含3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼鹽推進劑的能量特性計算

周　誠，畢福強，王伯周,2，李祥志，李吉禎，周　群

(1.西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065; 2.氟氮化工資源高效開發與利用國家重點實驗室，陜西 西安 710065)

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含3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼鹽推進劑的能量特性計算

周誠1，畢福強1，王伯周1,2，李祥志1，李吉禎1，周群1

(1.西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065; 2.氟氮化工資源高效開發與利用國家重點實驗室，陜西 西安 710065)

摘要：為評價新型高氮化合物3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼鹽(HDNAT)作為固體推進劑組分的應用潛力，采用NASA-CEA軟件，在標準條件下(pc∶p0=70∶1)，計算了含HDNAT的丁羥推進劑(HTPB)、聚疊氮縮水甘油醚(GAP)推進劑和改性雙基推進劑(CMDB)的能量特性。繪制了HTPB/Al/AP/HDNAT推進劑(金屬Al的最大質量分數為20%)的標準理論比沖Isp、特征速度C*、燃燒溫度Tc、燃氣平均相對分子質量的等性能三角圖。結果表明，HDNAT單元推進劑的比沖為2533.0N·s/kg；在HTPB推進劑中，當HDNAT質量分數為50%時，Isp最大為2658.0N·s/kg，較基礎配方提高了326.6N·s/kg；在GAP推進劑中，當HDNAT質量分數為30%時，Isp最大為2529.0N·s/kg，較基礎配方提高了252.7N·s/kg；在CMDB推進劑中，當HDNAT質量分數為27%時，Isp最大為2593.1N·s/kg，較基礎配方提高了57.3N·s/kg。

關鍵詞：物理化學；固體推進劑；3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼鹽; HDNAT；能量特性;NASA-CEA軟件

引 言

追求高能量始終是固體推進劑研究的主要方向之一，固體推進劑能量的提高依賴于新型氧化劑、黏合劑等新材料的合成，以及推進劑配方設計思路的創新[1-2]。目前，固體推進劑中常用的氧化劑是高氯酸銨(AP)，其生成焓較低(-290.45kJ/mol)，燃燒產物中有大量氯化氫(HCl)氣體，不利于提高推進劑能量和降低特征信號[3]。3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼鹽(HDNAT)是一種性能優異的新型三唑高氮含能材料，密度為1.89g/cm3，實測爆速為9000m/s (ρ=1.80g/cm3)，理論爆壓為36.0GPa[4]，具有高能量、高氮含量(57.01%)、高生成焓(292.5kJ/mol)、熱穩定性好等特點，且不含鹵素，因此，用其取代AP，有望提高固體推進劑的能量、降低特征信號和減少環境污染。

1HDNAT和含能化合物性能比較

HDNAT是一種三唑高氮化合物，其結構式如圖1所示。

圖1　HDNAT的結構式Fig.1　The structural formula of HDNAT

表1列出了HDNAT和AP、ADN、RDX、DNTF、1,1′-二羥基-5,5′-聯四唑二羥胺鹽(HATO)等幾種含能化合物的物化性能。為研究HDNAT在推進劑中的能量水平，在標準條件(pc∶p0=70∶1)下,采用基于最小自由能原理的NASA-CEA軟件計算了其單元推進劑的能量特性參數，結果見表1。

表1　HDNAT與其他幾種含能化合物的物化性能和能量特性參數

HDNAT具有高氮、高生成焓的特點，其單元推進劑的標準理論比沖為2533.0N·s/kg，均低于常用的高能化合物RDX、DNTF、HATO，但遠高于AP和ADN。同時，HDNAT不含鹵素，燃燒產物中無HCl成分，可以大幅度降低推進劑的特征信號、減少環境污染。因此，在推進劑中用其部分或全部取代AP，有利于實現推進劑的高能化和微煙化。

2含HDNAT推進劑的能量特性計算

2.1含HDNAT的HTPB推進劑

為了考察HDNAT含量對HTPB推進劑能量特性和燃燒產物的影響，本研究設計的推進劑配方中保持HTPB和Al的質量分數分別為10%和5%，用HDNAT逐步取代AP，其能量特性和主要燃燒產物含量計算結果如表2所示。

由表2可知，在HTPB/Al/AP/HDNAT推進劑中，用HDNAT逐步取代AP，推進劑的標準理論比沖Isp先增后減，當體系中HDNAT質量分數為50%時，Isp達到最大值2658.0N·s/kg，較基礎配方提高了326.6N·s/kg，特征速度C*提高了213m/s，而燃氣平均相對分子質量則逐漸下降，可見，加入HDNAT可大幅度提高推進劑的能量。同時，主要燃氣產物中，具有腐蝕性的HCl氣體含量明顯降低，摩爾分數從21.00%降至7.75%。因此，該配方丁羥復合推進劑中，可用HDNAT取代AP，以達到提高推進劑高能量和環境友好的目標。

表2　HDNAT含量對HTPB推進劑的能量特性及燃燒產物的影響

圖2　HTPB/Al/AP/HDNAT推進劑的等性能三角圖Fig. 2　Iso-property trigonal figures of the HTPB/Al/AP/HDNAT propellant

2.2含HDNAT的GAP推進劑

GAP推進劑具有燃燒性能優異、機械感度低及燃速高等優點。因此，本研究設計的推進劑配方中，GAP的質量分數為15%，用HDNAT取代AP來提高GAP推進劑的能量，其能量特性計算結果如表3所示。

2.3含HDNAT的改性雙基推進劑

本研究設計的改性雙基推進劑配方為：硝化棉(NC，含氮量12.6%)22%～28%，硝化甘油(NG)30%～35%，AP 30%，Al 2%～7%，DINA 3%～5%，其他助劑4%。采用HDNAT逐步取代配方中的AP，考察推進劑的能量變化規律，結果見表4。

表3　HDNAT含量對GAP推進劑的能量特性及燃燒

表4　含HDNAT的CMDB推進劑的能量性能

3結論

(1)HDNAT是一種高能高氮化合物，單元推進劑比沖為2533.0N·s/kg，且不含鹵素，可作為推進劑組分以利于推進劑的高能化和微煙化。

(2)在HTPB/Al/AP/HDNAT體系中，當HDNAT質量分數為50%時，Isp最大為2658.0N·s/kg，較基礎配方提高326.6N·s/kg，C*提高213m/s；在GAP/AP/HDNAT體系中，當HDNAT質量分數為30%時，Isp最大為2529.0N·s/kg，較基礎配方提高了252.7N·s/kg，C*提高了155m/s；在CMDB推進劑中，Isp最大為2593.1N·s/kg，較基礎配方提高57.3N·s/kg，C*提高了70m/s。這表明HDNAT在HTPB推進劑、GAP推進劑和CMDB推進劑中有良好的應用潛力。

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Energetic Characteristics Computation of Propellants Containing Hydrazinium 3,5-Diamino-1,2,4-triazole

ZHOU Cheng1, BI Fu-qiang1, WANG Bo-zhou1，2, LI Xiang-zhi1, LI Ji-zhen1, ZHOU Qun1

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China; 2.State Key Laboratory of Fluorine &Nitrogen Chemical, Xi′an 710065, China)

Abstract:To evaluate the application prospect of novel nitrogen-rich compound hydrazinium 3,5-diamino-1,2,4-triazole(HDNAT) as composite solid propellant components, the energy characteristics of hydroxy terminated polybutadiene(HTPB) propellant, glycidyl azide polymer (GAP) propellant and composite modified double-base(CMDB) propellant containing HDNAT were calculated by NASA-CEA software under the standard condition(pc∶p0=70∶1). The iso-property trigonal figures of standard theory specific impulseIsp, characteristic velocityC*, combustion temperatureTcand average relative molecular weight of combustion gaswfor HTPB/Al/AP/HDNAT propellant(the largest mass fraction of Al is 20%) were drawn out. The results show that theIspof HDNAT monopropellant is 2533.0N·s/kg. When the mass fraction of HDNAT in HTPB propellant is 50%, the largestIspis 2658.0N·s/kg, improves by 326.6N·s/kg compared with the basic formulation. When the mass fraction of HDNAT in GAP propellant is 30%, the largestIspis 2529.0N·s/kg, improves by 252.7N·s/kg compared with the basic formulation. When the mass fraction of HDNAT in CMDB propellant is 27%, the largestIspis 2593.1N·s/kg, improves by 57.3N·s/kg compared with the basic formulation.

Keywords:physical chemistry; solid propellant; hydrazinium 3,5-diamino-1,2,4-triazole; HDNAT;energy characteristics;NASA-CEA software

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.016

收稿日期:2015-12-24；修回日期:2016-02-19

基金項目:總裝基礎科研基金(B0920110051)

作者簡介:周誠(1975-)，男，副研究員，從事含能材料合成和應用研究。E-mail: zhoucn@163.com

中圖分類號：TJ55;V512

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)03-0080-04