ADN推进剂
ADN推进剂
ADN（二硝酰胺铵）是20世纪70年代首先由前苏联合成出来的一种高能量密度材料。它是一种能量密度高，不含卤素的白结晶物，分子式为NH4N(N，氧平衡为25.8%，生成热为–148kJ/mol，晶体密度为1.812g/c，燃气洁净。最初ADN是为高性能固体推进剂研制的。作为一种能够替代的候选氧化剂品种，国内外在ADN推进剂的配方研究、球形化、改善吸湿性等方面做了大量工作。但从目前的研究进展来看，ADN存在热稳定性较差，会发生自动催化分解；室温下反应活性高；吸湿性强，容易与异氰酸酯反应产生气孔；晶体中有不均匀性缺陷，制备推进剂时的工艺性能差等问题。这些问题制约了ADN在高性能固体推进剂中的应用[1]。
ADN推进剂配方
早在20世纪70年代，苏联就在ADN合成工艺改进、性能研究等方面进行了大量细致的研究，随着ADN应用中安全问题的解决，俄罗斯已掌握了ADN在固体推进剂中的应用技术[2]。已应用在SS-20、SS-24和SS-27中。推进剂配方大致为HTPB/AP/ADN/AL/HMX/二茂铁衍生物。
目前，美国聚硫橡胶公司利用造粒塔工艺已经能够生产平均粒度为100μm、热稳定性及防吸湿性都很好的粒状ADN。
表1列出了美国海军空战中心武器分部（NAWCWD）研制的ADN/NEPE为基的高能低特征信号推进剂。所用ADN氧化剂分别采用了平均粒度为300μm的粒状ADN（ADNP）和化学合成直接制得的ADN原料。粘合剂分别为ORP-2A（硝胺聚醚粘合剂）和PCP（己内酯聚合物）。这些配方可表示为PCP/NE/ADN, PCP/NE/ADN/ADNP和PCP/NE/ADNP/CL-20。
表1 ADN/NEPE为基的高能低特征信号推进剂配方与安全特性
配方
ADN/%
ADNP/%
CL-20/%
撞击感度(50%)/cm
ABL摩擦感度(50%)/kg
ESD(0.25J)
PCP/NE/ADN
60
0
0
10
344
10/10不着火
PCP/NE/ADNP/CL-20
0
37
25
16
286
10/10不着火
ORP-2A/NE/ADN
60
0
0
10
349
10/10不着火
ORP-2A/NE/ADNP/CL220
22
40
0
17
295
10/10不着火
注：NE为硝酸酯，ADNP为粒状ADN，ABL-Allegany弹道试验室，ESD2静电感度。
实验结果表明，这类推进剂具有适合应用于高压、高性能火箭发动机的燃烧性能，同时具有良好的安全性能和热分解性能，但力学性能较差。推进剂在标准条件下的比冲为2.6×103N•s/kg，比一般常规低特征信号推进剂高98~147N•s/kg。
ADN可以和其他物质混合使用，如二硝酰铵胺+氨水、二硝酰胺肼+肼和二硝酰胺羟铵+羟铵，都可以用作单元液体推进剂。
自1997年以来，瑞典空间公司（SSC）和FOI一直在进行ADN单元推进剂的配方研究，他们从100多种材料中筛选出了甘油、甘氨酸、甲醇等，并相继推出一系列推进剂配方，ADN单元推进剂的配方性能如表2所示。
表2  ADN基绿液体推进剂配方和性能
推进剂牌号
(推进剂组分)/%
比冲/
密度/
燃温/
冰点/
ADN
燃料
水
s
(g·c)
℃
℃
LMP–101
61.0
13.0(甘油)
26.0
248
1.420
1700
＜0
LMP–102
58.0
16.0(甘氨酸)
26.0
214
1.390
1280
＜0
LMP–103
63.4
11.2(甲醇)
25.4
254
1.310
1730
＜0
FLP–105
65.7
20.7(F–5)
13.6
261
1.405
1990
＜0
FLP–106
64.5
11.5(F–6)
23.9
255
危险品有几种
1.357
1814
＜0
FLP–107
65.4
9.3(F–7)
25.3
256
1.351
-
＜0
肼
-
-
-
233
1.004
900
2
HAN
-
甲醇
26.0
234
1.320
1500
＜–20
HAN
-
甘氨酸
26.0
200
1.330
1100
＜–20
注：ADN推进剂密度为25℃时的测量值，比冲的计算条件为燃烧室压力pc=2MPa，膨胀比ε=50；F–5~F –7为燃料代号。
由表2可看出：ADN单元推进剂的比冲和密度都比肼高；与HAN推进剂相比，密度相当，但比冲较高；几种配方的冰点都低于0℃，试验发现，在没有结晶核的情况下，0℃下也能稳定保存数小时。因此，在航天器中使用时完全可以采用与肼（冰点2℃）相同的操作系统。
对照美国AFRL（Air Force Research Laboratory）中新型单元推进剂的标准，进一步对上述配方进行了筛选，测试结果如表3所示。
表3几种ADN 单元推进剂配方的测试结果
推进剂牌号
比冲/s
密度/(g·c)
/℃
热稳定性
撞击感度/J
爆炸性
AFRL标准
≥250
≥1.300
≤2
参照标准4582
＞2(20kg·cm)
≤25mm试管测试时无爆炸
LMP–101
248
1.420
0
不合格
30
合格
LMP–103
254
1.310
0
不合格
FLP–105
261
1.405
0
合格
25~30
不合格
FLP–106
255
1.357
0
合格
＞30
合格
FLP–107
256
1.351
0
合格
实验发现：以甘油为燃料的LMP–101点火性能非常好，但热稳定性比较差；以甲醇为燃料的LMP–103热稳定性也不太好，通过加入质量分数为3%~5%的氨（称为LMP–103s），热稳定性得到改善；FLP–106性能较好，可在150~200℃实现点火。
瑞典SSC选择改进配方LMP–103s作为单元推进剂的候选配方，并已将其成功应用于2010年6月15日发射的“棱镜”卫星上。LMP–103s的配方组成和性能如表4所示。
表4  LMP–103s 的配方组成及性能
组成及性能
LMP–103s
(ADN)/%
63.0
(甲醇)/%
18.4
(水)/%
14.0
(稳定剂)/%
4.6
冰点/℃
–7
不稳定转变温度/℃
165
稳定工作温度/℃
10~50
密度/(g·c)
1.24
比冲/s
234
密度比冲/(s·g·c)
312
敏感性
对摩擦和撞击不敏感，明火不易点燃，列为1.3危险品
毒性
白鼠口服LD50＞832mg/kg，毒性远小于(LD50=59mg/kg)
危险品运输分级
UN1.4S
相容性
与所有通用材料相容
放射稳定性
Co60放射试验表明，稳定性好
AND推进剂的性能
比较几种不同氧化剂的性能和不同氧化剂推进剂的理论比冲（ 表5），可以看出与其他氧化剂相比,ADN 能量较高（HNF 除外）。

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