NOFBX新型绿色推进剂燃烧化学反应动力学模型

本文以具有绿色无毒、高性能、低成本等诸多优势的N2O-C2烃类燃料单元复合推进剂(即NOFBX)为对象,首先发展了包含52组分、325反应的燃烧化学反应机理模型。该机理不仅能够准确计算N2O热解过程中重要组分的分布,而且能够在较宽的温度、压力、化学计量比范围内准确预测N2O-C2烃类燃料体系的着火延迟时间和层流火焰传播速度。鉴于本文提出的N2O-C2烃类燃料反应机理具有机理规模小、实验验证充分的特点,有望在NOFBX发动机的多维燃烧数值模拟中得到广泛应用。

氨水与金属离子对ADN基绿色推进剂稳定性影响

为研究氨与金属离子对ADN基推进剂冰点与常温贮存稳定性的影响,采用GB/T 2430-2008的喷气燃料冰点测量法研究了氨对ADN-水体系冰点的影响,并采用美军标STANAG 4582的微量热加速老化法研究了氨与过渡金属离子对ADN-水体系常温贮存稳定性的影响。实验结果表明,氨的加入可有效降低ADN-水体系的冰点并提高其常温贮存稳定性;痕量Fe3+与Cr3+(≤15mg/kg)的引入使ADN-水体系的稳定性小幅提升,而30mg/kg Fe3+,Cr3+与痕量Cu2+的引入使ADN推进剂稳定性略有下降,但仍在安全贮存使用标准范围内。以上结果说明,对于ADN基推进剂体系而言,氨是一种优秀助剂,可有效提升ADN基绿色推进剂的使用温度范围与稳定性;而在推进剂的生产、转运和加注过程中,应避免过量金属离子的引入。

绿色推进剂的发展及应用前景

近年来,航天技术取得了飞速发展,处于基础地位的推进剂技术受到了越来越多的重视。首先,综述了传统推进剂的分类、代表和优点,但是它们具有发烟、毒性、强腐蚀性及污染环境等缺点。然后,针对绿色推进剂,介绍了绿色固体推进剂、原子推进剂、绿色液体推进剂、含能离子液体推进剂。绿色推进剂具有无毒、无烟、高能、环保的优点,其在航天等领域具有广阔的应用前景。

绿色固体推进剂的研究现状及展望

综述了无铅双基系推进剂、可再生TPE推进剂和绿色复合推进剂的研制现状,总结了各类绿色推进剂的特点和发展过程中的技术难题,指出了绿色推进剂的一些技术发展方向,如非铅催化剂的纳米化技术、高效负载技术和复合技术,含能热塑性弹性体的合成及应用技术,硝仿肼(HNF)提纯技术以及新型高能氧化剂合成技术等。

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。

空间飞行器采用的ADN基单组元推进剂绿色推进装置

叙述了为空间飞行器研制一种新的可贮存的液体单组元推进剂所进行的一系列工作,这种推进剂的基本成分是ADN(Ammoniumdinitramide,二硝酰胺铵)。以前的报告已经叙述了有关ADN的基本性质及其可能的推进剂组分。与单组元推进剂肼相比,推进剂混合ADN的主要原因是:具有低毒性、安全使用性和高性能。这份报告也论述了普通"绿色"推进器的优点,并且着重论述了作为空间飞行器推进剂的优点。论文中阐述了作为"绿色"推进剂的一些最重要条件和符合这些条件的推进器系统。报告的最后,给出了小型试验型火箭发动机点火试验得出的结果,目的是验证前面总结的条件。其中最好的一个结果是小型(推力1N)试验型火箭发动机达到的比冲为240s。推进剂的性能、燃烧稳定性、落压性能和短脉冲性能等特性都得到了验证,但仍然需要验证冷起动性能和工作寿命。概括地讲,从这些工作得出结论:ADN基推进器的概念已经得到了确认,并且表明:ADN基"绿色"推进器是可行的。瑞典空间公司(Swedish Space Corporation)和沃尔沃航空公司(Volvo Aero)成立了ECAPS,目的是凭借当前现有的技术水平开发绿色推进器,通过试验卫星首次飞行的验证,从而得到接近空间应用的合格产品。

一种非铅双基推进剂燃烧性能调节

改变新型有机铋铜复盐（Gal-BiCu）催化剂的含量,采用不同类型和含量配比的增塑剂（苯二甲酸二乙酯（DEP）、硝化甘油（NG）、醋酸甘油酯（TA）和吉钠（DINA））以及添加不同粒径炭黑的方法,研究了非铅绿色推进剂燃烧性能调节技术。结果表明,采用新型催化剂Gal-BiCu,10 MPa下推进剂燃速可在13.92~25.77 mm·s-1之间调节;6~15 MPa燃速压强指数0.2左右,加入炭黑后,8~22 MPa下推进剂燃烧平台效应明显,其燃烧性能较佳,可以在推进剂装药中应用。

热塑性弹性体黏合剂在固体推进剂中的应用研究进展

介绍了热塑性弹性体(TPE)作为固体推进剂用黏合剂的特点、分类[如不含能热塑性弹性体、含能热塑性弹性体(ETPE)]和应用,重点综述了ETPE中聚叠氮缩水甘油醚(GAP)基和3,3-双(叠氮甲基)氧杂环丁烷(BAMO)基ETPE在推进剂中的研究进展。最后展望了TPE作为固体推进剂用黏合剂的发展前景。

“绿色”火箭推进剂及其制造新工艺

综述了美国在“绿色”火箭推进剂研究方面所取得的最新进展。列举了几种“绿色”火箭推进剂配方 ,阐明了“绿色”火箭推进剂的R3(重回收 重循环 重利用 )特征。重点介绍了美国关于“绿色”火箭推进剂制造新工艺———双螺杆压伸 (TSE)工艺的研究。

N_(2)O—C_(2)烃类燃料推进剂燃烧化学反应机理与动力学分析

以验证充分、应用广泛的小碳氢燃料反应机理为基础,通过耦合N_(2)O子机理,对比多种N_(2)O—C_(2)烃类燃料燃烧化学反应动力学模型。进一步的验证结果表明,USC-Konnov模型能更为准确地用来测算N_(2)O—C_(2)体系着火延迟时间,以及N_(2)O—C_(2)H_(2)烃类燃料体系层流火焰的传播速度。对比不同模型预测结果发现:对N_(2)O—C_(2)烃类燃料的着火延迟时间而言,C_(2)机理影响较小,而N_(2)O子机理影响显著。对其层流火焰传播速度而言,C_(2)机理仅在富燃时有一定影响,而N_(2)O子机理在整个化学计量比范围内均有较大影响。进而通过灵敏度分析从化学反应动力学的角度给出了合理解释,确定了对N_(2)O—C_(2)烃类燃料着火延迟时间、火焰传播速度影响较大的基元反应。其中,基元反应N_(2)O+M=N_(2)+O+M和N_(2)O+H=N_(2)+OH对N_(2)O—C_(2)烃类燃料体系的着火、燃烧过程起着决定性作用。

新型加热器在运载火箭绿色单元发动机上的应用

运载火箭用绿色单元发动机需要预热达到120℃以上才能正常起动,为了降低发动机的加热功耗,开展了新型高效加热器的研究。根据加热器的工作特点,提出了管式和弧式两种加热器结构,外壳都采用高温合金。通过发动机数值仿真与发动机高空热试车相结合的方式进行了对比分析考核,结果表明:两种加热器都通过了热试车考核,在相同的加热功率与加热时间条件下,弧式加热器对发动机的加热效果更好,能够降低发动机加热功率和缩短加热时间,已成为运载火箭使用的方案。

ADN基发动机燃烧室CO组分实验测量

为研究ADN基发动机燃烧室内的燃烧过程,搭建了一套基于可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)实验测量系统。实验采用直接吸收光谱法对ADN基发动机燃烧室内CO组分摩尔分数进行测量,获得了喷注压力分别为1.1MPa,0.9MPa,0.7MPa,0.5MPa时,发动机燃烧室内CO组分摩尔分数随时间的变化。实验结果表明当发动机喷注压力由1.1MPa下降到0.5MPa时,燃烧室内CO平均摩尔分数由2%上升到4.7%,这表明发动机喷注压力的变化影响燃烧室内ADN基推进剂化学反应进程,当喷注压力下降时燃烧室内CO摩尔分数升高,ADN基推进剂燃烧不充分。

室温条件下硝酸羟胺的催化分解

采用等体积浸渍法制备了一系列以Al2O3和SiO2为载体的负载型贵金属催化剂.用热重法考察了催化剂对80%硝酸羟胺推进剂的分解活性.结果表明,Ir/SiO2催化剂能够在室温以下(20.7℃)催化分解80%硝酸羟胺,显示出该催化体系在环境友好的单组元推进器上具有很大的应用潜力.H2化学吸附实验表明,Ir/SiO2具有比Ir/Al2O3更大的Ir颗粒,这可能是造成前者活性比后者高的原因之一.

二硝酰胺铵热分解机理的理论研究进展

介绍了二硝酰胺铵(ADN)热分解反应的基本性质。总结了ADN分解反应的理论研究结果。分析了溶剂对DN-模型中ADN分解行为的影响,比较了二硝酰胺酸(HDN)、二硝酰胺酸二聚体(HDN2)及其二硝酰胺铵二聚体(ADN2)簇模型中不同质子转移异构体分解的优势路径,以及分子内和分子间双质子转移过程对不同异构体的形成和分解反应的影响。讨论了微量水在(H2O)n…NH4+[ON(O)NNO2]-(n=1,2,3)和ADN2簇模型中对ADN反常分解行为的原因。不同理论模型在一定程度上揭示了ADN分解反应的本质,在较大ADNn簇中获得的动力学参数与实验结果吻合更好。研究认为,对ADN体系分解产生的各中间体之间的交叉反应以及将QM-MM方法用于较大ADNn簇和溶剂化模型的研究,对理解ADN复杂分解反应以及获得其应用过程所涉及的相关热力学和动力学参数具有重要作用。

氧化亚氮双组元发动机热力性能计算分析

对绿色推进剂N2O,H2,CH3OH,C2H5OH,CH4,C2H6,C2H4,C2H2,C3H8及C3H6的物性进行了全面比较,并采用吉布斯最小自由能法对9种氧化亚氮双组元推进剂组合的热力性能展开全面计算及分析。N2O/H2组合由于其最低的燃气平均摩尔质量而具有最高的比冲;N2O/C2H2组合由于C2H2很高的标准生成焓其燃烧温度可高达3823 K;碳氢燃料在余氧系数α<0.4富燃工况下燃气中含有固碳颗粒,且摩尔含量随着α的降低而急剧升高,喷管出口处可高达35%～40%;N2O/C3H8和N2O/C3H6组合拥有很好的空间应用物性和较高的热力性能,在压比pc:pe=70 atm:1 atm工况下平衡流比冲分别为2 639 m/s和2 656 m/s,具有很好的应用前景。

硝酸铵基绿色洁净固体推进剂的研究进展

介绍了硝酸铵(AN)氧化剂的特点,综述了国内外AN的处理方法以及AN基固体推进剂研究的进展,总结了AN基固体推进剂的特点,认为AN的改性及提高燃烧性能将是研究AN基绿色洁净固体推进剂的重点,对我国开展AN基绿色洁净固体推进剂研究提出了几点建议。

HNF基绿色液体单元推进剂研究进展

硝仿肼(HNF)基液体单元推进剂是一种能量大、比冲高、环境友好的新型绿色液体单元推进剂,介绍了其组分配制、燃料选择、性能指标、安全评估以及生产成本。与现有无水肼单元推进剂系统相比,HNF基液体单元推进剂的优越性非常明显,有望在未来替代无水肼单元推进剂。

含能离子盐溶液体系冰点测定方法研究

介绍了多种冰点测量法,包括手动法、自动相转移法与差示扫描量热法,并考察了这几种方法应用于离子盐溶液推进剂体系冰点测试的适用性。这些原本应用于航空燃料体系的冰点测量法在被直接应用于含能有机离子盐溶液体系的冰点测量时都无法完全适用,这是由于离子盐溶液体系相对受过冷现象与沉淀溶解平衡的影响更为严重的缘故。为克服这些缺陷,就需要在降温过程中打破其过冷的介稳状态,或在升温过程中令溶质分布均匀以促进其溶解。采用惰性晶体诱导法,通过在测试样品中加入惰性晶体石英砂,成功地获取了高浓度状态下的HAN-水体系冰点数据,测试结果重复性与复现性符合测试需求。惰性晶体诱导法能够有效地获取含能离子盐溶液体系的冰点数据,以该方法为基础,能够进一步研发更便捷、精确度更高的冰点测量法,辅助我国新型绿色推进剂的研制。

化工新型材料

NASA将首次在太空测试'绿色燃料'据美国国家航空航天局(NASA)官网近日报道,NASA将首次在太空测试一种无毒的玫瑰色液体燃料以及推进系统,这一'绿色推进剂注入任务'(GPIM)将帮助美国太空探索技术公司(SpaceX)的'猎鹰重型'火箭升空,未来有望为前往月球或其他天体的航天器提供动力。这种高性能燃料由空军研究实验室(AFRL)开发,推进剂由羟基硝酸铵与氧化剂混合而成,燃烧后会产生一种肼的替代品。肼是目前航天器常用的高毒性燃料,处理这种液体需要严格的安全预防措施——防护服、厚橡胶手套和氧气罐。

现代航天器的“血液” 单组元燃料的前世今生

2019年6月25日,SpaceX公司的重型猎鹰火箭将一颗立方体卫星送上了太空。此次任务是NASA“绿色推进剂输入任务”(GP1M,Green Propellant Infusion Mission)的一部分,搭载了新型航天单组元燃料AF-315,被称为先进航天器能咕无屯推逬剂(ASCENT)。