火箭要想飞得稳，还得加点金属粉

火箭发动机中的固体推进剂

固体火箭发动机是一种以固体推进剂作为主燃料的动力装置，因具有结构简单，高比冲等优势得以在航空航天领域广泛应用，通常作为航天运载火箭、导弹等装备的主要动力来源。

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固体火箭发动机的工质是推进剂的燃烧产物，工质经过喷管的喷射后获得一个作用于飞行器的反作用力，克服飞行中的阻力，用来保持或加速现有的行进速度。火箭发动机的推进过程中，推进剂需要经历一系列复杂的物理、化学反应，涉及到推进剂的化学能经过可控的反应转化为工质的热能，后续再通过喷管将工质的热能转化为动能这两个重要的能量转化过程。

固体推进剂作为固体火箭发动机的能源，其能量特性、力学特性等性能水平的提升是固体发动机领域的重要课题。固体推进剂的主要组成成分是氧化剂、粘合剂、金属燃料、增塑剂等。

对应组分的作用如下：氧化剂主要在燃烧时分解出大量的气体，为燃料提供氧化性气氛，促进推进剂的完全燃烧；粘合剂主要是作为碳骨架，为金属燃料及氧化剂提供一个弹性包裹体系；金属燃料具有高能量密度等优势，可提高推进剂的能量水平；增塑剂主要是改变推进剂的流变性能及低温力学性能。

固体推进剂中的金属粉

为了满足战略武器和小型运载火箭的各项性能要求，在固体推进剂中添加金属粉是提高其性能的重要手段。金属燃料推进剂以金属粉作为燃料，水、空气、AP、KP或者高能硝铵类炸药作为氧化剂，二者在一定的条件下发生剧烈的化学反应，快速燃烧使得工质加热膨胀，通过喷管将化学能转为动能。

金属粉具有高热值和高密度的优点，在配方中加入金属粉可以提高单位质量和单位体积推进剂的热值，降低系统的质量和体积，以增加推进剂的密度和比冲，抑制系统的高频不稳定燃烧，因而得到了广泛的应用。

几种常见金属燃料性能

在固体推进剂常用的金属燃料中，硼（58.5 kJ/g和136.9 kJ/cm3）有着极高的燃烧热值，但其自身的高熔、沸点和低熔、高沸点氧化产物使得硼的燃烧性能较差，燃烧效率较低，且硼燃烧耗氧量较高，作为常规复合固体推进剂需要自带氧化剂，并需要增加补燃室使其得到充分燃烧。

铍（101.7MJ/kg）有着最高的质量燃烧热值，但由于空气中高反应活性诱发的存储困难与燃烧产物BeO有剧毒而不适用于推进剂燃料。

镁（24.8 kJ/g和43.2 kJ/cm3）的燃烧热较铝（31.0 kJ/g和83.7 kJ/cm3）偏低，但由于与H2O和CO2的反应活性较高且单位体积的成气量较大，因此常用于水冲压发动机或跨介质发动机。

锆粉是一种类似于铝粉的高活性金属。锆粉的密度高、体积热值高、活性高，在某些要求密度较高的推进剂中具有特殊的优势。

铝（Al）是一种具有较高密度（2.70 g/cm3）、高燃烧热（1670.59 kJ·mol-1）的轻金属，具有存量丰富、燃烧产物无毒无害特点，被广泛应用于推进剂中，以提高推进剂的能量和比冲。不同类型推进剂中的铝含量有所不同，如常规丁羟推进剂中的铝含量在18%左右；铝镁贫氧推进剂中铝的含量稍高，约为30~40%；特殊金属基燃料（如跨介质动力用铝基金属燃料）中的铝含量则高达70~90%。

作为推进剂配方的重要组成部分，铝颗粒的燃烧特性对发动机的性能具有重要影响。燃烧的铝颗粒及其凝聚氧化产物会对声振荡造成黏性损失，从而在一定程度上抑制发动机中的不稳定燃烧，改善燃烧平稳特性。

但是，铝在与周围的氧化性气体反应时，会生成许多细微凝聚态的金属氧化物沉积在金属颗粒表面，由于氧化铝的熔点较高，作为氧化层覆盖在铝颗粒表面时，对铝颗粒点火及燃烧过程起到了极大的阻碍作用。同时，燃烧产生的凝相产物会导致喷管侵蚀及两相流损失，对整个燃烧系统产生负面作用。

纳米金属粉在推进剂中的应用

纳米金属粉因其优异的性能正成为推进剂中应用最广泛的一种新型材料，其特殊性能的利用对推进剂性能的进一步提高是一条有用的途径；然而，纳米金属粉的表面修饰依然是瓶颈技术之一，表面修饰的成功与否直接影响到纳米金属粉的应用，表面包覆层太厚会影响其能量性能以及延迟反应时间，包覆层太薄或其他原因导致的不能将纳米金属粉完全包覆则会导致纳米金属表面被氧化、失去活性，甚至导致某些较活泼的纳米金属粉自燃，严重影响推进剂使用安全。从目前情况来看，纳米金属粉的安全性能依然是影响其推广应用的主要因素之一。

纳米金属粉由于其粒径小、易团聚，在推进剂中的分散问题和工艺问题如果处理不好将极大地影响其催化性能和能量性能。不同的纳米金属粉有不同的功能，如纳米铝粉能提高推进剂能量、调节推进剂燃速，纳米镍粉能提高推进剂燃速、调节压强指数等。目前从国内外的研发情况来看，出现了纳米材料和其他功能材料复合的迹象，如纳米铝热剂、纳米金属粉/碳纳米管、纳米金属粉/石墨烯等，都是对纳米金属粉进行功能化创新。

参考来源：

[1]陈晓琳：铝颗粒及AP/HTPB/Al推进剂不稳定燃烧特性研究，浙江大学

[2]袁志锋等：纳米金属粉的制备、改性及其在推进剂中的应用，西北工业大学

[3]柴久龙：铝镁合金的点火燃烧机理及模型研究，哈尔滨工程大学