本發(fā)明涉及一種固體推進劑及其制備方法和應用，屬于固體推進劑
技術領域：
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背景技術：
：固體推進劑是一種具有特定性能的含能復合材料，是導彈、空間飛行器的各類固體發(fā)動機的動力源，是固體火箭發(fā)動機的動力源用材料，在導彈和航天技術發(fā)展中起著重要的作用，通?？煞譃殡p基推進劑、復合推進劑和改性雙基推進劑。目前，常見的高能固體推進劑包括htpe推進劑、nepe推進劑、gap推進劑和改性雙基xldb推進劑等。但是，隨著科學技術的不斷發(fā)展，固體燃料火箭技術，特別是小型固體燃料火箭越來越多的被用于氣象勘探、高空攝影、科學實驗、教學演示等民用行業(yè)。而上述常見的高能固體推進劑主要用作大型固體火箭推進劑，具有危險性高、造價昂貴、污染嚴重、制取難度大等特點，難以滿足以上民用行業(yè)的基本需求。技術實現要素：本發(fā)明的目的是針對現有技術中存在的上述問題，提出了一種低污染、低危險性、易于制備、可大量生產的固體推進劑。本發(fā)明的目的可通過下列技術方案來實現：一種固體推進劑，所述固體推進劑由以下質量百分比成分組成：氧化劑：60-65％，還原劑：32-38％，催化劑：1-3％，脫水劑：0.5-1.5％。在上述的一種固體推進劑中，所述氧化劑為硝酸鹽化合物，優(yōu)選硝酸鉀，硝酸鋰、硝酸鈉中的至少一種。在上述的一種固體推進劑中，所述還原劑為葡萄糖及其衍生物。優(yōu)選葡萄糖、山梨醇、蔗糖中的至少一種。在上述的一種固體推進劑中，所述催化劑為金屬氧化物，用于增強導熱性以促進氧化劑高溫下的分解。金屬氧化物的粒徑為200-400目，粒徑越小其催化效果越好，但吸濕性越強。因此本發(fā)明進一步優(yōu)選粒徑為200-400目的三氧化二鐵粉末、氧化鋁粉末、氧化鎂粉末中的至少一種。在上述的一種固體推進劑中，所述脫水劑為硬脂酸、六支胺、聚乙烯醇縮丁醛中至少一種，用于推進劑的防潮。本發(fā)明另一個目的在于提供上述固體推進劑的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：將還原劑溶解于水中并加熱至140-145℃，然后加入氧化劑，保持加熱溫度140-145℃至水分蒸干后加入催化劑和脫水劑，真空脫氣15-25min后冷卻至80-90℃，然后加壓置于模具中，冷卻至室溫后開模得到固體推進劑。在上述的一種固體推進劑的制備方法中，所述還原劑與水的質量比為1：(0.25-0.35)。在上述的一種固體推進劑的制備方法中，所述加壓的壓強為0.8-1.0mpa。本發(fā)明第三個目的在于提供上述固體推進劑的應用，所述固體推進劑用作火箭燃料，用以滿足各類小型固體燃料火箭對其推進劑的特殊工作要求。用作民用小型固體火箭的燃料時，固體推進劑燃燒過程中反應方程式如下：其中，其中x代表鋰鈉鉀中的任意一個，葡萄糖可由山梨醇和蔗糖代替。上述反應為放熱反應，引燃溫度300℃左右，引燃后燃料在火箭發(fā)動機里進行燃燒，燃燒溫度在370-400℃左右，壓力逐漸從0增加到12mpa左右(可視發(fā)動機的規(guī)格而定)。與現有技術相比，本發(fā)明具有以下幾個優(yōu)點：1.本發(fā)明固體推進劑相對傳統(tǒng)的固體火箭推進劑造價大大降低，制備方法安全便捷，利于大批量生產，能廣泛適用于民用小型固體火箭，可滿足氣象勘探、高空攝影、科學實驗、教學演示等各類民用行業(yè)所需的小型固體火箭的要求。2.本發(fā)明的固體推進劑燃速適中，在較低壓力1-6mpa下即可獲得較為理想的燃燒速度，最大燃燒速度不超過14mm/s，相對需要高工作壓力，高燃速的傳統(tǒng)固體火箭推進劑，對固體火箭發(fā)動機的工作壓力要求大大降低，危險性也有所減少。3.本發(fā)明的固體推進劑反應產物中所含污染物及有毒有害物質較少，相對其他固體火箭推進劑更為清潔環(huán)保。附圖說明圖1為實施例1的推進劑在各工作壓強下燃燒速度圖像。具體實施方式以下是本發(fā)明的具體實施例，并結合附圖說明對本發(fā)明的技術方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。實施例1：本實施例的固體推進劑由以下質量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：62％，還原劑葡萄糖：35％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：2％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分攪拌均勻，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫氣20分鐘去除內部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa，至其完全冷卻到室溫時開模，得到固體推進劑。將上述固體推進劑用作民用小型固體火箭的燃料，固體推進劑燃燒過程中反應方程式如下：上述反應為放熱反應，引燃溫度300℃左右，引燃后燃料在火箭發(fā)動機里進行燃燒，燃燒溫度在370-400℃左右，壓力逐漸從0增加到12mpa左右(可視發(fā)動機的規(guī)格而定)。由于反應的特殊性，其產物組分受溫度、壓力等因素變化影響較大，故本實施例只給出總體反應式，反應后co2、h2o、n2、k2no3產物含量較高，在95％以上，其余產物主要在燃燒后期氧氣及其不充分的情況下才會產生，僅含微量。性能參數如表1和圖1所示。表1：理論比沖164s最大可測比沖137s常壓下燃燒速度2mm/s最大燃燒速度14mm/s自燃溫度327℃熔鑄密度1.8g/cm3從表1和圖1可知：本推進劑燃速及比沖適中，熔鑄密度較高，燃燒溫度低，安全性高，適用于民用小型探空火箭的要求。因此，本實施例的固體推進劑具有廉價易制、污染性小、危險性低等特點，可廣泛適用于各類小型固體燃料火箭中。實施例2：本實施例的固體推進劑由以下質量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：61％，還原劑葡萄糖：35％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：3％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分攪拌均勻，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫氣20分鐘去除內部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa，至其完全冷卻到室溫時開模，得到固體推進劑。將上述固體推進劑用作民用小型固體火箭的燃料，性能參數如表2所示。表2：理論比沖164s最大可測比沖132s常壓下燃燒速度2mm/s最大燃燒速度13mm/s自燃溫度325℃熔鑄密度1.9g/cm3實施例3：本實施例的固體推進劑由以下質量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：63％，還原劑葡萄糖：35％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：1％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分攪拌均勻，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫氣20分鐘去除內部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa后，至其完全冷卻到室溫時開模，得到固體推進劑。將上述固體推進劑用作民用小型固體火箭的燃料，性能參數如表3所示。表3：實施例4：本實施例的固體推進劑由以下質量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：62％，還原劑葡萄糖：34％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：3％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分攪拌均勻，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫氣20分鐘去除內部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa后，至其完全冷卻到室溫時開模，得到固體推進劑。將上述固體推進劑用作民用小型固體火箭的燃料，性能參數如表4所示。表4：理論比沖164s最大可測比沖135s常壓下燃燒速度2.1mm/s最大燃燒速度14mm/s自燃溫度327℃熔鑄密度1.8g/cm3實施例5：本實施例的固體推進劑由以下質量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：62％，還原劑葡萄糖：36％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：1％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分攪拌均勻，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫氣20分鐘去除內部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa，至其完全冷卻到室溫時開模，得到固體推進劑。將上述固體推進劑用作民用小型固體火箭的燃料，性能參數如表5所示。表5：理論比沖164s最大可測比沖130s常壓下燃燒速度1.4mm/s最大燃燒速度10mm/s自燃溫度322℃熔鑄密度1.8g/cm3對比例1：本對比例的固體推進劑由以下質量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：59％，還原劑葡萄糖：39％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：1％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分攪拌均勻，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫氣20分鐘去除內部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa后，至其完全冷卻到室溫時開模，得到固體推進劑。本對比例氧化劑不足，推進劑無法充分燃燒，燃燒速度降低，所得產物難以冷卻成型。對比例2：本對比例的固體推進劑由以下質量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：66％，還原劑葡萄糖：31％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：2％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分攪拌均勻，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫氣20分鐘去除內部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中再加壓至0.9mpa，至其完全冷卻到室溫時開模，得到固體推進劑。本對比例還原劑不足，燃燒速度降低，所得產物易出現裂紋，氣泡等瑕疵，影響正常燃燒。對比例3：對比例3與實施例1的區(qū)別僅在于：對比例3的溶劑水的質量為葡萄糖質量的40％。本對比例的水分無法及時蒸干，導致所得推進劑含水量過大，影響其燃燒性能。對比例4：對比例4與實施例1的區(qū)別僅在于：對比例4的溶劑水的質量為葡萄糖質量的20％。本對比例加熱葡萄糖時易出現結塊、焦糊現象，影響所得產物燃燒性能。在上述實施例及其替換方案中，固體推進劑的組成成分氧化劑、還原劑、催化劑、脫水劑的質量比還可以為：60:38:1.5:0.5、60:38:1:1、61:37:1.5:0.5、61:36:1.5:1.5、64:32:3:1、65:32:2:1。在上述實施例及其替換方案中，氧化劑還可以為硝酸鋰、硝酸鈉。在上述實施例及其替換方案中，還原劑還可以為山梨醇、蔗糖。在上述實施例及其替換方案中，催化劑的粒徑還可以為210目、220目、230目、240目、250目、260目、270目、280目、290目、300目、310目、320目、330目、340目、350目、360目、370目、380目、390目、400目。在上述實施例及其替換方案中，催化劑還可以為氧化鋁粉末、氧化鎂粉末。在上述實施例及其替換方案中，脫水劑還可以為六支胺、聚乙烯醇縮丁醛。在上述實施例及其替換方案中，還原劑的溶解溫度還可以為140℃、141℃、142℃、144℃、145℃。在上述實施例及其替換方案中，真空脫氣的時間還可以為15min、16min、17min、18min、19min、21min、22min、23min、24min、25min。在上述實施例及其替換方案中，冷卻的溫度還可以為80℃、81℃、82℃、83℃、84℃、86℃、87℃、88℃、89℃、90℃，在上述實施例及其替換方案中，加壓后的壓強還可以為0.8mpa、0.85mpa、0.95mpa、1.0mpa。在上述實施例及其替換方案中，還原劑與水的質量比還可以為1：0.25、1：0.26、1：0.27、1：0.28、1：0.29、1：0.31、1：0.32、1：0.33、1：0.34、1：0.35。鑒于本發(fā)明方案實施例眾多，各實施例實驗數據龐大眾多，不適合于此處逐一列舉說明，但是各實施例所需要驗證的內容和得到的最終結論均接近。故而此處不對各個實施例的驗證內容進行逐一說明，僅以實施例1-5作為代表說明本發(fā)明申請優(yōu)異之處。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬
技術領域：
的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。盡管對本發(fā)明已作出了詳細的說明并引證了一些具體實施例，但是對本領域熟練技術人員來說，只要不離開本發(fā)明的精神和范圍可作各種變化或修正是顯然的。當前第1頁12