HTPB是目前高能火箭中最常用的粘合剂,AP-HTPB燃料的比冲大约是RNX的两倍,但价格较贵,根据品质和不同约180元/kg - 300元/kg。 之前有传闻HTPB有所谓的脱密以及配方不对,无法固化什么的,这实际上是谣言,HTPB的固化是十分基本的化学操作,而真正的难点在于改性,诸如老化,提高与材料的粘合度(比如与金属的),提高力学性能,降低感度(请不要忘记AP也是含能材料)。另外还需要注意一点,HTPB别说牌号,就算是同一个牌号也有各种差异,所以在业余火箭的环境中,讨论极为精准的配方意义不大,我认为我们更需要关注实验和测试,我想这也是火箭发动机研制的重点部分。 其实HTPB的计算和配比并不复杂,你只需要看懂本文,并合理使用本文所附带的工具,便可以自行设计、推算配方。 HTPB固化剂的作用是使橡胶的OH(羟基)和固化剂的NCO(异氰酸酯)黏在一起。 HTPB和异氰酸酯反应固化,可以用各种带这个官能团的有机物,最常用的便是TDI(甲苯二异氰酸酯)、MDI(二苯基甲烷二异氰酸酯)和IPDI(异佛尔酮二异氰酸酯)等。TDI对雄性具有一定的生殖毒性,表现为对各级生精细胞均有一定的毒性作用,且价格贵于MDI,所以我这里着重介绍MDI。MDI是一种非常常见的工业中间品,价格约15000/吨。
注意:当添加进其他各种物质(含有0H的)时必须计算它对固化剂的量的影响 计算的单位是按照分子当量,就是mol…按照g/eq来计算(国内多用MMOL/G,转换一下即可) 例:这个是某个公司的HTPB R45M 他的MEQ/G是 0.72 转换成1380来算 ( 1/0.00072=1380)
这份HTPB,就按照1333来算,固化剂的方法也一样。我这边固化用的是拜耳的MDI,拜耳的是44V20,网上找个数据:
另一家阿里巴巴出售试用装MDI的商家数据:
固化剂建议用拜耳的44V20,可以找个商家让他卖你一小瓶。当然最好用粘度小一点的聚MDI,比如PAPI等等,计算方法一样。 44V20的 NCO是30.5-32.5,我就按照31.5来算. N(44V20)=4200/31.5=133.3 然后还有水要算上 n=9 所以我们得到 M=固化剂的量 R=混合物中NCO的量比上OH的量,理想情况当然是1:1,两个刚好黏在一起,实际情况有点复杂,不多赘述,建议加多一点点好固化 n(固)固化剂的分子当量 H=HTPB等需要固化物质的质量 X=HTPB等需要固化物质的分子当量 M=R*n*(H/X)
例:我需要固化100g 上面描述的HTPB:H=100
X=1333 用拜耳的MDI 44V20
n=133.3 所以 固化剂的质量=1*133.3*(100/1333)=10g 就是说100G的HTPB用10G MDI就能固化了(这是R=1的理想情况!!!) 现在来考虑有杂质或者其他添加物的情况 假设其中有1g的水的杂质,99g HTPB M=1*133.3*(99/1333+1/9)=24.7G 可见 1%的水都会导致固化剂量的剧增 所以请不要使用垃圾HTPB!!!!!!!!!!!!! 现在来计算简单的实际情况: 某种 HTPB 当量:1333.3 水份PPM=382 过氧化物=377 固化剂,举例1瓶劣质的MDI 数值如下 Nco%:29.0-32.0(范围略大…) 分子当量就按照144.8,固化剂部分建议使用MDI和TDI混着用或者IPDI,这样可以大大减少在固化剂其中的添加量。TDI的添加量可以很少,但可能造成固化实验严重延长。 我用DOA来增塑(DOS会便宜点,用DOA主要是因为它稀一点) DOA 水分% 0.030...(以上数据都是按照质量)
另外我们编写了APCP固化计算器,可自由下载:
ASR燃料配比计算.xls
(90 KB, 下载次数: 3)
在完成了APCP固化剂配比后,可以进一步进行金属燃烧剂、氧化剂的配比计算模拟,热力学模拟软件GUIPEP或功能更为强大,带内弹道计算的PROPEP是很好的选择,这是官网:
http://www.lekstutis.com/Artie/PEP/#GPINTRO
ProPep 3 :
英文说明书:
ProPep 3 Manual.pdf
(358 KB, 下载次数: 0)
汉化版下载:
ProPep3.rar
(1.27 MB, 下载次数: 4)
这里面有两个经验要点要提一下,首先是AP的占比不能过低,一般不要低于65%,否则会导致严重的燃烧不完全。其次是铝粉等金属添加剂的问题。理论上越多的铝粉,燃烧室温度越高,比冲也越高。这里面有几个制约因素。首先是你发动机喷口的耐热设计,面对动辄2、3千摄氏度的高温高压火焰的冲刷,能否顶过发动机工作时间。其次是铝粉含量过高会导致燃料混料的时候过于黏稠,无法搅拌或者抽真空。经验非常欠缺的爱好者制作APCP,我推荐铝粉含量不要超过4%,中级爱好者可以提高至8%左右。拥有真空捏合搅拌机等高端设备的爱好者可以考虑提升至12-15%。
以下为一些燃料配比的计算结果 (Credit to ASR Group)
ASR II 型燃料 ,即ASR SRM-81-APCP上使用的燃料理论比冲和喷口扩张比的关系:(可以为发动机设计提供依据)
特别需要感谢广州的张子林,为APCP的固化理论计算和实际制造贡献良多 |