聯環丁烷及其甲基衍生物的設計和性質模擬

王清晨，夏洋峰，劉 龍，3，張延強，4，陳 磊，楊文芳

（1. 天津工業大學紡織科學與工程學院，天津300387；2.中國科學院過程工程研究所粉體材料技術重點實驗室，北京100190；3. 中科廊坊過程工程研究院，河北 廊坊 065001；4. 鄭州中科新興產業技術研究院，河南 鄭州 450000）

1 引言

航天發展，動力先行。要提高火箭的運載能力，使用高比沖推進劑燃料是關鍵一環。現有高能燃料主要包括肼、偏二甲肼、煤油等，這些燃料已完成長征系列、獵鷹系列等航天發射任務［1-3］。然而，由于這些燃料毒性大、易揮發、能量密度低等方面不足，已逐漸被高能量密度碳氫燃料替代。高能量密度碳氫燃料與常規燃料相比，在密度上有很大程度的提升，具有更高的體積熱值［4］，是一類性能優異的航空航天發動機用高能燃料。從分子結構設計來看，要想獲得更高的密度需增加環的數量，如具有多環狀結構的高能燃料RJ-4、JP-10、四環庚烷等均具有較高的密度［5-6］。同時，環狀結構的C─H 鍵角處于扭曲狀態，含有一定的張力能，還可以儲存額外的能量［7］。因此，具有張力能的高密度碳氫燃料是空天發動機燃料研究的重要方向。

通常三元環、四元環結構具有更高的角張力和扭轉張力。基于三元環的研究已有多年基礎，如：俄羅斯早在蘇聯時期，就研制出一種Syntin 推進劑，其結構中含有多個三元環構型，密度大于0.85 g·cm-3，比沖可達到306 s［8］，大幅提高了火箭發動機的性能［9］，并在質子號等火箭中服役多次。我國天津大學鄒吉軍團隊［10］制備出一種雙環丙基化合物，其質量熱值高于42.8 MJ·kg-1，冰點低于-80 ℃，真空理論質量比沖高于387 s，其用于火箭發動機能顯著提高火箭的有效載荷?！?br>