNOAF再一次提高了推进剂的性能。随着DNOAF含量由0%增加至40%,推进剂的比冲上升了8.3s,燃温升高了197K,特征速度升高了54m/s。 

接下来是DNMT的模拟。照例先是无金属配方。 

AN 

DNMT 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

227.1 

2156 

1395 

63 

20 

236.2 

2349 

1452 

53 

30 

244.9 

2545 

1507 

43 

40 

253.5 

2743 

1561 

33 

50 

261.8 

2940 

1614 

根据模拟数据,DNMT对于推进剂性能有着堪称变态的提升。随着DNMT含量由0%增加至50%,比冲上升了44.3s,燃温上升了973K,特征速度上升了277m/s。 

接下来是含金属的配方。 

AN 

DNMT 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

257.5 

3055 

1548 

50 

20 

264.3 

3100 

1592 

40 

30 

270.4 

3185 

1628 

30 

40 

276.1 

3299 

1608 

可见性能仍有较大提升。随着DNMT含量由0%增加至40%,比冲上升了25.8s,燃温上升了396K,特征速度上升了101m/s。 

此处引发了笔者的思考:DNMT若能量特性如此之高,不太可能从问世至今无人问津——276.1s的比冲相当诱人,不含金属261.8s的比冲更是堪称变态。加之DNMT的感度不算特别高,与PETN同级,不至于完全没有应用希望。不过,网友@哈哈哈哈哈士奇 曾表示,他DNMT的实测结果与预计性能有较大出入,很大可能的原因是DNMT的生成焓数据有误,考虑到国内文献的水量,这不足为奇。 

含RDX的无金属配方: 

AN 

RDX 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

220.0 

2004 

1352 

63 

20 

222.3 

2040 

1367 

53 

30 

224.4 

2077 

1382 

43 

40 

226.5 

2113 

1396 

33 

50 

228.4 

2150 

1410 

随着RDX由0%上升到50%,比冲上升了10.9s,燃温上升了193K,特征速度上升了73m/s。 

 

含RDX的含金属配方 

AN 

RDX 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

252.7 

2943 

1523 

50 

20 

255.0 

2981 

1539 

40 

30 

257.2 

3015 

1555 

30 

40 

259.4 

3043 

1571 

随RDX由0%增加到40%,推进剂的比冲上升了9.1s,燃温上升了140K,特征速度上升了64m/s。 

 

含HMX的无金属配方 

AN 

HMX 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

219.9 

2003 

1352 

63 

20 

222.2 

2038 

1366 

53 

30 

224.3 

2074 

1381 

43 

40 

226.3 

2109 

1395 

33 

50 

228.2 

2145 

1409 

随HMX含量由0%增加到50%,比冲上升10.7s,燃温上升了178K,特征速度上升了72m/s。 

 

含HMX的含金属配方 

AN 

HMX 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

252.6 

2942 

1523 

50 

20 

254.9 

2980 

1539 

40 

30 

257.1 

3013 

1555 

30 

40 

259.3 

3041 

1570 

随HMX含量由0%增加到40%,比冲上升9.0s,燃温上升了138K,特征速度上升了63m/s。由数据可以看出,HMX对推进剂比冲的提升略逊于RDX,但是HMX有密度优势,因此在性能要求较高的导弹中(如美国三叉戟导弹),含HMX的推进剂应用广泛。 

 

含TN的无金属配方 

AN 

TN 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

225.0 

2153 

1380 

63 

20 

232.0 

2345 

1421 

53 

30 

238.7 

2541 

1460 

43 

40 

245.0 

2736 

1496 

33 

50 

251.0 

2918 

1530 

随TN含量由0%增加到50%,比冲上升33.5s,燃温上升951K,特征速度上升193m/s。 

 

含TN的含金属配方 

AN 

TN 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

254.7 

3052 

1527 

50 

20 

258.5 

3100 

1550 

40 

30 

261.3 

3189 

1551 

30 

40 

263.5 

3325 

1522 

随TN含量由0%增加到40%,比冲上升13.2s,燃温上升422K,特征速度先上升44m/s,再降低29m/s。 

 

含ADN的无金属配方 

AN 

ADN 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

222.8 

2082 

1369 

63 

20 

228.0 

2199 

1400 

53 

30 

233.0 

2316 

1430 

43 

40 

238.0 

2434 

1459 

33 

50 

242.8 

2555 

1487 

随ADN含量由0%增加到50%,比冲上升25.3s,燃温上升588K,特征速度上升150m/s。 

 

含ADN的含金属配方 

AN 

AND 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

253.9 

2995 

1525 

50 

20 

257.4 

3079 

1543 

40 

30 

260.6 

3100 

1561 

30 

40 

263.5 

3100 

1589 

随ADN含量由0%增加到40%,比冲上升了13.2s,燃温上升了197K后趋于平稳,特征速度上升了82m/s。 

 

含FOX-12的无金属配方 

AN 

FOX-12 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

212.6 

1852 

1308 

63 

20 

207.9 

1735 

1276 

53 

30 

203.4 

1616 

1240 

43 

40 

199.5 

1497 

1204 

33 

50 

196.1 

1387 

1174 

随FOX-12含量由0%增加到50%,比冲下降了21.4s,燃温下降了580K,特征速度下降了163m/s。 

 

含FOX-12的含金属配方 

AN 

FOX-12 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

247.7 

2822 

1497 

50 

20 

244.7 

2732 

1484 

40 

30 

241.3 

2635 

1469 

30 

40 

237.5 

2530 

1451 

随FOX-12含量由0%增加到40%,比冲下降了21.5s,燃温下降了373K,特征速度下降了56m/s。 

 

含DNTF的无金属配方 

AN 

DNTF 

比冲 

燃温 

特征速度 

83 

217.5 

1967 

1337 

73 

10 

221.7 

2069 

1362 

63 

20 

225.5 

2173 

1386 

53 

30 

229.2 

2282 

1411 

43 

40 

232.6 

2396 

1435 

33 

50 

236.0 

2517 

1459 

随DNTF含量由0%增加到50%,比冲上升18.5s,燃温上升550K,特征速度上升122m/s。 

 

含DNTF的含金属配方 

AN 

DNTF 

比冲 

燃温 

特征速度 

70 

250.3 

2903 

1507 

60 

10 

253.4 

3003 

1525 

50 

20 

256.4 

3096 

1543 

40 

30 

259.2 

3100 

1564 

30 

40 

261.6 

3109 

1589 

随DNTF含量由0%增加到40%,比冲上升11.3s,燃温上升206K,特征速度上升82m/s。 


接下来对得到的数据进行回归分析:

不同能材含量配方爆热与比冲关系的及回归直线方程如下:

 

10%含量无烟配方:y=0.0016x+210.8,r=0.5498

20%含量无烟配方:y=0.0031x+204.6,r=0.5449

30%含量无烟配方:y=0.0044x+199.0,r=0.5403

40%含量无烟配方:y=0.0057x+194.0,r=0.5358

50%含量无烟配方:y=0.0068x+189.6,r=0.5313

 

10%含量常规配方:y=0.0011x+246.4,r=0.6000

20%含量常规配方:y=0.0022x+242.2,r=0.6047

30%含量常规配方:y=0.0033x+237.5,r=0.6083

40%含量常规配方:y=0.0042x+233.9,r=0.6069

 

爆热与燃温关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=0.0350x+1813.2,r=0.5207

20%含量无烟配方:y=0.0707x+1655.2,r=0.5204

30%含量无烟配方:y=0.1071x+1494.9,r=0.5204

40%含量无烟配方:y=0.1417x+1346.2,r=0.5197

50%含量无烟配方:y=0.1724x+1222.0,r=0.5179

 

10%含量常规配方:y=0.0287x+2786.8,r=0.5547

20%含量常规配方:y=0.0490x+2695.2,r=0.5374

30%含量常规配方:y=0.0720x+2580.2,r=0.5545

40%含量常规配方:y=0.0988x+2441.8,r=0.5495

 

爆热与特征速度关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=0.0096x+1297.1,r=0.5590

20%含量无烟配方:y=0.0195x+1254.4,r=0.5583

30%含量无烟配方:y=0.0297x+1209.6,r=0.5605

40%含量无烟配方:y=0.0388x+1170.3,r=0.5586

50%含量无烟配方:y=0.0473x+1134.4,r=0.5588

 

10%含量常规配方:y=0.0057x+1489.0,r=0.6546

20%含量常规配方:y=0.0121x+1467.5,r=0.6577

30%含量常规配方:y=0.0184x+1444.0,r=0.6705

40%含量常规配方:y=0.0197x+1439.3,r=0.5875

 

生成焓与比冲关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=0.0030x+218.7,r=0.3181

20%含量无烟配方:y=0.0058x+219.7,r=0.3197

30%含量无烟配方:y=0.0088x+220.7,r=0.3300

40%含量无烟配方:y=0.0117x+221.8,r=0.3430

50%含量无烟配方:y=0.0149x+222.9,r=0.3596

 

10%含量常规配方:y=0.0041x+251.6,r=0.4101

20%含量常规配方:y=0.0062x+252.8,r=0.3884

30%含量常规配方:y=0.0081x+253.6,r=0.3631

40%含量常规配方:y=0.0106x+254.5,r=0.3941

 

 

生成焓与燃温关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=0.0601x+1984.5,r=0.2781

20%含量无烟配方:y=0.1217x+2002.0,r=0.2779

30%含量无烟配方:y=0.1861x+2019.9,r=0.2808

40%含量无烟配方:y=0.2630x+2040.5,r=0.2994

50%含量无烟配方:y=0.3583x+2065.9,r=0.3341

 

10%含量常规配方:y=0.0730x+2926.8,r=0.3181

20%含量常规配方:y=0.0975x+2934.9,r=0.2637

30%含量常规配方:y=0.1170x+2933.4,r=0.2315

40%含量常规配方:y=0.1271x+2926.9,r=0.1849

 

生成焓与特征速度关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=0.0178x+1344.3,r=0.3203

20%含量无烟配方:y=0.0349x+1350.2,r=0.3097

30%含量无烟配方:y=0.0521x+1355.3,r=0.3049

40%含量无烟配方:y=0.0730x+1360.5,r=0.3260

50%含量无烟配方:y=0.0958x+1366.0,r=0.3512

 

10%含量常规配方:y=0.0246x+1516.6,r=0.5068

20%含量常规配方:y=0.0392x+1526.4,r=0.4843

30%含量常规配方:y=0.0517x+1533.8,r=0.4663

40%含量常规配方:y=0.0474x+1535.6,r=0.3412

 

氮含量与比冲关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=-0.2001x+227.8,r=-0.5935

20%含量无烟配方:y=-0.3852x+237.4,r=-0.5867

30%含量无烟配方:y=-0.5471x+245.8,r=-0.5723

40%含量无烟配方:y=-0.6834x+253.2,r=-0.5538

50%含量无烟配方:y=-0.7941x+259.4,r=-0.5325

 

10%含量常规配方:y=-0.1043x+256.5,r=-0.5044

20%含量常规配方:y=-0.2204x+262.9,r=-0.5272

30%含量常规配方:y=-0.3461x+269.6,r=-0.5500

40%含量常规配方:y=-0.4165x+273.7,r=-0.5162

 

氮含量与燃温关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=-5.0051x+2213.8,r=-0.6420

20%含量无烟配方:y=-10.1331x+2466.1,r=-0.6419

30%含量无烟配方:y=-15.3064x+2721.0,r=-0.6404

40%含量无烟配方:y=-19.7997x+2947.9,r=-0.6253

50%含量无烟配方:y=-22.9790x+3120.1,r=-0.5944

 

10%含量常规配方:y=-3.8564x+3104.0,r=-0.6425

20%含量常规配方:y=-7.2681x+3268.0,r=-0.6871

30%含量常规配方:y=-10.7457x+3425.3,r=-0.7126

40%含量常规配方:y=-15.4298x+3632.3,r=-0.7392

 

氮含量与特征速度关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=-1.1819x+1398.5,r=-0.5902

20%含量无烟配方:y=-2.4321x+1461.7,r=-0.5982

30%含量无烟配方:y=-3.7295x+1526.2,r=-0.6056

40%含量无烟配方:y=-4.7237x+1577.1,r=-0.5855

50%含量无烟配方:y=-5.5368x+1620.2,r=-0.5631

 

10%含量常规配方:y=-0.4131x+1535.9,r=-0.4089

20%含量常规配方:y=-0.9310x+1569.7,r=-0.4357

30%含量常规配方:y=-1.4127x+1599.2,r=-0.4434

40%含量常规配方:y=-1.8977x+1623.1,r=-0.4873

 

爆容与比冲关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=-0.0256x+240.8,r=-0.5405

20%含量无烟配方:y=-0.0494x+286.3,r=-0.5357

30%含量无烟配方:y=-0.0709x+316.8,r=-0.5283

40%含量无烟配方:y=-0.0900x+344.2,r=-0.5305

50%含量无烟配方:y=-0.1068x+368.8,r=-0.5217

 

10%含量常规配方:y=-0.0141x+263.86,r=-0.4857

20%含量常规配方:y=-0.0285x+277.41,r=-0.4846

30%含量常规配方:y=-0.0420x+289.91,r=-0.4746

40%含量常规配方:y=-0.0513x+298.82,r=-0.4521

 

爆容与燃温关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=-0.6761x+2567.8,r=-0.6173

20%含量无烟配方:y=-1.3721x+3185.8,r=-0.6188

30%含量无烟配方:y=-2.0794x+3814.0,r=-0.6194

40%含量无烟配方:y=-2.7500x+4413.4,r=-0.6182

50%含量无烟配方:y=-3.3241x+4935.1,r=-0.6121

 

10%含量常规配方:y=-0.5525x+3404.01,r=-0.6553

20%含量常规配方:y=-0.9028x+3714.15,r=-0.6076

30%含量常规配方:y=-1.3245x+4076.13,r=-0.6252

40%含量常规配方:y=-1.8361x+4510.24,r=-0.6262

 

爆容与特征速度关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=-0.1505x+1474.3,r=-0.5352

20%含量无烟配方:y=-0.3049x+1613.4,r=-0.5339

30%含量无烟配方:y=-0.4589x+1751.4,r=-0.5305

40%含量无烟配方:y=-0.5913x+1871.1,r=-0.5217

50%含量无烟配方:y=-0.7083x+1977.8,r=-0.5127

 

10%含量常规配方:y=-0.0618x+1570.3,r=-0.4355

20%含量常规配方:y=-0.1358x+1644.1,r=-0.4524

30%含量常规配方:y=-0.1800x+1689.8,r=-0.4022

40%含量常规配方:y=-0.1482x+1664.2,r=-0.2709

 

氧平衡与比冲关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=0.1315x+220.7,r=0.6446

20%含量无烟配方:y=0.2562x+223.6,r=0.6447

30%含量无烟配方:y=0.3702x+226.4,r=0.6398

40%含量无烟配方:y=0.4731x+229.0,r=0.6333

50%含量无烟配方:y=0.5633x+231.5,r=0.6241

 

10%含量常规配方:y=0.0672x+252.7,r=0.5370

20%含量常规配方:y=0.1389x+254.9,r=0.5488

30%含量常规配方:y=0.2104x+256.9,r=0.5524

40%含量常规配方:y=0.2585x+258.5,r=0.5291

 

氧平衡与燃温关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=3.3298x+2034.8,r=0.7056

20%含量无烟配方:y=6.7491x+2103.8,r=0.7063

30%含量无烟配方:y=10.1995x+2173.8,r=0.7050

40%含量无烟配方:y=13.3785x+2242.7,r=0.6979

50%含量无烟配方:y=15.9805x+2308.4,r=0.6241

 

10%含量常规配方:y=2.4643x+2964.6,r=0.6783

20%含量常规配方:y=4.3410x+3000.7,r=0.6780

30%含量常规配方:y=6.2606x+3027.9,r=0.6858

40%含量常规配方:y=8.7232x+3057.8,r=0.6904

 

氧平衡与特征速度关系的回归直线方程如下:

10%含量无烟配方:y=0.7739x+1356.1,r=0.6385

20%含量无烟配方:y=1.5781x+1374.1,r=0.6412

30%含量无烟配方:y=2.3897x+1391.5,r=0.6411

40%含量无烟配方:y=3.0823x+1407.3,r=0.6311

50%含量无烟配方:y=3.6826x+1422.2,r=0.6187

 

10%含量常规配方:y=0.2481x+1520.8,r=0.4057

20%含量常规配方:y=0.5482x+1535.3,r=0.4238

30%含量常规配方:y=0.7714x+1546.2,r=0.4000

40%含量常规配方:y=0.9035x+1549.9,r=0.3833

 

由以上回归方程可知:

推进剂的三项能量指标与爆热均成正相关关系,且均为中等程度相关;

与生成焓均成正相关关系,且均为低相关;

与氮含量均成负相关关系,且均为中等程度相关;

与爆容均成负相关关系,且均为中等程度相关;

与氧平衡均成正相关关系,且比冲和特征速度与氧平衡为中等程度相关,而燃温与氧平衡相关程度较高。

爆容的分析结果似与常识不符。但是,含能材料高爆容往往意味着低氧平衡和低爆热,故虽然大量气体对比冲的提高有正面影响,但常常同时大幅拉低燃温,反而对比冲不利,可见该结果符合相关原理。但是,若能保证高爆热,那么高的爆容也是有利的。

推进剂领域的相关文献对高氮化合物极其推崇,大部分基于高氮化合物的高生成焓和低特征信号。但是,氮气作为燃烧产物,其生成焓偏高导致爆热偏低,相对分子质量较大(28g/mol,一般推进剂燃气平均分子量在19-27g/mol之间【别跟我说硝糖#$滑稽$】),实际上对能量特性有不利影响。可见,相关文献中主要考虑的是低特征信号,对能量特性的考虑相对较少。

由上述结果可知,若针对能量特性进行改善,推进剂用能材的主要特性应该有:高爆热、高生成焓、低氮含量、高氧平衡。考虑到设计分子的方法,在设计时应主要考虑生成焓、氮含量和氧平衡。

因此,推进剂用新型能材适合以呋咱基、氧化呋咱基为主体,这样可以有效提高生成焓和密度,同时氮含量不致过高;分子内应含有数量较多的硝基、硝氨基、二硝酰氨基、硝仿基和硝酸酯基等基团,这些基团可以有效提高生成焓和氧平衡,进而提高爆热;三唑、四唑、三嗪、四嗪等高氮基团对生成焓提升很小,含氮量又过高,故应尽量避免;五唑、肼基、偶氮(包括氧化偶氮)和叠氮基对生成焓提升较大,可以含有,但是由于氮含量过大,不宜过多;氨基、脲基、脒基和胍基虽然会拉低生成焓、氧平衡并提高氮含量,但是可以大幅降低含能材料的感度,对安全性能有利,可以含有少量。

(完结,但是总感觉似乎什么地方有漏洞)

[修改于 2 年前 - 2019-06-22 23:28:32]

来自:火箭技术 / 火箭燃料
 
5
浪里黑条 作者
2年6个月前 修改于 2年6个月前
1楼

更新可能要稍等一阵子了,笔者9月1号返校交作业(现在还差不少没写完),9月2号化学竞赛(心里没底,打算好好巩固巩固),9月3号高二正式开学,其中还紧锣密鼓地安排着中科院那边的实验(还是那个锂硫电池,考虑到可能出现的保密等问题,那个帖子目前停更了),大概只能利用零散的碎块时间来进行本帖的编辑工作了。。。。不过大家放心,我会尽我所能不让这个帖子烂尾。。。。😂

P.S.编辑完成后,我会附上一份本帖中提到的物质的全称简称对照表供大家参考。

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浪里黑条作者
2年6个月前 修改于 2年6个月前
2楼

简称

全称

5-ATN

5-氨基四唑硝酸盐

NQ 

硝基胍 

NU 

硝基脲

EDNA 

乙二硝胺

HN 

硝酸肼

FOX-7 

1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯

TAGZT 

偶氮四唑三氨基胍盐

DATH 

三硝基二叠氮基三氮杂庚烷

DNOAF 

二硝基氧化偶氮二呋咱

DNMT 

(二硝基亚甲基)二氢四唑 

RDX 

环三亚甲基三硝胺

HMX 

环四亚甲基四硝胺

仔细想了想,还是现在就把对照表发上来吧😂
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浪里黑条作者
2年6个月前
3楼

手忙脚乱的高二第一周结束了,第二周预计会轻松一些,可能明后天会有更新。

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灵魂边缘
2年6个月前
4楼

    非要加能材改性的话,我建议你试试少见正氧的HN.....不过话说回来,AN这货本来就慢,还是以改善燃烧特性为主,我觉得加能材不划算,偏离研究AN燃料的“经济”目的。

    为了加快燃速,并使燃烧稳定,我觉得以下三个措施比较好:

    1.加镁 (效果很好,我自己提纯的的工业级AN离了镁就是一废,完全烧不起来)

    2.加20%~40%的AP,AP对AN的燃速和AN对铝的氧化能力也有强烈促进作用(而且,毕竟AP比能材便宜)

    3.加催化剂(但1%亚铬酸铜在含镁体系里似乎作用不明显......,或许可以试试重铬酸铵?)

    4.加镁和加AP的基础上,把一部分镁换成铝,或者使用镁铝合金粉,这样可以进一步提升燃温(此举措冒险,因为文献指出,AP含量越过50%以后,才对铝有较好的氧化作用)

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浪里黑条作者
2年6个月前
5楼
引用灵魂边缘发表于4楼的内容
    非要加能材改性的话,我建议你试试少见正氧的HN.....不过话说回来,AN这货本来就慢,还是...

HN也在模拟之列,会有数据的。但是HN的密度太低,可能会有不利影响,还是要看模拟数据。

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哈哈哈哈哈士奇
2年5个月前
6楼
引用灵魂边缘发表于4楼的内容
    非要加能材改性的话,我建议你试试少见正氧的HN.....不过话说回来,AN这货本来就慢,还是...

如果要使用镁单质作为组份的话,还是建议多对其体系做一些安定性的实验

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浪里黑条作者
2年5个月前
7楼

目前的实验结果表明,只要不让体系吸太多水,安定性尚属可以接受。目前有一个含镁AN药柱已经存放两个月,准备择机进行各项检测和燃烧实验。

真正让我着急的是一直没有时间打开电脑继续模拟……

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浪里黑条作者
2年5个月前
8楼

不好意思让大家久等了。

今天,2018-9-15,更新EDNA的模拟数据。

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浪里黑条作者
2年5个月前 修改于 2年5个月前
9楼

今天,2018-9-25,更新HN(硝酸肼)和FOX-7(1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯)的模拟数据。

全部更新都在第一层。

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浪里黑条作者
2年4个月前
10楼

今天,2018-10-16,更新TAGZT(偶氮四唑三氨基胍盐)的模拟数据。

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浪里黑条作者
2年3个月前
11楼

今天,2018-11-20,更新DATH的模拟数据。前段时间有期中考试、科技创新大赛等各种任务,忙的人仰马翻,抱歉让大家久等了。。。。

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浪里黑条作者
2年2个月前 修改于 2年2个月前
12楼

2018.12.18,更正错误:将DNOAF感度由1.7J更正为3.5J。

另外,今天已完成DNOAF和DNMT的模拟,但是电脑连不上网,抱歉需要晚点再发了。。。

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qharryq
2年2个月前
13楼
引用灵魂边缘发表于4楼的内容
    非要加能材改性的话,我建议你试试少见正氧的HN.....不过话说回来,AN这货本来就慢,还是...

加镁提高能量是常规燃料组分之一。但是要意识到很重要的一点:镁粉吸潮会放热自燃风险很大,尤其是AN+镁粉这种操作我强烈反对爱好者进行大量实验。

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浪里黑条作者
2年2个月前
14楼

今天,2018-12-29,更新DNOAF和DNMT的模拟数据。

模拟部分仅剩RDX和HMX两种传统能材。

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浪里黑条作者
2年2个月前 修改于 2年2个月前
15楼
引用qharryq发表于13楼的内容
加镁提高能量是常规燃料组分之一。但是要意识到很重要的一点:镁粉吸潮会放热自燃风险很大,尤其是AN+镁...

AN+Mg的混合体系,如果没有粘合剂作缓冲,甚至在空气中放一会都能摸到是温热的,危险性不言而喻。

但是,加入了粘合剂之后,再暴露在空气中,任凭其吸潮甚至冒水,却没有发现有明显的放热现象。可能是粘合剂阻断了水和Mg的接触,起到了类似包覆钝化的作用。并且,在合适的粘合体系中(例如含有三乙醇胺作为交联剂,可以更好地与AN结合),AN的吸湿也会被大大抑制,甚至观察不到明显的吸潮现象。如此看来,吸湿的问题是可以通过一定的方法解决的。

个人认为含金属AN推进剂的前景还是很光明的,污染低,能量较高,成本低。目前主要的不确定性因素就是其爆轰可能性,是模拟难以企及的方面,只能通过反复试验来验证了。

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154454496
2年2个月前
16楼
引用浪里黑条发表于15楼的内容
AN+Mg的混合体系,如果没有粘合剂作缓冲,甚至在空气中放一会都能摸到是温热的,危险性不言而喻。但是...

关键在于AN与镁粉的来源😂

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浪里黑条作者
2年2个月前
17楼
引用154454496发表于16楼的内容
关键在于AN与镁粉的来源😂

AN好说,我的AN都是自制的,用硝酸铵钙和碳酸氢铵制就可以了。

关键是镁粉,我也在逐渐坐吃山空。。。

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314152
2年2个月前
18楼
引用浪里黑条发表于17楼的内容
AN好说,我的AN都是自制的,用硝酸铵钙和碳酸氢铵制就可以了。关键是镁粉,我也在逐渐坐吃山空。。。

不知道mg粉或al粉是否有可能用zn分之类的代替😂

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浪里黑条作者
2年2个月前
19楼
引用314152发表于18楼的内容
不知道mg粉或al粉是否有可能用zn分之类的代替😂

不能。Zn的燃烧热太低了。但是,可以用Ti代替,性能比铝粉低一些,但密度高。Zr更好,但是作为重要战略资源,所有形态的Zr被严格管制,比铝粉镁粉还难找。理论上B可以,但是B的燃烧产物会以液态覆盖在B的表面,影响进一步燃烧,使得其燃烧效率令人发指。

我曾经设想过用碳化硼,它的综合性能理论上比铝好,但是这玩意儿比较惰性,不知道好不好点燃,有条件可以用极细的粉末试一试(某宝有售5000目碳化硼抛光粉)。另外,1688上有售氢化锆,照理说也可以,就是贵。。。

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154454496
2年2个月前
20楼
引用浪里黑条发表于19楼的内容
不能。Zn的燃烧热太低了。但是,可以用Ti代替,性能比铝粉低一些,但密度高。Zr更好,但是作为重要战...

所以嘛……

我还是比较倾向无金属KN和AN,毕竟对于探空火箭而言,100多秒甚至三四十秒的比冲就够用了😂。(反正我搞不起金属机,人又傻,100多秒的药做到20秒撑死,告了也没用)

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浪里黑条作者
2年2个月前
21楼
引用154454496发表于20楼的内容
所以嘛……我还是比较倾向无金属KN和AN,毕竟对于探空火箭而言,100多秒甚至三四十秒的比冲就够用了...

无金属AN不太好做(主要是不好点燃),不过值得一试。

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154454496
2年2个月前
22楼
引用浪里黑条发表于21楼的内容
无金属AN不太好做(主要是不好点燃),不过值得一试。

就我个人的思路,先搞定一个纯KN的配方,把它的性能尽量发挥(对于我而言25%理论性能就谢天谢地),然后在一点一点的把KN换成AN,在换的过程中一点点的调整配方

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浪里黑条作者
2年2个月前
23楼
引用154454496发表于22楼的内容
就我个人的思路,先搞定一个纯KN的配方,把它的性能尽量发挥(对于我而言25%理论性能就谢天谢地),然...

额,不至于吧,我两三年之前无知中二的时候做的KNSB,PPR机,喷管就一个堵漏王直管,收敛段没角度,没有扩张段,就这比冲还38s。。。好好做喷管,应该能到七八十的。

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154454496
2年2个月前
24楼
引用浪里黑条发表于23楼的内容
额,不至于吧,我两三年之前无知中二的时候做的KNSB,PPR机,喷管就一个堵漏王直管,收敛段没角度,...

然而它的理论比冲160多

 

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浪里黑条作者
2年2个月前
25楼
引用154454496发表于24楼的内容
然而它的理论比冲160多 

在1MPa下,KNSB理论比冲117s左右

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内容已被屏蔽
业余火箭🚀
2年1个月前
26楼

有人用水浴做knsu吗?我试了,效果很好,就是耗时有点长,为什么做出的燃料是碎的?



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浪里黑条作者
2年0个月前
27楼

同志们久等了。今天,2019-2-22(凌晨),更新RDX、HMX的模拟数据。另外,还补充了TN(2,3,5,6-四硝酸酯-1,4-二硝基哌嗪)、ADN(二硝酰胺铵)、FOX-12(GUDN,N-脒基脲二硝酰胺盐)、DNTF(二(硝基呋咱基)-氧化呋咱)的模拟。

笔者将其作为了学校研究性学习的课题,数据分析的工作交给了课题组的其他同学,待数据分析结果全部到手后,将继续更新。

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bh,王者归来
2年0个月前 修改于 2年0个月前
28楼

固体推进剂中加能才没有加金属燃烧剂带来的比冲增加大,从工程学上说加能才一般都是无法提高金属体燃烧剂后进一步的做法,每提升一点比冲,成本增加都是相当大的

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浪里黑条作者
2年0个月前
29楼
引用bh,王者归来发表于28楼的内容
固体推进剂中加能才没有加金属燃烧剂带来的比冲增加大,从工程学上说加能才一般都是无法提高金属体燃烧剂后...

的确,这是事实。不过对某些特殊用途,无烟配方是个很重要的东西,此时能材就派上用场了。当然不得不承认,这样的用途还是不如含固体燃烧剂的广泛。

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椎名真白
1年11个月前
30楼

我有考虑过在燃料里加入硝化棉来着,但是最近买不到硝酸和硫酸了,只好放弃了。。。

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浪里黑条作者
1年11个月前
31楼
引用椎名真白发表于30楼的内容
我有考虑过在燃料里加入硝化棉来着,但是最近买不到硝酸和硫酸了,只好放弃了。。。

NC作为能材的能量并不算优秀,看看双基推进剂比单基强得多就好理解了。

另外,无烟AN暂时没有找到能够顺利点燃的配方(目前基于用于模拟的那个83-17的配方进行改配,主要是催化剂的选择),如果层主有条件的话可以谨慎地尝试一下,同时要注意AN推进剂高压下可能存在的爆轰问题。

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浪里黑条作者
1年8个月前 修改于 1年8个月前
32楼

今天把数据分析和讨论部分更新了,这个世纪工程算是告一段落。但是,分析出来的结果总感觉偏于简单,应该还有能够增补之处,恳请各位火箭和能材领域的大神们补充啦~

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