硝酸羟铵基无毒单组元推进剂应用探讨

介绍了现有硝酸羟铵基单组元推进剂的组成,并从催化分解性能、毒性、环境友好等方面对比分析了硝酸羟铵基单组元推进剂和肼单组元推进剂的差异,明确硝酸羟铵基单组元推进剂在高能无毒领域的优势,明确其后续的研究与应用方向。

运载器羟铵硝酸基单组元推进剂评估

由于航天飞行的费用不断增长,且需要进一步提高运载器性能并减少对环境的危害,这些促使考虑改变火箭设计和推进剂选择的标准。以往推进剂的性能优劣仅取决于比冲和密度,现在对环境安全无害及可操作性与费用也是关键因素。目前对这些因素的重视使政府和商业发射商对使用HAN(羟铵硝酸)基液体推进剂作为简单、安全、可靠和高性能的单组元推进系统用推进剂更加感兴趣。

先进单组元推进剂的高温催化剂床

采用高能液体盐基先进单组元推进剂,如硝酸羟铵(HAN),同传统的肼类推进剂相比,可以带来许多好处,其中包括低毒、良好的化学稳定性和较高的性能。所有这些好处将显著降低总的使用费用。但是,高能盐基燃料点火困难,这对安全性来说是优点,但对设计来说却是一种困难。而且,这类高性能盐基推进剂的燃烧温度超过2200℃,比肼高得多。像这样的非常高的温度不仅对催化剂,而且对催化剂载体和燃烧室都提出了更苛刻的要求。在BMDO/NASA和空军SBIR基金的支持下,Ultramet研制了耐温近1300℃、没有明显表面积损失的催化剂载体.对高温、抗烧结催化剂也进行了研制和试验。ultramet以前为硝酸羟铵、肼、氧/氢、氧/甲烷火箭发动机研制了先进的单块式催化剂床(AMCAT),目前采用的新型单块式催化剂点火系统就是建立在这些工作基础上的。

新型硝酸羟铵类单组元推进剂的研制和试验

一组对环境有利的新型单组元推进剂已被确定用于取代无水肼。这组新型单组元推进剂是以硝酸羟铵([N^+H_3OH]NO_3^-)为主要成份的混合物,适合用于推力室和燃气发生器。与无水肼相比,硝酸羟铵混合物密度和比冲比较高,冰点比较低。这组推进剂比较安全,因而降低了地面使用维护成本。美国宇航局路易斯研究中心正在研究硝酸羟铵推进剂的配方,并且设计用于小卫星的发动机。采用试验推力室和模拟飞行状态的推力室,对不同配方的硝酸羟铵进行了热试。推力室的结构材料与无水肼推力室的材料完全一样,只是催化剂不同。硝酸羟铵推力室稳态和脉冲工作数据表明,硝酸羟铵推进剂完全可以取代无水肼和冷气推进剂,用于空间飞行器和其它航天任务上。本文综述了目前有关硝酸羟铵推力室设计规范、推力室研制的进展情况、稳态和脉冲工作试验结果。另外,从推动目前单组元发动机的技术水平出发,提出了在推力室研制过程中所面临的一些具有挑战性的问题。

可用于替代肼的2种绿色单组元液体推进剂HAN、ADN

给出了绿色单组元液体推进剂的定义。从推进性能、毒性、环境友好性方面讨论了硝酸羟胺(HAN)和二硝酰胺铵(ADN)基单组元液体推进剂相比肼单组元推进剂的优势。介绍了这两种单元推进剂的国外最新应用情况。

典型单组元液体推进剂爆炸特性及爆炸冲击波传播规律

为研究目前火箭发动机中广泛使用的两种典型单组元液体推进剂的爆炸危险性,开展单推-3(DT-3)及无水肼爆炸效应的实验研究和理论分析。实验在获取DT-3及无水肼冲击波感度数据的基础上设计了样品的起爆方式,并在到爆心不同距离的点上测量了冲击波压力曲线,分别得到5 L、10 L推进剂样品在不同位置处的峰值压力和衰减规律。结合单组元液体推进剂自身特点和量纲分析法对其爆炸冲击波的传播规律进行初步探讨,并对5 L和10 L小药量的DT-3和无水肼开展爆炸冲击波当量评估研究。结果表明:在二次抛洒爆炸条件下,单组元液体推进剂的爆炸冲击波超压在传播过程中出现明显的双峰结构;以冲击波梯恩梯(TNT)当量作为爆炸效应威力的评估指标时,随着距离的增大,两种液体推进剂样品的超压TNT当量单调减小;冲击波超压在近区并不严格符合爆炸相似律,在评估其爆炸冲击波当量时需引入等效反应质量等概念进行修正。

一种HAN基单元推进剂及催化分解性能研究

介绍了一种新型高性能HAN基单组元推进剂及其在5 N发动机中的催化分解性能。通过点滴试验和热力学计算考察了新型推进剂的催化分解活性和理论燃烧温度,通过5 N发动机的120℃启动、10 s和20 s稳态程序、1 200 s长稳态程序和脉冲程序考察新型推进剂的启动性能、催化分解活性、长稳态工作稳定性以及脉冲工作稳定性,评价了推进剂配方对催化剂的损伤程度。结果表明,新型HAN基单组元推进剂具有较高的催化分解活性和适宜的理论燃烧温度,能够在5 N发动机中于120℃预热温度下顺利启动,完成系列稳态和脉冲考核程序,累计工作时间大于2 000 s,燃烧室最高温度不超过1 150℃。试后催化床未出现空腔,催化剂颗粒完整,质量损失率小于5%。试验证明了新型HAN基推进剂具有良好的催化分解燃烧性能和与催化剂的匹配性能。

新型绿色液体推进剂研究进展

对近年来国内外出现的新型绿色(无毒、对环境友好)液体推进剂进行了评述。硝酸羟铵基单组元推进剂具有冰点低、密度比冲高、安全无毒的特点,适用于小卫星和上面级,催化分解技术还有待深入研究;二硝酰胺铵基单组元推进剂比冲高于硝酸羟胺基单元推进剂,发动机脉冲工作能力可与无水肼发动机相媲美,但目前发动机预热温度和燃烧室温度都过高;高浓度过氧化氢/醇基推进剂比冲为常规推进剂比冲的93%,密度比冲为102%;过氧化氢/叠氮胺类不但密度比冲高,而且可实现自燃;一氧化二氮基双组元推进剂在微推进系统中有广泛的应用前景;原子推进剂以其优良的比冲性能将给航天运载器带来革命性的飞跃,但对低温技术提出了挑战。

N2O单组元微推力器性能分析及试验

N2O单组元微推进是当前微推进领域的一个热点问题.在N2O催化分解热力计算的基础上开展了对N2O单组元微推力器比冲性能影响因素的分析,分析结果表明微推力器比冲与N2O分解效率及喷管扩张比有密切关系.所开展的亚牛级N2O单元微推力器催化分解试验结果表明所设计N2O单元推力器能在250℃初温条件下启动,初步验证了N2O单元微推力器的可行性;也揭示了推力室结构及床载大小对亚牛级N2O单元微推力器性能的影响,为进一步的结构及试验设计提供了参考.

N_2O单组元微推力器高空模拟实验研究

在真空舱中进行了N2O单组元两种尺寸的微推力器的高空模拟试验研究,分析了微推力器设计参数对比冲等性能的影响。结果表明,两种尺寸微推力器的最大比冲分别为1.608 N.s/g和1.639 N.s/g,热损失、床载和床长对微推力器性能影响明显,存在最佳床载值、床载和床长的匹配。

点火延迟对单组元自激式脉冲推力器的性能影响

点火延迟是脉冲推力器设计中需要考虑的重要因素之一。为研究点火延迟对自激式脉冲推力器的性能影响,以HAN基(Hydroxylammonium Nitrate)单组元推进剂为例,建立自激式脉冲推力器工作过程的仿真模型,分析了点火延迟时间的变化对推力器的压强、流量、推力及平均比冲的影响规律。结果表明,点火延迟会强化脉冲推力器的压强爬升过程,随着点火延迟时间的增大,一个脉冲循环中的推进剂燃烧持续时间和整个脉冲周期均会明显缩短,同时挤压腔压强峰值和燃烧室压强峰值以及推力器的平均推力水平也会显著升高,但点火延迟的变化基本不会影响脉冲周期内的平均比冲。点火延迟提供了一条调节脉冲工作特性的可能途径,研究点火延迟特性对自激式脉冲推力器的探索与应用具有重要的指导意义。

单组元300N发动机低温试验研究

为探究低温环境下单组元300N发动机的工作特性,揭示影响发动机低温性能的主要影响因素,以300N发动机为试验对象,开展了模拟飞行工况的发动机低温试验。给出了低温试验研究方法,分别从温度差异对发动机性能影响、催化剂活性差异对发动机低温启动特性影响和低温对电磁阀响应特性影响等方面获得研究结果。结果表明,低温是影响发动机低温性能的主要影响因素,-48℃条件催化剂无法完成推进剂的催化分解,发动机发生爆炸;-30℃条件下起活时间为80.5~87.5ms,发动机可正常启动,且启动温度与起活时间呈指数关系;催化剂批次差异也对发动机低温工作性能产生一定影响,不同批次催化剂低温起活时间的差异可达91ms;低温试验过程中,电磁阀的关闭受到低温推进剂粘性和背压的影响,产生了明显的迟滞现象,延迟时间约100ms,对发动机在轨的精准控制存在一定影响。

氧化亚氮推进技术研究进展

随着环境保护的加强,人们越来越希望找到一种绿色推进剂来代替现有的肼类有毒推进剂。氧化亚氮作为一种绿色推进剂,无毒性,地面实验操作处理方便,不需要繁琐昂贵的防护;常温贮存性,贮箱几乎不需要主动热控制;饱和压力高,可采用自增压方式供应推进剂;绝热分解温度较高,可作为单组元和双组元发动机的推进剂。分析了氧化亚氮作为推进剂的性能及其主要应用领域,着重研究其在液体火箭发动机的应用。通过对氧化亚氮自增压供应系统,单组元推进的催化分解系统,克服催化床限制的氧化亚氮与燃料混合的NOFBX^(TM)技术,以及氧化亚氮作为氧化剂的双组元推进系统的国内外研究进展进行综述,指出当前研究工作中存在的问题,以期为该方面的进一步研究提供一定的参考。

旋转燃烧室两相湍流燃烧过程的三维仿真

为了解旋转对两相湍流燃烧过程的影响,采用RNG κ-ε湍流模型,ED湍流燃烧模型和离散液滴模型,对转速n=0r/min、1000r/min和2000r/min三种工况下,单组元推进剂在某型水下航行器旋转燃烧室中的燃烧进行了三维仿真,得到了燃烧室内气相速度、静压、液滴轨迹和推进剂质量分数的分布,并对计算结果进行了比较和分析。结果表明,随着转速的增大,静压力升高,燃烧流场回流区中心的位置前移,回流区长度减小,燃烧室内燃气流场和液滴轨迹呈现螺旋状态,推进剂质量分数向燃烧室头部集中。说明旋转使得液体推进剂燃烧加剧,燃烧效率提高,燃烧室结构可以优化缩小。

ADN在Pd-Zn体系中的催化分解研究

二硝酰胺铵(ADN)是一种无毒高比冲的单组元推进剂。实现ADN水溶液的高效催化分解对于推力器启动和产生稳定推力起着至关重要的作用。文中采用浸渍法制得不同质量比(10∶0.2,10∶1,10∶5)的Pd-Zn/Al_2O_3双金属催化剂。利用TGA-DTA和MS-online对相关的催化分解动力学和反应机理进行了研究,同时使用TEM等对催化剂形貌进行了表征。结果表明,Pd-Zn/Al_2O_3双金属催化剂能够实现ADN的一步分解,微量Zn的加入能起到稳定和分散金属Pd的作用。当Pd和Zn的质量比为10∶0.2时,催化剂具有良好催化活性和稳定性,并且使二硝酰胺铵(ADN)催化分解向生成较高N_2含量的方向进行。

美火箭公司继续试验工业运载火箭

美国火箭公司(Amroc),正在加州美航天技术中心宇航实验室的试车台上继续试验其工业运载火箭(ILV)用的发动机样机。该公司希望在1988年完成该火箭发动机样机的试验、与美国空军签订最后的租赁协议之前,对这种运载火箭进行亚轨道飞行试验。

朝鲜火箭的燃料选择

韩国打捞朝鲜火箭残骸的意义2012年12月12日,朝鲜火箭发射时,韩国的"宙斯盾"舰"世宗大王"号跟踪到了一级火箭助推器的坠落过程,记录了多个残骸坠落位置。当日上午该舰在边山半岛西侧160千米处发现漂浮的朝鲜火箭残骸,该残骸很快沉入海底。韩国海军派出1艘深潜救生艇"清海镇号"实施打捞。深海潜水员在海底80米处花费8个半小时,次日凌晨打捞出火箭残骸。残骸长7.6米,直径2.4米。