第十二章 固体推进剂
本章讲述几种常用的固体火箭推进剂，包括主要类别、组分、危险性、制造工艺和 质量控制。另外，还要讨论衬层和绝热层、点火器推进剂，推进剂定制和燃气发生器用 的推进剂。本章是讨论固体火箭发动机的四章中的第二章。
推进剂性能的表征需要用热化学分析方法，该方法已在第五章描述。通过这种分析 可以得到平均分子量的理论值、燃烧温度、平均比热比和特征排气速度,它们都是推进 剂组分和燃烧室压力的函数。对于特定的喷管型面，还可计算出比冲。
术语固体推进剂有几个含义：(1)由氧化剂、燃料和其他成分组成的橡胶类或者塑 料类混合物经过加工形成的最终装药；(2)加工的尚未固化的产物；(3)单一成分’如 燃料或氧化剂。推进剂和组分的名称常采用缩略语和化学符号来表示，这里只使用了其 中的一些。
12.1分 类
经过加工的现代推进剂有多种分类方法，如下所述。这种分类方式并不严格或完 全，有时同一种推进剂会被分到两个或更多的类别中去。
(1) 推进剂常按照具体用途分类，如运载火箭助推器推进剂或战术导弹推进剂，每 一种都或多或少有特定的化学成分、不同的燃速、不同的物性和不同的性能。表11-1 列出了四种火箭发动机应用(每种都用不同的推进剂)和几种燃气发生器应用。火箭发 动机用的推进剂都有炽热(2400 K以上)的燃气，用于产生推力，而燃气发生器推进 剂的燃气温度相对较低(800~1200K),用于产生动力而不是推力。
历史上，早期的火箭发动机推进剂通常分为两类：双基(DB)推进剂是第一代推 进剂，而后用作點合剂的聚合物的发展使复合推进剂成为可行的推进剂。
(2) 双基础(DB)推进剂是均相的推进剂装药，通常由一种固体成分——硝化纤维 (NC)吸收液体硝化甘油，再加上少量的添加剂组成。两种主要的成分都是爆炸性 的，起到燃烧剂和氧化剂组合的作用。挤压双基(EDB)和浇注双基(CDB)推进剂有 广泛的应用，多数是用在过去设计的小型战术导弾中。通过添加结晶的三硝基苯甲硝胺，黑索金和奥克托金 (HMX或RDX),能提高双基推进剂的性能和密度，这种推进剂有时称为改性浇注双基推进剂。更好的改进是添加一种弹性的點合剂(橡胶类，如交联的聚丁二烯)，这能 改进物性并可吸收更多的硝铵，因此也能稍微提高性能。最终的推进剂称为弾性改性浇 注双基推进剂(EMCDB)。这四类双基推进剂几乎都是无烟的。加入一些固体的高氯酸铵(AP)和铝(A1)会略微提高密度相比冲，但排气是有烟的。这种推进剂称为复合改性双基推进剂或CMDB。
（3） 复合推进剂是非均相的推进剂装药，氧化剂晶体和燃烧剂粉末（通常是铝粉） 一起在合成橡胶（或塑料）黏合剂的基体中混合，如聚丁二烯（HTPB）*。复合推进剂 由固体（AP晶体、铝粉）和液体（HTPB、PPG）*成分混合，然后通过交联或硫化的 液体黏合剂聚合物并加入少量的固化剂，在炉于里固化成固体。在过去的几十年，复合 推进剂得到了广泛的应用。复合推进剂还可细分：
- 传统的复合推进剂，通常包含60%-72%的高氯酸铵（AP）作为氧化剂晶体， 最高22%的招粉（Al）作为金属燃烧剂。8%~16%的弹性黏合剂（有机聚合物）及其增塑剂。
- 改性复合推进剂加入了高能硝铵（HMX或RDX）,从而略微提高了性能和密 度。
- 改性复合推进剂加入了高能增塑剂，如硝化甘油（在双基推进剂中使用），略微 提高性能。有时也加入HMX。
- 高能复合固体推进剂（含铝粉），其中有机弾性黏合剂和增塑剂大部分被高能材 料（如特定的炸药）代替，一些AP被HMX取代。有些推进剂称为弾性改性浇注双基 推进剂（EMCDB）,它们大部分都是实验用的推进剂。标准状态下理论比冲为270~ 275 s。
- 低能复合推进剂,其中氧化剂晶体是硝酸铵（AN）而不是AP。它是燃气发生 器推进剂。如果加入大量的HMX,就会成为性能很好的少烟推进剂。
图12-1和图12-2示出了几种常用推进剂的比冲、燃速和密度范围。复合推进剂表 现出较高的密度、比冲和更宽的燃速范围。图中的纵坐标是标准状态（1000 psi.海平 面）下的真实或估算的比冲。这里不包括燃烧室压力的下降、喷管侵蚀或者燃烧损失的 假设。图中表明，复合推进剂有较宽的燃速和密度范围，其中大部分的比重在1.75- 1.81之间，燃速在7-20 mm/s之间。表12-1列出了几种推进剂的性能特征。双基 （DB）推进剂和硝酸铵（AN）推进剂的性能和密度较低。多数复合推进剂的性能和密 度都差不多，但是燃速范围很宽。一种CMDB推进剂的性能最高，其成分是DB/AP- HMX/A1，不过性能也只是提高了 4%。
几种分类有点混乱。复合改性双基推进剂（CMDB）认为是一种DB推进剂，其中 加入了一些AP、Al和黏合荆，但另外这种推进剂也可归为复合推进剂，只是其中加入 了一些双基的成分。
（4） 推进剂可以按照排气中烟的浓度分类，如有烟、少烟或微烟（基本无烟）。铝粉是一种理想的燃烧剂成分，经过氧化成为氧化铝后会在排气中形成可见的微小固体烟 颗粒。多数复合推进剂都是有烟的。减少复合推进剂的铝粉含量可减少发烟量。碳（烟灰）颗粒和金属氧化物（如氧化错或氣化铁）在足够高的浓度下也是可见的。这将在第十八章详细讨论。
（5） 根据爆轰的安全级别可以将推进剂分为潜在的爆轰材料（危险类别1.1）或非爆轰材料（危险类別1.3）,如同11.3节所述。危险类别为1.1的推进剂的例子是一些 双基推进剂和含有大量固体炸药（如HMX或RDX）和其他特定成分的复合推进剂。
(6) 推进剂也可以按所使用的主要加工工艺分类。浇注推进剂是通过固体和液体成 分的机械混合，然后浇注和固化形成的，这常用来加工复合推进剂。浇注推进剂的固化 是在逐渐升高的温度下（45-150℃）黏合剂和固化剂之间化学反应的过程。但是，有些可以在环境温度（20~25℃）下固化或者通过非化学过程硬化，如结晶。推进剂也可 以通过溶剂化工艺制造（将增塑剂溶解在固体颗粒的基体中，体积会膨胀）。挤压推进 剂的加工是通过机械混合（在钢板上滾动），然后挤压（在高压下通过模子）。溶剂化和 挤压过程起初是用在双基推进剂上的。
（7） 推进剂也可以按其主要成分分类，如氧化剂主成分（高氯酸铵推进剂、硝酸铵 推进剂或叠氮化物类型推进剂），或者是黏合剂主成分或燃烧剂主成分（如聚丁二烯推 进剂或含铝推进剂）。这种通过成分对推进剂分类的方式在12.4节和表12-8中描述。
（8）排气有毒和无毒的推进剂。这在12.3节详细描述。
各种各样不同的化学成分和推进剂配方都已经过了合成、分析，并在实验发动机中进行了试验。后面将列出其中一些。目前大约只有12种基本类型的推进剂在广泛使用， 其他的类型仍在研究。表12-2评估了几种所选的推进剂类型的优缺点。典型的推进剂有4~12种不同成分。表12-3给出了三种推进剂的典型配方。在实际应用中，各种推 进剂的制造厂有其自己的精确配方和加工工艺。即使是给定的推进剂，如PBAN,其成 分的准确含量不仅在制造厂之间不同，而且在不同的发动机应用中也有变化。调整成分 的质量含量，增加或减少一种或几种少量成分（添加剂）被称为推进剂定制。定制是将 众所周知的推进剂略做改变以适应新的应用、不同的加工设备、更改的发动机弹道、贮 存期限、温度限制，甚至是成分来源的变化。
新的推进剂配方通常是使用实验室规模的搅拌器、固化炉和相关设备将推进剂混合 物（1~5L）遥控操作，这主要是为了安全。工艺的研究通常伴随着配方的发展而发 展，以评估新型推进剂的工艺性，以及指导推进剂成分准备、混合、浇注或固化等特殊 生产设备的设计。
历史上，黑火药（硝酸钾、硫磺和一种有机燃料如研磨的桃色石的加压混合物） 最早使用的。其他类型的组分和推进剂也在实验发动机中应用过，包括氟化合物，含铍、硼、氢化硼、氢化锂、氢化铍的推进剂，或者新型的含有叠氮化物或硝酸根的合成有机增塑剂和黏合剂材料。但是其中大多数还没有达到相当的满意程度，或者没有在实际的火箭发动机中采用过。
12.2推进剂特性.
对火箭发动机设计来说，推进剂的选择是严格的。理想推进剂特性列在下面，本书 其他地方还会再次讨论。下面这些特性的优先权受特定发动机需求的影响：
（1） 高性能或高比冲。事实上这也意味着高燃气温度和（或）低分子量。
（2） 可预测、可再现并且初值可调的燃速，以适应装药设计和推力~时间要求。
（3） 为使推力或燃烧室压力的波动小，要求推进剂压力指数或燃速指数和温度系数 都要小。
（4） 在预期的工作温度范围内有足够的物性（包括粘结强度）。
（5） 密度高（适应小容积发动机）。
（6） 可预测、可再现的点火品质（如合理的点火超压）。
（7） 良好的老化特性和长寿命。老化和寿命的预测与推进剂理化性质、载荷循环和热循环下的累积破坏标准以及推进剂样品的实际试验和失败发动机的试验数据有关。
（8） 吸湿性低，吸湿常会导致化学品质悪化。
（9） 制造过程简单、可再现、安全、成本低、可控制，并且危险性小。
（10） 在推进剂的生产和操作期间,保证原料和采购部件的可供性，以及对不希望 的杂质具有良好的可控性。
（11） 技术风险低，例如有以前应用的良好记录。
（12） 对一定能量刺激的相对不敏感性，在下节描述。
（13） 排气无毒。
（14） 没有燃烧不稳定性傾向（见下一章）。
这些理想的特性中，有一些适用于固体发动机中的所有材料和部件，例如点火器、 绝热层、壳体或者安全保险机构。其中一些特性有时会和其他待性冲突.例如，提高物 理强度（增加黏合剂或交联刑）会降低性能和密度。因此，对推进剂某一种特性的改变 常会引起其他特性的变化。
现在说明当推进剂主要成分的浓度变化时推进剂的特性将如何变化。针对使用聚合 物黏合剂（HTPB）和各种晶体氧化剂的复合推进剂，图12-3示出了计算得到的燃烧或 火焰温度、平均燃气分子量和比冲随氧化剂浓度的变化，这是参考文献12-2的计算数据,是根据第五章的热花学分析得到的。Is和T1的最大值有大致相同的氧化剂浓度。实际上，因为固体（包括铝粉和固体催化剂）的总含量大于90%后搅样器就无法操作, AP （大约90%-93%）和AN （大约93%）的最佳含量是无法达到的。流入模具的浇 注药浆要求液体含量有10% ~15%。
图12-3对于HTPB基复合推进剂，燃烧温度、燃气平均分子量和理论比冲（冻结流）随氧化剂浓度的变化，燃烧室压力为68 atm,喷管出口压力为1.0 atm
图12-4是一种复合推进剂的典型成分图。它显示了比冲是如何随三种主要成分的 改变而变化的，三种主要成分是固体AP、固体Al和黏弾性的聚合物黏合剂。
对于双基（DB）推进剂，Is和T1的理论变化在图12-1和图12-5中示出，它们是硝化甘油（NG）或者增塑剂百分含量的函数。在NG的含量大约是80%时，比冲达到理论最高值。实际上,硝化甘油是液体，如果含量高则物性不好，所以其浓度很少超过 60%。那么这缺少的部分需要用其他的固体或者可溶解的成分来代替，以制造可用的DB推进剂。
图12-4对于高氯酸铵-铝粉-聚氨酯（PU是一神聚酯黏合剂）推进剂，在标准状态下（从1000 psi膨胀到14.7 psi）计算的比冲的成分图表。比冲的最大值出现在PU大约为11%、AP为72%、Al为17%的点
图12-5比冲和火焰温度与双基推进剂中硝化甘油（NG）浓度的关系
图12-6 比冲和火焰温度与AP-CMDB推进剂中的AP或RDX浓度的关系
图12-7 计算得到的推进剂燃烧产物随AP或RDX含量的变化
如图12-6所示，对于CMDB推进剂，无论是添加AP还是硝胺（如RDX）的都会 使Is比一般的DB （不含AP或RDX）要高一些。AP和RDX都大大提高了火焰温度， 使传热更严峻。在AP的含量为50%、RDX的含量为100% （这是无法制造、物性不合 理的不实际的推进剂）的时候，达到最大值。当AP或者RDX的浓度很高时，排气中含有大量的H2O和O2 （如图12-7所示），这会提高含碳的绝热层或喷管材料的侵蚀 速度。有毒的HCl的浓度是10%-20%,但对于实际推进剂一般不会超过14%。
硝胺（如RDX或者HMX）含有相对少的氧化基，并且包围硝胺晶体的黏合剂不 能被完全氧化。黏合剂在燃烧温度下分解，形成富含氫和一氧化碳（这会降低分子量） 的气体，将燃气冷却到较低的燃烧温度。图12-7示出了 AP基和RDX基CMDB推进剂 的燃气。如果RDX的含量高，那么看起来固体碳颗粒好像就没有了。
12.3危险性
如果有适当的预防和设备，所有一般的推进剂都可以安全的制造、处理和点火。有必要全面理解危险性和防止危险性升高的方法。每种材料都有其自身的危险性指标,其中一些共性的指标将在下面简要概述，也可参见文献12-4和12-5。但是这些并非都适 于每种推进剂。
12.3.1意外点火
如果火箭发动机在不希望的状态下点火并开始燃烧，随之而来的就是炽热的燃气、 当地发生着火或者使邻近的火箭发动机点火。除非发动机被卡紧和固定，否则其推力会 突然使之加速到无法预料的高速度或者有飘忽不定的飞行轨迹，由此导致破坏。另外， 其废气云可能是有毒和腐蚀性的。下面的因素可能造成意外点火：
杂散电流或感生电流激发点火器。
静电放电引起火花或电弧放电。
着火引起发动机外部过热，使推进剂温度升高到超过着火点温度。
枪击（子弹穿过或者发动机撞击到硬的表面）。
从持续的机械振动中吸收能量导致推进剂过热。
一种机电系统常被用来防止杂散电流激励点火器，这称为安全点火系统。它可以防 止由飞行器中其他导线的感生电流、雷达或者射频的感生电流、电磁脉冲或者核爆脉冲 引起的点火。在非点火状态，它阻止电流进入点火器电路。当进入引爆位置后，它就准 备好接收和发送启动信号到点火器。
闪电、绝缘材料的摩擦和两个绝缘材料的移动分离都可能引起静电放电（ESD）。 当高达几千伏的静电势建立起来后，在放电时就会有一个迅速升高的电流，这反过来会 导致沿着电流路径上的火花或者放热反应。因此，所有的推进剂、衬层或绝热层都应该 有足够的导电能力来防止静电积累。据信,“潘兴”地地导弹的一次意外点火就是由运 输起竖车中的静电放电引起的。ESD与材料、材料的表面状况和体积电阻率、介电常数和击穿电压都有关。
黏弹性的推进剂会很好地吸收振动能最，并且当长期以某一频率振动时会局部发 热。如果在设计中装药的一段没有进行良好的支撑，在固有频率时发生无约束的振动， 就会发生这神情况。另外，推进剂还可以被其他的能量输入突然点燃，例如机械摩擦或 机械振动。现在已经发展了标准试验来测试推进剂对这些能量输入的抵抗能力。
12.3.2老化和使用寿命
该专题在前一章的结构设计部分已经作了简要的讨论。如果能准确预测发动机寿命 内的载荷，那么推进剂的老化就可通过试验发动机和推进剂样品试验来測量。这就有可 能估算火箭发动机的贮存寿命（见参考文献12-5和12-6）。当热载荷和机械载荷周期性 的循环（累积破坏）引起固体推进剂物性下降、使应力或应变的安全界限下降到破坏点 时，发动机就不能安全点火和操作了。 一旦到了寿命限制或者预期的削弱条件,发动机 就很可能失效。这时，需要将之从服务清单中清除，并且也需耍清除老化的推进剂，更 换成新的推进剂。
具体发动机的寿命与具体的推进剂、施加裁荷或应力的频率和大小、设计以及其他 因素有关。典型的寿命为5~25年。推进剂物理强度的提高，选择化学相容性好、稳定 的组分（长期分解程度小），振动负荷、温度极限或者温度循环次数（受控的贮存和运 输环境）的减小都能提高贮存寿命。
12.3.3壳体超压和失效
如果燃烧室压力超过壳体的爆破压力，发动机壳体就会破裂或爆炸。髙压燃气的释 放引起爆炸，发动机碎片可能被抛到附近的区域。燃烧室压力突然下降到环境压力，一 般会低于爆燃界限，这会致使危险级别为1.3的推进剂熄火。经常可以发现，在猛烈的 壳体爆破后，有大块的未燃烧的推进剂。这种类型的发动机失败可由下面的现象引起：
（1） 装药过度老化、多孔或者有严重的裂纹，并且因为严重的累积破坏存在脱粘区 城。
（2） 因为迁移或者缓慢、低阶的化学反应，使推逬剂产生了显著的化学变化。这会 降低容许的物理属性，削弱装药，于是推进剂开裂或引起不希望有的燃速增长，在一些 例子中，化学反应产生的气体产物会形成许多微小的砂眼并且使密封贮存的发动机压力 升高。
（3） 发动机的制造不严格。显然，需要细致的制造过程和检验过程。
（4） 发动机已经破坏。例如,不当的操作在壳体上造成划痕或凹坑会降低壳体强 度。这种情况可以通过细致的操作和反复的检验来避免。
（5） 喷管阻塞（例如一大块绝热层脱落）造成燃烧室压力的迅速升高’
（6） 吸湿会使含有吸湿成分的推进剂的强度和应变能力降低3~10倍。通常，采用 密封的方式防止潮气进入发动机。
12.3.4爆轰与爆燃
如表12-4所示，当燃烧的火箭发动机推进剂超压时，它会爆燃（燃烧）或爆轰（猛烈的爆炸）。爆轰时，整个推进剂的化学反应能最在瞬时（几毫秒）释放出来，实际 上就是一颗炸弹。有些推进剂和组分会存在这种爆轰的条件（例如硝化甘油或HMX。本章后面将描述HMX）。经过适当的设计、正确的加工和安全操作，可以减小或者避 免爆轰的发生。
同样的材料可能燃烧也可能爆轰，这与化学分子式、启动的类型和强度、受限制的 程度、物理属性（如密度或者孔隙度）和发动机的几何特征有关。某一推进剂突然从有 序的爆燃变成爆轰是有可能的。这种转变的一个简单解释是，燃烧起初在額定的燃焼室 压力下进行,炽热燃气通过孔隙或裂纹渗入未燃推进剂，那里的空间限制使当地压力变 得很高，燃烧锋面被加速到激波的速度。这样就从低压增强到强烈的高压激波，呈现出爆轰的特征。几何限制的程度和刚性以及尺度因素（例如大直径的装药）会影响爆轰的发生和剧烈程度。
12.3.5危险性分级
我们认为，能够从爆燃转变成爆轰的推进剂是更加危险的，它通常标识为危险级别 1.1类型的推进剂。如果燃烧室压力过高，壳体可能爆破。而大量的推进剂只是燃烧面 没有发生爆轰，那么该推进剂的危险级别为1.3。确定这种危险性类别的试验和准则在 参考文献12-7中解释。推进剂样品要经受各种试验，包括撞击试验（落锤）和卡片间 隙试验（用来确定当推进剂样品被放入已知的用助推器炸药产生的冲击波中，需要多大 的力才能使推进剂爆轰）。如果是装有危险级1.3推进剂的发动机壳体发生猛烈的爆破, 就会有许多残存的未燃推进剂被抛出来，但是它们通常会停止燃烧。而如果装的是危险 级别1.1的推进剂，有时会随之发生强烈的爆炸，这会使残存的推进剂迅速气化，这比 壳体在高压下爆破更强烈、破坏性更强。术语“爆炸”不仅用来描述发动机壳体爆破成 碎片，而且用来描述爆表中能量的高速释放，这种高速释放使发动机碎片速度更快、能量更大。
美国国防部（DOD）的1.1或者1.3的级别决定推进剂的标记方法和运输火箭推进 剂、装有弹药的导弹、炸药或者军需品的费用，还决定了某地点的推进剂贮存量或者生 产量的限度,以及贮存点之间或者贮存点与建筑之间的最小距离。DOD系统（参考文 献12-7）和联合国使用的是一样的。
12.3.6低易损性
军事行动中，突然的点火和计划外操作，或者火箭、导弹的爆炸会造成装备的严重 损坏，并且造成人员伤亡。这种情况的发生可以通过发动机设计、使推进剂对各种能, 剌激不敏感来避免和减小。最坏的情况是推进剂爆炸、释放出所有的能量，因此必须避 免其发生。导弹及其发动机必须经过一系列规定的测试，来确定它们对战斗中可能出现 的各种能量刺激所引起的意外点火的抵抗能力。表12-5描述了军事规范中的一系列测 试，参考文献12-8和12-9对此作了详述。在测试前必须进行危险性评估，来估计导弾 寿命期内的后勤和操作产生的威胁。评估的结果可能会改变某些测试装置和合格标准或者跳过某些测试。
导弾及其发动机在测试中会被破坏。如果发动机爆炸（不可接受的后果），就必须 重新设计发动机或者改变推进剂。有几种新型的推进剂对这些刺激具有更好的抵抗能 力，因此更适于战术导弹应用，尽管它们在推进性能上可能要差一些。如果发生爆炸 （不是爆轰），可能需要重新设计发动机来减轻爆炸的影响（减小猛烈程度）。例如，可 以在壳体上增加措施使之在爆炸前进行排放。对运輸容器的改变也可以减轻爆炸的影 响。如果只是产生燃烧（可接受的结果），那么就需要将燃烧限制在特定的装药或者发 动机范围内。在有些环境下，壳体发生爆破是可以接受的。
12.3.7压力上限
如果压力的上升速率和绝对压力过高（在某些撞击试验或枪管中的高加速度），有 些推进剂会爆炸。对于多数推进剂来说,这个压力在1500 MPa以上，而对另外的推进 剂而言则比较低（300 MPa）。这就是压力上限，超过该限度推进剂就不能正常工作。
12.3.8毒性
大部分火箭不存在明显的毒性问题。多数推进剂成分（例如某些交联剂和燃速催化
剂）和少数在纤维增强壳体中使用的增塑剂对皮肤和呼吸器官有毒性，有些是致癌物质 或者是潜在的致癌物质。对这些成分以及包含这些成分的未固化的推进剂混合物的操作 必须小心，避免操作者直接暴露。这就需要使用手套、面罩，要求通风良好。对于高蒸 气压的成分，还需要用防毒面具。最终固化的推进剂或发动机通常是无毒的。
排气羽流中若含有铍或氧化铍颗粒、氯气、盐酸气体、氢氟酸气体或者其他的氟化 物，那么就有很强的毒性。当使用高氯酸铵氧化剂时,排气中会含高达14%的盐酸。 对于大型火箭发动机，这会产生数吨剧毒气体。如第二十章所述。对于羽流有毒的发动 机，测试和发射设备要有特殊的预防措施,并不定期进行净化。
12.3.9安全准则
控制危险性和防止突发事件最有效的途径是：①对处于各种有关推进剂危险中的人 员进行培训，训练他们如何避免危险状况，防止突发事故，以及如何从事故中脱险； ②使设计的发动机、工具和设备更安全；③在设计、制造和操作过程中，建立和坚持严 格的安全准则。例如在有推进剂或者装有药柱的发动机的地方严禁烟火，穿防火花的鞋 和使用防火花的工具，屏蔽所有的电设备，在测试设备中装备喷淋灭火系统来冷却发动 机或灭火，或者所有能产生静电积累的电气设备都要良好接地。
12.4推进剂成分
表12-6和表12-7分别列出了双基推进剂和复合型固体推进剂中一些常用的推进痢 成分。它们按照主要功能分类，如氧化剂、燃烧剂、黏合剂、增塑剂、固化剂等等，本节将一一描述。然而，有些成分不只一种功能。本节所列的成分并不完全，在火箭发动 机实验中至少曾尝试了 200种其他的成分。
现代推进剂（包括一些正在试验的新品种）的一种分类列在表12-8中，它是按照黏合剂、增塑剂和固体成分来分类的。固体可以是氧化剂、燃烧剂或者两者的混合物或化合物。
表12-8用于飞行器的固体火箭推进剂根据其黏合剂、增塑剂和固体成分的分类
成分的特性和纯度对推进剂特性的影响极大。一种组分的看来很小的变化就会引起 弹道特性、物理特性、迁移、老化或者制造难易程度有相当大的改变。当推进剂性能或 者弹道特征有严格的误差限制时，成分的纯度和待性也必须有严格的误差、进行仔细的操作（例如，不能暴露在湿气中）。下面将按照功能简要讨论一些重要的成分。
12.4.1无机氧化剂
表12-9列出了几种氧化剂和含有氧基的混合物的一些热化学特性。它们的值取决于各种成分的化学性质。
高氯酸锻（NH4ClO4）是固体推进剂中使用最广泛的晶体氧化剂。因为它有优良的 待性，包括与其他推进剂材料相容,有良好的性能、质量和均匀性，且可大量获得，所 以它在固体氧化剂中占据绝对优势。其他固体氧化剂，尤其是硝酸铵和高氯酸钾，曾经 并且现在也偶尔用在产品发动机中，但在很大程度上已经被含有高氯酸铵的更为新型的推进剂所取代。许多氧化剂混合物都是在20世纪70年代研制的，但是都没有达到生产的水平。
高氯酸盐的潜在氧化能量一般比较高，这使得该材料适合于高比冲的推进剂。髙氯酸铵和高氯酸钾都只是少量地溶于水，这对推进剂来说是有利的。所有的高氯酸盐氧化 剂与燃烧剂反应时都会产生氯化氢（HC1）和其他有毒、有腐蚀性的氯化物。发动机点 火时要特别小心，操作人员和居民不能在排气云的范围内，对于非常大的火箭发动机更 是如此。高氯酸铵（AP）以白色小晶体的形式供货。颗粒的尺寸和形状影响推进剂的 加工工艺和燃速。所以，在一批或者同一批量的生产中，晶体的尺寸和尺寸分布要精确 控制。 AP晶体是球形的,这样就比尖锐的、断裂的晶体更容易混合。出厂时其尺寸范围从直径约600𝛍m （l𝛍m= 10–6 m）到大约80𝛍m，直径40𝛍m以下的尺寸是有危险的 （易于点燃、有时会爆轰），不能运输，所以推进剂生产商采用比较大的晶体，只是在加 入推进剂之前将它们研磨（在发动机工厂）成较小的尺寸（小至2𝛍m）。
与高氯酸盐相比，无机硝酸盐是性能相对较低的氧化剂。但是，因为价格低廉、无 烟，以及排气相对无毒，所以硝酸铵在某些应用也有使用。主要用于燃速低、性能低的 发动机和燃气发生器中。在几种相变温度下,硝酸铵（AN）的晶体结构会改变。这会 导致其体积的微小变化。例如发生在32t℃的一种相变使体积大约变化3.4%。这种经过 转变温度的反复温度变化会使推进剂中产生微小的孔隙，引起推进剂增长以及物性或弾 道性质的变化。少量安定剂（例如氧化镍或者硝酸钾）的加入看来可将转变温度提高到 60℃以上，这个温度已经足够高了，一般的环境温度变化不会引起再结晶（参考文献 12-10和12-11）。加入这种添加剂的AN就是众所周知的相稳定硝酸铵（PSAN）。另 外，AN是有吸湿性的，吸湿会使含有AN的推进剂降解。
12.4.2燃烧剂
本节讨论固体燃烧剂。球形铝粉是最常用的燃烧剂。铝粉由小的球形顆粒（直径 5~60μm）组成，用在很多种复合推进剂和复合改性双基推进剂的配方中，通常占推进剂质量的14%~20%。小的铝颗粒能够在空气中燃烧，如果吸入侶粉会发生轻微的中毒。在发动机燃烧过程中，该燃烧剂被氧化成氧化铝。这些氣化颗粒趋向于凝聚，形成 较大的颗粒团。铝粉会增加燃烧热，提高推进剂密度、燃烧温度和比冲。在燃烧过程 中,氧化铝是液滴的形态，而在喷管中随着燃气温度的降低它会固化。当氧化铝是液态 时，会形成熔渣，聚集在发动机的凹陷处（例如，在设计不当的嵌入喷管周围），因此 会对飞行器质量比产生不利的影响。另外，如参考文献12-12和14-13所述，氧化铝还 会沉积在燃烧室内壁面上。
硼是一种种高能燃烧剂，比铝轻一些，熔点也比较高（2304℃）。即使在有相当长度 的燃烧室里它也难以高效地燃烧。然而，如果硼頼粒足够小，则可以有相当程度的氧化。在火箭-吸气组合发动机中，推进剂中使用硼就很有利，因为那里有充分的燃烧容积，空气中有充分的氧化剂。
铍比硼容易燃烧得多，并且能提高固体推进剂发动机的比冲，通常约增加15 s,但 是铍及其氧化物有剧毒（当动物和人吸入粉末时）。现在，采用铍粉的复合推进剂技术 已经通过实验验证，但是其强烈的毒性使之难以应用。
从理论上讲，因为释放的热值高，产生的气体体积大，所以氢化铝（A1H3）和氢 化皱（BeH2）都是很有吸引力的燃烧剂。对于AlH3，比冲可增加10 – 15 s,对于 BeH2,比冲可增加25〜30 s。但是它们都难以制造，并且在贮存过程中会因为氢含量的 减少而发生化学变质。所以至今这些化合物也没有被当做实际的燃烧剂使用。
12.4.3黏合剂
黏合剂为固体推进剂中固体颗粒的粘结提供结构基体。其原料是液体预聚物或者单体。聚合物、聚酯和聚丁二烯都曾经使用过（见表12-6和表12-7）。黏合剂与固体组分 混合后，进行浇注和固化，形成构成装药的坚硬的橡胶类材料。聚氯乙烯（PVC）和聚 氨基甲酸乙酯（PU）（表12-1）在40年前就开始使用了，且在某些发动机中至今仍然 使用，这些发动机多数是过去设计的。对固体火箭发动机来说，黏合剂材料也是燃烧 剂，它在燃烧过程中氧化。粘合成分通常是一种或几种类型的聚合物，对发动机的可靠 性、机械性能、推进剂加工的复杂程度、贮存、老化和费用都有重要影响。在推进剂固 化过程中,一些聚合物发生复杂的化学反应、交联和分支链接。近年来,比较好的粘合剂是HTPB,因为它能够容许较高的固体含量（88%〜90%的AP和A1），并且在温度 范围内有相对良好的物性。表12-1、表12-6和表12-7列出了几种常用的黏合剂。弹性 的黏合剂中加入塑化的双基类型硝化纤维以增强物性。当黏合剂单体和交联剂发生反应 时，开始聚合形成长链的、复杂的三维聚合物。其他类型的黏合剂，如PVC,在固 化或塑化过程中没有分子反应发生（见参考文献12-2、12-3和12-13）。通常称为塑料溶胶类型的黏合剂，它们在不揮发的液体中形成非常黏稠的聚脂粉末分布。通过相互作用，它们缓慢聚合。
12.4.4燃速调节剂
燃速催化剂或燃速调节剂用来加速或者减弱燃烧表面的燃烧，提高或减小推进剂燃 速。它调节燃速，以与特定的装药设计和推力-时间曲线相适应。表12-6列出了一些燃 速调节剂。其中一些会提高燃速，像氣化铁或硬脂酸铅，而其他的会减小复合推进剂的燃速，像氟化鲤。无机催化剂不会产生燃烧能量，但是在被加热到燃烧温度时会消耗能量o这些调节剂因为改变了燃烧机理而产生效力，这将在第十三章描述。参考文献12-2 的第二章给出了几种调节剂如何改变复合推进剂燃速的例子。
12.4.5增塑剂
增塑剂通常是黏性相对低的液体有机成分，它也是一种燃烧剂。它的加入是为了在 低温下提高推进剂的延伸率和加工性能，例如已经混合但是未固化的推进剂在浇注和罐装期同需要低的黏度。增塑剂列在表12-6、表12-7中，表12-8也列出了一些。
12.4.6固化剂或交联剂
固化剂或交联剂使聚合物形成较长的链,具有较大的分子量，并且在链之间形成连结。尽管这种材料的含量很低（0.2%~3%），但是其含量的微小变化会对推进剂的物性、制造和老化产生重要影响。另外,它只在复合推进剂中采用，使黏合剂固化硬化。 表12-7列出了一些固化剂。
12.4.7活性黏合剂和增塑剂
活性黏合剂和增塑剂的使用取代了传统的有机材料。它们和有机成分一样，含有氧化成分（如叠氮化物或有机硝酸盐）。因为它们在推进剂中增加了一些附加能量，故使 性能有适度的提高。对其他成分，它们要么起黏合剂的作用，要么起活性增塑剂液体的 作用。它们能够进行放热自身反应，无需单独的氧化剂而燃烧。缩水甘油基叠氮化物聚合物（GAP）是活性、热稳定的可聚合羟基预聚物的一个例子，它已在实验推进剂中采 用。其他活性黏合剂或者增塑剂材料列在表12-6,表12-7和表12-8中。
12.4.8有机氧化剂或炸药
有机氧化剂是爆炸性有机化合物，带有NO2根或其他组合到分子结构中的氧化成 分。参考文献12-2和12-13描述了它们的性质、制造和应用。它们在高能推进剂或少烟推进剂中使用。可以是固体晶体（如硝胺HMX或RDX）、含纤维的固体（如NC） 或者活性增塑剂液体（如DEGN或NG）。当施加足够的能量时，这些材料自身会反应或燃烧，但是它们都是炸药，在特定的条件下会爆炸。HMX和RDX都是化学当量平 衡的材料，所以无论是燃烧剂还是氣化剂的加入都会使丁T1和Is减小。因此，当在粘弹性基体中加入黏合剂燃料来固定其中的HMX或RDX晶体时，必须加入级化剂（如AP 或 AN）。
RDX和HMX在结构和性质上很相似。它们都是白色固体晶体，可以被制成各种 尺寸。为安全考虑，它们被放在有减感作用的液体中运输（在加工推进剂前，这种减感 液体要去除）。HMX的密度和爆轰速度要高一些，产生的单位体积能量更大，且熔点 也高一些。NG、NC、HMX和RDX在军事和商业炸药中也得到了广泛应用。DB、 CMDB或复合推进剂中可加入HMX或RDX,以获得较高的性能或得到其他特性。加 入的含量可以占到推进剂的60%。加工含有这些成分或者相似成分的推进剂是危险的, 额外的安全預防措施会使加工费用升高。
液体硝化甘油（NG）对冲击、碰撞或摩擦非常敏慝。当加入其他材料（类似三醋精或邻苯二甲酸二丁酯的液体）或者与硝化纤维夏台，使之阵低敏感性，那么对于推进剂来说它就是一种相当好的增塑荆。它在很多有机溶剂中都易于溶解.而反过来对于 NC和其他团体组分它又是溶剂（参考文献12-13）。
硝化纤维（NC）是DB和CMDB推进剂中的一种重要成分。它是将木材或棉花中 的天然紆维用硝酸硝化而成，是几种有机硝酸盐的混合物。虽然呈结晶状态，但是它仍 然保持着初始纤维素的纤维结构（见参考文献12-13）。在确定硝化纤维的主要性质时， 含氮量是很重要的，其范围是8%~14%,但是推进剂采用的等级一般在12.2% ~ 13.1%。既然用天然产物制造NC不可能有精确的含氮量，那么就需要通过仔细地混合来达到要求的品质。因为固体纤维状的NC材料难以制成装药，所以当它用在DB和 CMDB推进剂中时，常与NG、DEGN或其他增塑剂混合使之溶解或胶化。
12.4.9添加剂
少量的添加剂可以用于多种目的，包括加速或者延长固化时间、改进流变特性（便 于黏性推进剂原料混合物的浇注）、改进物性、增加透明推进剂的不透明度来防止非燃 面处的辐射加热、限制推进剂的化学成分向黏合剂迁移或者相反方向的迁移、减小贮存 期间的缓慢氧化或化学变质和改进老化特征或防潮性。键合剂用于增强固体成分（AP 或A1）和黏合剂之间的附着力。安定剂用来限制推进剂中可能发生的缓慢化学反应或 物理反应。有吋在交联剂或固化剂中加入催化剂来减慢固化速度。润滑剂有助于挤压加工。减感剂可以减弱推进剂对意外能量刺激的感应能力。
12.4.10颗粒尺寸参数
推进剂中，AP、A1或HMX固体颗粒的尺寸、形状和尺寸分布对复合推进剂的性 质有重要影响。颗粒被加工成球形，因为球形可以使混合更加容易,并且在推进剂中比 锐边形状的天然晶体有更高的固体装填,。通常，研磨的AP氣化剂晶体按照颗粒尺寸 范围分成下面几级：
- 粗颗粒 400 — 600μm （1μm—10-6 m）
- 中等颗粒 50—200μm
- 细颗粒 5— 15μm
- 超细颗粒 微米以下〜5μm
粗颗粒和中等颗粒的AP晶体是1.3级的爆炸材料，而细颗粒和超细犢軸是1.1级的高 爆炸物，通常在现场由中等颗粒或粗颗粒加工而成（见12.3节爆炸危险性等级的定 义）。如果只要求单位推进剂体积中的氧化剂含量最大，那么多数推进剂使用各种尺寸 的氧化剂颗粒混合物，因为小的颗粒可以充填较大颗粒之间的空隙。
图12-8示岀了氧化剂颗粒的粗/细比例变化和燃速添加剂对推进剂燃速的影响。图 12-9表明，铝粉颗粒尺寸对推进剂燃速的影响要比氧化剂颗粒尺寸的影响小得多。图 12-8还表明了颗粒尺寸的影响。氧化剂颗粒（通常是高氯酸铵AP）和固体燃烧剂颗粒 （通常是铝粉）的尺寸范围及颗粒形状对固体装填密度和未固化复合推进剂的流变性质 （与黏性液体的流动和倾倒有关）有很大影响。根据定义,装填分数是把固体装紧成最小体积（理论状况）时固体的体积分数。装填密度高使得推进剂加工工艺中的混合、浇注和处理更为困难。图12-10示出了采用各种尺寸的高氯酸铵颗粒混合时，AP颗粒尺寸的分布。通过控制尺寸范围和尺寸混合比，该曲线形状可以有很大的改变。另外，固 体颗粒的尺寸范围和形状还会影响固体装填比。固体装填比是在未固化的推进剂中，固 体对所有成分的质量比。现在采用计算机优化方法来调整颗粒尺寸分布，以改进固体装填比。在某些复合推进剂中，固体装填比可以高达90%。高的装填比可以提高性能， 但是会使加工工艺变得复杂和昂贵。对于许多高比冲的复合推进剂来说,如何在弹道 （性能）要求、加工性、机械强度、废品率和设备费用方面进行折衷仍然是个问题。参 考文献12-12和12-13给岀了颗粒尺寸对发动机性能影响的资料。
图12-8氧化剂（高氯酸铵）颗粒尺寸的混合比和燃速添 加剂对复合推进剂燃速的典型影响
图12-9铝颗粒尺寸对复合推进剂燃速的典型影响
单峰推进剂只有一种尺寸的固体氧化剂颗粒，双峰推进剂有两种尺寸（比如说20 和200μm）,而三峰推进剂有三种尺寸，这可以使更多的固体加入到推进剂中。
图12-10氧化剂（AP）颗粒的尺寸分布是两种或多种不同颗粒尺寸的混合；该种复合推进剂在10μm处有一个狭窄的分布区域，在50~200μm有很寛的分布区域
12.5其他推进剂类别
燃气发生器推进剂产生燃气而不是推力。它们通常燃烧温度低（800-1600 K）, 并且在金属壳体中使用时大都不需要绝热层。燃气发生器的典型应用列在表11-1中。 虽然很多推进剂都可以用在燃气发生器中来产生燃气，但是这里只讲少数几种。
与其他各种成分或黏合剂一起，稳定的AN基推进剂已经使用了很多年。它们产生 洁净的、基本少烟的排气,并且燃烧温度低。因为燃速低，它们在长时间工作（比如说 30-300 s）的燃气发生器中很有用。参考文献12-11给出了其典型组成，表12-14描述 了一种典型的燃气发生器推逬剂。
降低火焰温度的一种方法是在原来的AP推进剂燃烧中加水来冷却燃气，将之冷却 到未加冷却措施的金属可以承受的温度。该方-法在MX导弹发射管气体发生器中得到了使用（参考文献12-14） ,另一种推进剂配方是HMX或RDX加过量的聚醚或聚酯类 型的聚氨酯。
用于汽车碰撞安全气囊充气的排气必须无毒、无烟、温度低（不会灼伤人）、快速 反应，并且能可靠地获得。一种方案是使用碱性的叠氮化物（如NaN3或KN3）和氧化 剂。最终的硝酸盐或氧化物是固体材料,通过过滤器去除，于是燃气就是洁净的，并且 主要是温度适中的氮气。还有一种方案是空气通过热的高压气体送入气囊（参考文献 12-15）。一种特定的组成是 65% -75% 的 NaN3、10% -28% 的 Fe2O3、5% ~ 16%的 NaNO3,（作为氧化剂）、燃速调节剂和少量的用于吸湿的SiOP。产物中的固体氮化物残 渣由过滤器过滤。
燃气发生器发出的功率P可表示为
\(P=\dot{m}\left( {{h}_{1}}-{{h}_{2}} \right)=\left[ {\dot{m}{{T}_{1}}Rk}/{\left( k-1 \right)}\; \right]\left[ 1-{{\left( \frac{{{p}_{2}}}{{{p}_{1}}} \right)}^{\frac{k-1}{k}}} \right]\) （12-1）
式中\(\dot{m}\)是质量流率，h1和h2分别是燃气发生器室压和排气压力下单位质量的焓，T1 是燃气发生器燃烧室火焰温度，R是气体常数，p2/p1是压力比的倒数，k是比热比。 因为火焰温度相对较低，所以没有明显的分解,采用冻结流计算就足够了。
12.5.2无烟或低烟推进剂
特定类型的DB推进剂，如经过HMX和AN组分改性的DB,是基本无烟的。在排 气中没有或只有很少量的顆粒物。这些无烟推进剂并不是含有特殊成分的特殊类型，而 是属于前面提到的某些类别的推进剂形式。含有Al、Zr、Fe2O3（燃速调节剂）或者其 他金属成分的推进剂会产生可见的排气云，其中含有金属或金属氧化物颗粒。
对于特殊的军事应用，需要使用无烟推进剂，其理由在第十八章（排气羽流》指 岀。制造真正的、具有无烟排气的推进剂是很难的。因此，我们要区别低烟（亦称曾微烟，几乎无烟）和少烟推进剂（有微弱的可见羽流）。可见的烟尾迹来自于羽流中的固体颗粒，如氧化铝。如果这些颗粒足够多，排气羽流就会散射或者吸收光线，形成可见的一次烟雾。颗粒可以充当湿气凝結的焦点，这在饱和空气或者湿度高、温度低的条件 下都会发生。另外，汽化的羽流分子，如水或盐酸，会在冷空气中凝结并形成液滴，由 此形成云迹。这些过程形成水汽尾流或二次烟雾。
几种类型的DB推进剂，如HMX改性DB、硝基（HMX或RDX）复合推进剂、 AN复合推进剂或其混合物在排气中没有或只有很少的固体颗粒。因为不含铝或AP, 它们的比冲通常比含AP的推进剂低，而且只有很小的一次烟雾，但是在天气条件不好 时会有二次烟雾。有几种这样的推进剂已经在战术导弹上使用了。
少烟推进剂通常是含有低浓度侣粉（1%~6%）的复合推进剂。在排气羽流中其氧化铝的含量低，只形成微弱可见的一次烟雾，但是在不良天气下会第结出很强的二次烟 雾。如图12-1所示，其性能比低烟推进剂好得多。
12.5.3点火器推进剂
推进剂的点火过程将在13.2节讨论，几种类型的点火器将在14.3节讨论。这里简 要描述用于点火器的推进剂，这是推进剂技术中的一个专门领域。对点火器推进剂有以 下要求：
高热量的快速释放和单位点火器推进剂质量能生成大量气体，使燃气迅速地充满装药空腔并在燃烧室局都增压。
在较宽的压力范圈内（从低于大气压到燃烧室压力）能够稳定地启动和运行，并且在低压下稳定燃烧，没有点火压力峰。
点火器推进剂快速点燃，点火廷迟小。
燃速对环境温度的变化不敏感，燃速压力指数低。
能在要求的温度范围下运行。
制造容易、安全,运输和处理安全。
老化特牲良好、寿命长。
吸湿性低或随时间降解的速度慢。
成分和生产的成本低。
一些点火器不仅产生高温燃气，而且产生高温固体颗粒或液滴，这些颗粒会辐射热 量，撞击并附着在推进剂表面,帮助暴露的装药表面开始燃烧。
现有多种不同的点火器推进剂，并且已作了大量实验研究。黑火药在早期的发动机 中使用，因其特性难以重现，已不再使用。挤压双基推进剂采用的比较多，通常是大虽 细小的柱状颗粒。在有些情况下,用作主装药的火箭推进剂也用来做点火器装药。有时 则稍微做些改变。它们以小火箭发动机的形式用在待点火的大型发动机中。通常的点火药配方是采用20%-35%的硼和65%-80%的硝酸钾以及1%~5%的黏合剂。黏合剂 主要有环氧树脂、石墨、硝化纤维、植物油、聚异丁烯和表12-7中所列的其他黏合剂。 还有的配方使用镁和碳氟化合物（特氟纶、聚四氟乙烯），它会产生高温颗粒和热气 （参考文献12-16和12-17）。其他的点火器推进剂列在參考文献12-18中。
12.6衬层、绝热层和包覆层
位于装药交界面的这三层巳在11.3节定义。它们的材料不包含任何氧化成分，在炽热燃气中会烧蚀、烧焦、蒸发或碎裂。即使燃气中含有很少量的氧化成分，它们也会 燃烧，但是通常不会自燃。衬层、内绝热层或包覆层必须与推进剂化学相容或者相互之 间化学相容，以避免材料成分的迁移（下面描述）和变化，另外还要有良好的粘合强 度,才能与推进剂或者相互之间保持贴合。它们受破坏或表面烧蚀退移的温度应该高，且都必须是低密度的，从而可减小死重。典型的材料是氯丁（二烯）橡胶（密度 1.23）、丁基橡胶（0.93）、称为三元乙丙（EPDM, 0.86）的合成橡胶或者在推进剂中 使用的黏合剂（如聚丁二烯，0.9~1.0）。与推进剂的比重（1.6〜1.8）相比，它们的 比重是比较低的。对于低烟推进剂，这三种橡胶类材料应该只产生气体，不产生或只产 生很少的固体颗粒（见参考文献12-19）。
除了上一段列岀的所希望有的特征， 衬层还应该是柔软的、可拉伸的橡胶类薄层材 料（典型的厚度是0.02-0.04 in,延伸率200%〜450%）,这样就允许装药和壳体之间 沿粘合的衬层有相对位移。因为装药的热膨胀系数要比壳体大近一个数量级，两者会有 不同程度的膨胀。衬层还要对纤维缠绕壳体（非常薄的壳体，通常是多孔透气的）形成 密封,这样才不会使高压燃气泄漏。一种典型的战术导弾用的衬层是由聚丙二醇（大约 57%）、氧化钛填料（大约20%）、二异氰酸盐交联剂（大约20%）和少量其他成分 （如抗氧化剂）组成。在使用前，该发动机壳体必须预热到约82℃o三元乙丙橡胶 （EPDM）交联成三元乙丙三聚物，形成衬层常用的合成橡胶，其粘合和伸长性都很好。
在现在的某些发动机中，内绝热层不仅对壳体（对炽热燃气）起了热防护作用，而 且还具有衬层 （粘合推进剂和绝热层，或者绝热层和壳体）的功能。大多数发动机仍然 有分离的衬层和绝热层。内绝热层应该满足下列要求：
（1）必须抗侵蚀，尤其是发动机后部或长尾管的绝热层。这可通过使用坚韧的弹性 材料部分地达到,如氯丁（二烯）橡胶或丁基橡胶在化学上对炽热燃气和颗粒撞击有抵 抗力。表面完整性也可通过在称为多孔碳化层的受热表面上形成一层多孔碳黑层（当其 他孔隙间的材料分解或蒸发后它仍然存在）来解决。
（2） 必须有良好的热阻、导热系数低，来限制对壳体的传热，从而使壳体温度低于 最大容许温度（对于复合材料中的塑料壳体通常在160 – 350℃之间,对于多数钢壳体 大约在550-950℃之间）。这可以通过在绝热层中添加氣化硅、凯芙拉纤维或陶瓷颗粒 做到。石棉是一种很好的添加材料，但因危害健康而不再使用。
（3） 能允许大变形或应变，以适应装药在增压和温度循环中的变形，并且在装药和壳体之间传递载荷。
（4） 表面的退移要小，这样可以保持最初的表面几何形状,并且可以用薄的绝热 层。
发动机任意位置的绝热层厚度d或决于暴露时间te、侵蚀率re（由相似的气体速 度和温度下的侵蚀实验得到）和安全系数f （1.2-2.0）,其关系可简单表示为
d =teref （12-2）
一些设计师认为绝热层厚度应该是碳化厚度的两倍。
绝热层的厚度通常不是均匀的，其变化可高达20倍。某些区域的绝热层要厚一些， 如发动机后部，在那里暴露时间比较长，且横向剥离速度比推进剂覆盖的绝热层区域大。在选材之前,有必要估算流场和热环境（燃烧温度、气体组分、压力、暴霧时间、 内弾道），并据此作热分析（侵蚀和绝热层厚度预测）。发动机不同部位的载荷和载荷下的变形也需要进行分析，以估算应力和压应力。如果有高应力或者减压装置，还需进行结构分析。这些分析可采用各种计算机程序，如参考文献12-20和12-21中所提到的程序。
包覆层的材料通常与绝热层相同，它们用于（粘结、浇注、粘贴或喷涂）不希望燃 烧的装药表面。在分段的发动机中（如图14-2）,只有内孔表面可以燃烧，那么柱状装 药的横截面就要包起来。
迁移是流动（液体）的化学成分从固体推进剂向衬层、绝热层或包覆层移动或者反 向移动的过程。液体增塑剂（如NG、DEGN、未反应的单体或液体催化剂）都会产生 迁移。这种迁移非常缓慢，会使物性产生巨大变化（例如，靠近衬层的推进剂变脆）。 有证据表明，硝化甘油向绝热层的迁移会使之易燃。可以通过下面的方法来避免或抑制 迁移：①推进剂不含增塑剂；②绝热层或黏合剂使用的增塑剂和推进剂中使用的相同； ③增加一个无法渗透的材料薄层或迁移屏障（如PU或薄金属膜）；④不允许迁移的绝 热层材料（例如PU）（处参考文献12-22）。
用于“德尔它”运载火箭助推的石墨-环氧树脂发动机釆用了三层衬层： EPDM （三元乙丙橡胶）是第一层，用于提高粘合强度；聚氨酯作为防止增塑剂向EPDM衬尾 迁移的屏障；塑化的富含HTPB的衬层用于防止靠近壳体粘结界面的燃烧。另外，复合AP-A1推进剂也釆用相同的HTPB黏合剂。
衬层、绝热层或包覆层以下面的方式装配在装药上：涂抹、包覆、浸醮、喷涂或者 在壳体或装药上粘合衬层条带。通常采用自动化机械，以获得均匀的厚度和高质量。参考文献12-21描述了特定绝热层的制造。
外絶热层通常用在发动机壳体外面，尤其是对于战术导弾或高加速度的运載火箭助 推器。该绝热层降低了飞行器外表面边界层（气动加热）对壳体和推进剂的热流，从而 避免纤维增强塑性壳体强度变弱、推进剂变软或者在极端情况下被点燃。外绝热层必须 能抵抗气动加热的空气引起的氧化、有良好的附着力、在飞行和发射载荷下保持结构完 整性以及有合适的固化温度。在外绝热层上使用内绝热层材料是不合适的，因为它们会 在空气中燃烧并产生热量。最好是采用不热解、导热系数低的耐火材料（参考文献 12-23）,如高温涂料。内外绝热层还有助于降低装药的温度波动,以及温度周期性变化 （如日夜温度变化和机载导弹的高低空温度变化）引起的热应力。
图12-11 一种火箭发动机及其复合固体推进剂自动化的制造过程流程图
帯星号（*）标记的工艺是有潜在危险性的，通當需远距离操作和控制，操作车间要防 火、防爆。混合和浇注工艺是最复杂的,与其他工艺相比，它在检査推进剂的质量、性 能、燃速和物性上更为严格。
未固化推进剂的流变性质（指以剪切率、应力和时间表示的流动性质）对推进剂的 加工性是非常重要的，而这些性质沿生产线长度的变化很明显。推进剂的成批处理，包 括把推进剂浇注（倾倒）到发动机中去（发动机本身就是模子），是最普通的方法。对 于特别大的发动机，在一个壳体中浇注大约40批的推进剂形成一个药柱需要好几天。 在混合和浇注操作中，推进剂上方通常抽真空，以除去空气和其他废气，同时避免装药 中出现气泡。还要测量混合的推进剂的黏度（10000 ~ 20000Pa.s）来控制质量。真空度、温度、振动、搅拌器的能暈输出和时间是影响未固化推进剂黏度的几个因素。从攪伴器停留时间（未固化的推进剂在混合后和固化硬化前、在相当程度上保持为流体的一段时间）来看，时间是很重要的。若停留时间短（几个小时），则要求倒空搅拌器、质量控制所需的测量、运输和浇注进发动机的操作要快。某些黏合剂系统，如采用PVC 的黏合剂，可以有很长的停留时间，这就避免了加工线上的紧张性。参考文献12.3、 12-18和12-24详细叙述，推进剂加工技术和加工设备。
双基推进剂及改性双基推进剂的加工工艺不同,其关键是液体硝化甘油向纤维状固 体基体或硝化纤维扩散，通过溶解形成相当均匀的、分散的硬质固体材料。现在的双基 推进剂制造有多种工艺，包括挤压和药浆浇注。在药浆浇注过程中，壳体（或模具）被固体浇注药末（许多硝化纤维固体小颗粒和少量硝化甘油）填充.然后用硝化甘油将壳体充满’硝化甘油会溶解硝化纤维颗粒。图12-12简要给出了药浆浇注过程的典型设 备。参考文献12-3和12-13详细叙述了双基推进剂的制造。
在浇注和固化过程中使用型芯来保证良好的内部空腔或内孔。型芯用金属做成内腔 （例如星型或狗骨型）的形状,通常有轻微的锥度，然后用一层不粘合的材料（例如聚 四氯乙烯）包覆起来，使型芯在推进剂固化后容易抽出而不会撕坏装药。对于复杂的内 部通道（例如锥柱型），就需要制作复杂的组合型芯，它可以分块地从喷管法兰的出口 取出或者可以折叠起来。有些制造厂已成功地用轻质泡沫推进剂制造了永久性型芯（放置在发动机中无需取出），它在点火时能迅速燃烧掉。
加工工艺的一个重要目标就是生产没有裂纹、低密度区域、空隙或其他缺陷的推进剂装药。通常，空隙和其他缺陷会降低推进剂装药的弹道和机械性能。甚至推进剂中的 弥散气体也会引起异常高的燃速，从而使发动机产生灾难性的破坏。
最后完工的装药（或发动机）一般要用X光、超声波、导热系数或其他非破坏性 检测技术来检査缺陷（裂纹、空隙和脱粘）。每一批推进剂都要取样品来测试流变特性, 浇注成做物性实验的试样，或者浇注在小发动机内，固化后再做试验。要测量发动机性 能（包括可能的失败）对推进剂空隙和其他缺陷的敏感性，通常需要对含有巳知缺陷的 发动机进行点火试验。试验数据对于建立检査标准（接收或退回发动机产品）是非常重 要的。
推进剂制造需要特殊的加工设备。对于复合推进剂，设备包括机械搅拌器（通常在垂直的轴上有二到三个旋转桨叶，在真空的攪拌容器中攪动推进剂成分）、浇注设备、 固化炉或者自动在壳体上装配衬层或绝热层的机器。双基推进剂的加工需要机械处理推进剂的设备（滾压机、压力机）或进行药浆浇注加工的特殊工具。计算机辅助的纤维缠绕机用于编织纤维增强塑性壳体和喷管用的纤维。
图12-12双基推进剂药浆浇注和初歩固化系统简图
