火箭发动机肼类凝胶推进剂的凝胶模拟液配方及制备方法与流程

本发明涉及一种火箭发动机肼类凝胶剂的凝胶模拟液配方和凝胶模拟液的制备方法。

背景技术：

凝胶推进剂兼具液体推进剂和固体推进剂的优点，因而近半个世纪以来国内外都在努力研制这种新概念推进剂，并由此发展先进的胶体推进技术(gelpropulsion)，即“灵巧”推进技术(smartpropulsion)。美国已成功地进行了胶体推进技术的地面试验和飞行试验。目前我国应用于航天推进系统的凝胶推进剂主要是肼类凝胶推进剂，如dt-3凝胶推进剂。研究中的有肼-70凝胶推进剂、udmh凝胶推进剂等。

凝胶推进剂粘度数据是一个非常重要的参数，凝胶推进剂不同于常规液体推进剂，流变特性受压力、环境温度、振动等诸多因素影响，同时流变特性也明显地影响着雾化的模式，采用标准粘度液的计量测试研究和数据分析，可以实现在线粘度计的现场校准，充分消除现场环境变化引起的系统误差，提高在线粘度计测量准确性，准确、客观地反映姿控发动机的性能指标，显著提高凝胶推进剂的参数测量水平，为其流动特性提供全面、立体的特性数据。因此得到不同温度试验条件下准确的粘度数据就成为凝胶推进剂研制中的一项重要研究内容。

肼类凝胶推进剂存在毒性大(高毒i～ⅱ级)、且易燃易爆、环境污染等问题。但在液体火箭发动机凝胶粘度计现场校准装置研究中，需要对大量凝胶推进剂介质进行粘度校准试验，若使用现有肼类凝胶推进剂将对安全、环保和健康产生较大影响。因此，研制和使用肼类凝胶推进剂模拟液，对凝胶粘度计现场校准装置研究和应用具有重要作用。

技术实现要素：

为了克服现有凝胶粘度计现场校准装置研究过程中，肼类凝胶推进剂对科研人员的安全和健康产生较大影响的问题，本发明提供一种火箭发动机肼类凝胶推进剂的凝胶模拟液配方及制备方法。

本发明的技术解决方案如下：

本发明火箭发动机肼类凝胶推进剂的凝胶模拟液配方，其特殊之处在于：

包括模拟液基体、凝胶剂及粘度调节剂；

所述模拟液基体为水、醇或水与醇的混合物，模拟液基体质量浓度范围为90～99％；

所述凝胶剂为亲水性物质，选用亲水性纳米二氧化硅、卡波母、琼脂、明胶、环糊精衍生物、纳米ha/pva多孔复合材料中的一种，凝胶剂质量浓度范围为0.1～5％；

所述粘度调节剂为亲水性物质，选用羟乙基纤维素、羧甲基纤维素中的一种，粘度调节剂质量浓度范围为0.1～5％。

进一步地，为了起到较好的粘度调节作用，所述粘度调节剂为羟乙基纤维素，羟乙基纤维素的分子量为1万～40万。

同时，本发明提供了利用上述的火箭发动机肼类凝胶推进剂的凝胶模拟液配方制备凝胶模拟液的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)常温、常压下，在凝胶模拟液基体中缓慢加入凝胶剂进行分散，边分散边搅拌；

2)凝胶剂分散完全后，继续搅拌一定时间，使凝胶剂与模拟液基体分子之间产生键键相互作用，从而搭建起网状凝胶骨架；

3)加入粘度调节剂，边搅拌边分散，分散完全后再继续搅拌一定时间，使凝胶模拟液复合体系状态达到稳定，凝胶骨架进一步坚固，粘度达到稳定。

进一步地，凝胶剂在模拟液基体中分散时间为0.5～2h，粘度调节剂在模拟液基体中分散时间为0.5～2h，三种物质复合过程搅拌时间为5h，凝胶剂与模拟液基体复合过程实行定速搅拌，搅拌速率为200～600r/min，粘度调节剂与模拟液基体复合过程实行定速搅拌，搅拌速率为200～800r/min。

本发明还提供了另一种利用上述的火箭发动机肼类凝胶推进剂的凝胶模拟液配方制备凝胶模拟液的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)常温、常压下，在凝胶模拟液基体中缓慢加入粘度调节剂进行分散，边分散边搅拌；

2)粘度调节剂分散完全后，继续搅拌一定时间，使粘度调节剂与模拟液基体分子之间产生键键相互作用，从而搭建起网状凝胶骨架；

3)加入凝胶剂，边搅拌边分散，分散完全后再继续搅拌一定时间，使凝胶模拟液复合体系状态达到稳定，凝胶骨架进一步坚固，粘度达到稳定。

进一步地，凝胶剂在模拟液基体中分散时间为0.5～2h，粘度调节剂在模拟液基体中分散时间为0.5～2h，三种物质复合过程搅拌时间为5h，凝胶剂与模拟液基体复合过程实行定速搅拌，搅拌速率为200～600r/min，粘度调节剂与模拟液基体复合过程实行定速搅拌，搅拌速率为200～800r/min。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明提供了一种凝胶推进剂模拟液配方及其制备方法，根据该配方及制备方法所制备的模拟液能够替代肼类凝胶推进剂，可以安全可靠的对凝胶粘度计进行现场校准，获得量值传递，解决了现有凝胶粘度计现场校准装置研究过程中肼类凝胶推进剂对科研人员的安全和健康产生较大影响的问题。

2、本发明为新型通用凝胶发动机以及新型姿控动力装置发动机的粘度计量校准技术奠定基础。

附图说明

图1为实施例1的流变曲线图；

图2为实施例2的流变曲线图；

图3为实施例3的流变曲线图；

图4为实施例4的流变曲线图；

图5为实施例5的流变曲线图；

图6为实施例6的流变曲线图；

图7为实施例7的流变曲线图；

图8为实施例8的流变曲线图。

具体实施方式

以下对本发明进行详细说明。

一、模拟液性能要求

本发明的凝胶模拟液模拟的是肼类推进剂，对凝胶模拟液的性能要求是：

1、在常温、常压下，该凝胶模拟液为非牛顿流体，在使用环境的压力小于剪切压力(即屈服应力)时，性能符合非牛顿流体规律；

2、粘度范围在1000mpa.s～70000mpa.s；

3、物性稳定，常温、常压贮存过程中，不会发生分层、团聚、分解等现象；

4、热稳定性良好，在-50℃～150℃均具有良好的温度适应性，在该温度范围内不会发生团聚和分层。

二、配方

a、模拟液基体

模拟液基体模拟的是肼类物质，选择亲水性物质，如去离子水、醇类等。

b、凝胶剂筛选

选择凝胶剂时，首先应该考虑凝胶剂的极性，使其能有效与模拟液基体均匀复合；其次要有大的比表面积和高的空洞率，在模拟液基体中有良好的分散性和悬浮性以及增稠、触变、补强作用；再是要与模拟液基体复合后自身稳定，避免长时间放置发生分层、分解等现象。

凝胶剂可选取小分子氧化物、高分子物质，纳米复合材料等。其极性与模拟液基体极性相似，且不与模拟液基体发生化学反应，可起到凝胶化作用。如：改性纳米二氧化硅、纤维素及其衍生物、卡波母、琼脂、明胶、丙烯酸树脂、淀粉衍生物、环糊精衍生物、纳米ha/pva多孔复合材料等。

b.粘度调节剂筛选

粘度调节剂的筛选同凝胶剂相同，并且粘度调节剂对凝胶模拟液粘度响应灵敏，是粘度变化的重要影响因素。“粘度调节剂”为大分子纤维素类物质，其与模拟液基体相似相容，不破坏凝胶骨架，起到粘度调控作用，同时起到凝胶剂的作用。

c.配方确定

凝胶剂和粘度调节剂两种物质互相不发生化学反应，比例合适。

三、以下是列举几个具体的实施例进行说明,实施例中涉及的百分比为质量百分比。

实施例1

选择亲水性纳米二氧化硅为凝胶剂，羧甲基纤维素为粘度调节剂，凝胶模拟液基体为去离子水和乙醇混合物。常温、常压下，在50l反应釜中注入21.406kg去离子水，缓慢加入0.9％的羧甲基纤维素进行充分分散，分散时间30min，之后搅拌1h。再加入1.8％的二氧化硅分散，分散时间为30min，复合体系搅拌20h后停止反应，静置48h，测得粘度数据为18976mpa.s。

实施例2

选择卡波母为凝胶剂，羟乙基纤维素为粘度调节剂，凝胶模拟液基体为去离子水。常温、常压下，在50l反应釜中注入21.01kg去离子水，缓慢加入2.5％的羟乙基纤维素进行充分分散，分散时间40min，之后搅拌2h。再加入2％的卡波母分散，分散时间为30min，复合体系搅拌24h后停止反应，静置48h，测得粘度数据为52381mpa.s。

实施例3

选择琼脂为凝胶剂，羧甲基纤维素为粘度调节剂，凝胶模拟液基体为丙三醇。常温、常压下，在50l反应釜中注入21.12kg丙三醇，缓慢加入2％的琼脂进行充分分散，分散时间40min，之后搅拌3h。再加入2％的羧甲基纤维素分散，分散时间为40min，复合体系搅拌30h后停止反应，静置48h，测得粘度数据为37680mpa.s。

实施例4

选择纳米二氧化硅为凝胶剂，羟乙基纤维素为粘度调节剂，凝胶模拟液基体为去离子水。常温、常压下，在50l反应釜中注入21.56kg基体混合物，缓慢加入1％的羟乙基纤维素进行分散，分散时间40min，之后搅拌3h。再加入1％的纳米二氧化硅充分分散，分散时间为40min，复合体系搅拌30h后停止反应，静置48h，测得粘度数据为25769mpa.s。

实施例5

选择纳米二氧化硅为凝胶剂，羟乙基纤维素为粘度调节剂，凝胶模拟液基体为去离子水。常温、常压下，在50l反应釜中注入21.67kg基体，缓慢加入0.5％的羟乙基纤维素进行分散，分散时间40min，之后搅拌3h。再加入1％的纳米二氧化硅充分分散，分散时间为40min，复合体系搅拌30h后停止反应，静置48h，测得粘度数据为12302mpa.s。

实施例6

选择明胶为凝胶剂，羟乙基纤维素为粘度调节剂，凝胶模拟液基体为去离子水。常温、常压下，在50l反应釜中注入21.516kg基体，缓慢加入1.2％的羟乙基纤维素进行分散，分散时间40min，之后搅拌3h。再加入1％的明胶充分分散，分散时间为40min，复合体系搅拌30h后停止反应，静置48h，测得粘度数据为18691mpa.s。

实施例7

选择环糊精为凝胶剂，羟乙基纤维素为粘度调节剂，凝胶模拟液基体为去离子水。常温、常压下，在50l反应釜中注入21.098kg基体，缓慢加入1.1％的羟乙基纤维素进行分散，分散时间40min，之后搅拌3h。再加入3％的环糊精充分分散，分散时间为40min，复合体系搅拌30h后停止反应，静置48h，测得粘度数据为35427mpa.s。

实施例8

选择纳米ha/pva为凝胶剂，羟乙基纤维素为粘度调节剂，凝胶模拟液基体为去离子水。常温、常压下，在50l反应釜中注入21.098kg基体，缓慢加入1％的羟乙基纤维素进行分散，分散时间40min，之后搅拌3h。再加入2％的纳米ha/pva充分分散，分散时间为40min，复合体系搅拌30h后停止反应，静置48h，测得粘度数据为22202mpa.s。

在多相复合过程中还可以采用震荡、超声等方法将凝胶剂和粘度调节剂与基体均匀复合，复合时间为1～30h。

四、性能检测

1、模拟液粘度测试

本发明实施例1-8中的粘度数据采用专用的凝胶粘度计ndj-4型旋转子粘度计测试，可测粘度范围：2^#转子：500mpa.s～100000mpa.s，测试环境为20℃。

2、模拟液流变性能测试

采用haakerbeostress6000流变仪测试凝胶模拟液的粘度随剪切速率的流变性能。先用标准液校准流变仪，然后对校正系数进行修正，最后测样品粘度随剪切速率的变化图。每个样测定三次，每次100s。

以图1为例，从流变曲线图可看出，在剪切速率从小到大时，凝胶模拟液的流动性能表现为剪切变稀，在剪切速率由大变小时，凝胶粘度恢复到初始状态，符合非牛顿流体的特性，和肼类凝胶推进剂的流动性能相同。图2至图8的曲线图趋势和图1相同，不再说明。

3、其它性能

本发明的模拟液物性稳定，常温、常压贮存过程中，不会发生分层、团聚、分解等现象；热稳定性良好，在-50℃～150℃均具有良好的温度适应性，在该温度范围内不会发生团聚和分层。