火箭推进

新型绿色单组元液体推进剂发展现状与趋势

2024年11月13 00:00

随着对生态环境、安全的日益关注以及航天推进技术的不断发展,对推进剂提出了绿色无毒的性能要求,新型绿色单组元液体推进系统成为航天推进的重要研究方向之一。硝酸羟铵基单组元液体推进剂(HAN基单组元推进剂)和二硝酰胺铵基单组元液体推进剂(ADN基单组元推进剂)具有绿色无污染、密度大、比冲性能可调节、饱和蒸汽压低和使用维护成本低等特点,可以应用于卫星、飞船、运载火箭等飞行器的姿轨控动力系统,二者均已完成多次飞行演示验证并获得应用,受到了各国航天领域的广泛关注。

火箭煤油减阻剂的研究进展

2024年11月13 00:00

在火箭煤油中加入减阻剂是提高其在管道中的流动能力和降低能耗的有效手段,具有成本低、工艺简单、效果显著和可靠性高等特点。综述了减阻剂的种类、添加量、相对分子量、管径、流体流速、雷诺数、流体温度和热流密度等工况参数对火箭煤油减阻和换热特性的影响,从分子动力学模拟和计算流体动力学模拟两个方面介绍了火箭煤油减阻剂对减阻和换热数值模拟的研究进展,实验研究和数值模拟结果都指出了减阻与传热恶化相矛盾的核心科学问题亟待解决,总结了黏弹性聚合物的减阻率提升机制、聚合物分子断裂和解聚的减阻率退化机制,进一步从实验研究、数值模拟和机理探究这3个角度指出减阻研究的发展方向,期望为新型高效减阻剂的开发和应用提供参考。

离子型短点火延迟自燃液体推进剂研究进展

费腾,徐冉,赵鹏宇,徐涛,杜宗罡 — 2024年11月13 00:00

自燃液体推进剂不仅可简化液体火箭发动机设计,而且可实现多次无故障点火,并提高动力设备的运行安全性,是航天推进技术领域的研究重点之一。降低自燃推进剂点火延迟时间,不仅可提高发动机启动过程可靠性及推进剂燃烧效率,也可避免推进剂积存在燃烧室内导致启动时产生过高的压力峰或激发剧烈振荡燃烧而发生爆炸。自燃离子液体(HILs)因蒸汽压低、物化性质可调节、毒性小等优点,有望弥补或替代肼类物质作为自燃液体推进剂燃料。以点火延迟时间小于5 ms的燃烧性能特点为核心,对短点火延迟时间HILs以及复配体系的合成制备方法进行了综述。针对自燃推进系统提出的要求,尽管现有短点火延迟的HILs或复配体系有成为未来绿色自燃推进剂燃料的潜质,但存在黏度高、燃烧产物复杂、比冲低等制约性问题。因此,还需在性能提升、工程适用性、系统匹配性等方面开展理论和试验研究,以加快HILs或复配体系早日走向工程应用。

基于层次分析法的吸热碳氢燃料评估指标体系设计

2024年11月13 00:00

为综合评价吸热碳氢燃料的整体性能,对吸热碳氢燃料研制、生产、使用、测试、贮存等各个环节的指标进行了有序整合,构建了吸热碳氢燃料评估指标体系。通过对吸热碳氢燃料的性能指标进行梳理和分类,根据层次分析法思想建立三级递阶层次结构模型,采用主观赋值法和一致性检验方法构建和筛选符合运算逻辑的判断矩阵,通过求解判断矩阵得到各指标权重值,对各指标的重要度进行了排序,并形成了评估指标体系的应用方法。研究结果将吸热碳氢燃料在各个环节中涉及的百余项评价指标“点”汇聚整合成为一套完整的评估体系“面”,为吸热碳氢燃料整体性能的评价提供了有效的方法,初步实现了吸热碳氢燃料综合性能定性评估到半定量评估的跨越,对新型吸热碳氢燃料的评价和发展具有重要应用价值。

ReaxFF MD方法揭示的JP-10热解吸热与氧化放热机理

2024年11月13 00:00

认识裂解吸热和氧化放热反应机理对发展高超声速飞行器所需要的吸热型碳氢燃料极为重要。通过基于ReaxFF力场的反应分子动力学模拟(ReaxFF MD),揭示了JP-10热裂解吸热与氧化放热的微观反应机理。升温模拟结果表明,JP-10氧化体系总反应热效应由吸热转变为放热的转折点在2 600 K附近,吸热阶段开环反应的吸热量约占总吸热量的64%。在JP-10氧化阶段,H自由基和O₂反应生成HO₂,进而生成HO自由基以及含氧自由基生成H₂O的反应会大量释热,约占总放热量的54%。结果表明:基于ReaxFF MD模拟、通过反应热分析识别重要反应是一种有潜力认识燃料分子结构对燃料裂解吸热能力及裂解产物组成对燃料氧化释热能力影响规律的新途径。

清净分散剂对高密度燃料热氧化安定性的影响

舒玉美,安佳毅,薛康,贾挺豪,史成香,张香文,邹吉军,潘伦 — 2024年11月13 00:00

高密度燃料的热氧化安定性对其换热安全性乃至高超音速飞行器的飞行安全至关重要。在燃料中加入清净分散剂可减少热氧化沉积前驱体及沉积物的生成,有助于提高燃料的热氧化安定性。采用快速小型热氧化安定仪研究了不同清净分散剂结构对高密度燃料JP-10热氧化安定性的影响规律,结果表明:在140 ℃,700 kPa氧气压力下氧化5 h后,当高分子量聚异丁烯基丁二酰亚胺T161(分子量>1 000)在JP-10(5 mL)中添加量为100 mg/L时,氧化沉积物的质量减少了56%(94.5 mg),且适当增加分散剂中非极性基团的链长和极性基团的体积,有利于提高JP-10的热氧化安定性; 此外,当清净分散剂中极性基团位于分子中部时,对沉积物的抑制效果则更加显著。

超分子甲基肼凝胶燃料流变性能研究

孙晓涵,宋隆,左向春,孙海云,刘江强,童坤 — 2024年11月13 00:00

流变性能研究是凝胶推进剂研究的一项重要内容,其结果可为推进剂的雾化、燃烧等性能研究提供基础。超分子甲基肼凝胶燃料内部以氢键等非共价相互作用力作为支点,形成网状结构,其流变性能与胶凝剂含量和温度条件密切相关。实验结果表明,胶凝剂含量越高,体系越稳定。胶凝剂质量分数为1.2%时,超分子甲基肼凝胶燃料可在得到最高的能量性能的同时保证稳定性。随着体系温度的升高,形成凝胶网络结构的氢键作用力会变弱,对分子的限制作用也会减弱。体现在流变性能上,就是随着温度的增加,体系黏度和剪切应力降低; 在达到50 ℃时,超分子甲基肼凝胶燃料已处于凝胶-溶液转变的临界点。超分子甲基肼凝胶燃料还具有剪切恢复性,在经历10次剪切过程后,黏度仅有少量降低。

NTO/UDMH燃烧机理构建与着火特性分析

2024年11月13 00:00

为提高自燃推进剂液体火箭发动机燃烧流场的CFD数值计算精度,基于分级法思想构建了63组分357基元反应的四氧化二氮(NTO)/偏二甲肼(UDMH)详细燃烧机理。分别采用单一简化方法与综合多种简化方法对详细机理进行简化,得到与详细机理吻合较好的35组分149基元反应和23组分19基元反应。在此基础上,研究了不同压力、温度与氧燃比对详细机理与简化机理着火特性的影响规律:增大初始压力整体会增加系统平衡温度与着火延迟时间,初始压力越大,系统平衡温度增加越慢,从1 035～1 320 K/MPa减小至170～320 K/MPa; 初始温度的升高会增加系统平衡温度但缩短了着火延迟时间,初始温度增加1 K,系统平衡温度约增大3 K; 增大氧燃比会降低系统平衡温度、增大着火延迟时间,氧燃比越大,着火延迟时间增加越多。获得的规律为NTO/UDMH反应动力学研究提供了重要的参考依据与理论基础,构建得到的详细及简化机理有助于建立更加准确的发动机燃烧流场仿真模型。

不同组份下硝酸羟胺基液体推进剂电点火及稳定燃烧

2024年11月13 00:00

为避免硝酸羟胺(HAN)基液体推进剂传统催化点火的延迟时间长、催化剂失活等缺点,同时充分发挥HAN基液体推进剂高能量密度、高比冲等优点,设计并搭建了HAN基液体推进剂静置状态和流动状态下电点火实验系统。制备了4种新型高能HAN基液体推进剂,并开展了静置状态和流动状态下电点火及稳定燃烧实验研究,对比了不同组份下HAN基液体推进剂点火及稳定燃烧的影响。甲醇的添加抑制了推进剂的活性,推进剂分解过程变得缓慢且没有观察到持续稳定燃烧的火焰。掺混15%乙腈的推进剂在火焰高度和点火延迟时间等方面都表现出优异性能,流动状态下在关闭加载电压后能通过自分解维持火焰的燃烧。

HAN基单组元推进剂热分解过程的分子动力学模拟

黄永民,李旭博,胡旭,周秀爽 — 2024年11月13 00:00

为揭示非催化点火方式的硝酸羟胺(HAN)基单组元液体火箭发动机内推进剂的反应机理,采用分子动力学模拟方法,在ReaxFF/lg力场下对HAN基推进剂热分解机理及配方影响作用机制开展研究。计算结果表明:推进剂热分解过程存在两个阶段。第一个阶段为吸热阶段,推进剂内硝酸羟胺和硝酸肼氢键断裂,分解生成羟胺、肼和硝酸,吸热阶段主要受推进剂内氢键个数影响; 第二个阶段为推进剂分解反应阶段,由硝酸和羟胺的分解所引发,生成NH₂、NO₂和OH。OH为主要的氧化性物质,与肼、甲醇反应,生成大量的水。肼在推进剂中的分解主要依靠与OH反应脱氢,生成N₂H₃,并最终分解形成N₂和H₂。推进剂配方仅对与OH的反应有显著影响。降低甲醇的含量,能够显著提升燃料的反应速率,同时促进肼分子的反应脱氢,提高推进剂初始分解速率; 提高硝酸羟胺的含量能够促进甲醇的分解,但受肼分解反应速率较低的影响,推进剂整体分解速率降低。

超高参数火箭煤油在小通道圆管内的流动换热特性

2024年11月13 00:00

火箭煤油再生冷却过程具有高压、高温、高热流密度和高质量流速等特点。在超高参数条件下,采用低电压大电流电加热方法模拟火箭发动机推力室壁面热环境,在高温合金钢φ2 mm×0.5 mm圆管内研究了火箭煤油的流动换热特性。参数范围为压力25～65 MPa,质量流速8 500～51 000 kg/(m²·s),流体温度常温为～500 ℃,热流密度最高为35 MW/m²。研究表明:在所测试条件下,火箭煤油在小通道圆管内处于单相液态强制对流换热机制; 换热性能主要受到流体温度和质量流速的影响; 流体温度增加,换热系数增加; 质量流速增加,换热系数增加; 压力在25～65 MPa范围内对换热性能无显著影响; 热流密度增加,内壁温显著增加,但热流密度变化对换热系数无显著影响; 受入口强化换热效应的影响,换热系数增加,热流密度越高,入口效应越明显。超高参数尤其是超高压力条件下的火箭煤油换热特性,为火箭煤油再生冷却技术应用提供参考。

三种胶黏剂与航天煤油相容性分析

于君,冯弦,韩伟,杜宗罡,杨超,高利川 — 2024年11月13 00:00

为满足液氧/煤油火箭发动机所用材料相容性要求,采用浸泡法对由3种胶黏剂(DW-1低温胶、DW-3低温胶、J-249胶)组成的铝合金2219/聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)黏接件和PMI/PMI黏接件分别与石油基、煤基航天煤油的相容性展开研究。通过将所得胶接件置于-60～50 ℃温度下的两种航天煤油中进行浸泡,并对浸泡后的胶黏件进行拉伸性能测试,结果表明:3种胶在经-60～50 ℃温度范围内的两种航天煤油浸泡处理后,仍可对胶接件进行有效胶接,且DW-1和DW-3胶在低温环境下的表现更优,高温环境会导致DW-1胶与合金2219胶接界面有一定程度的弱化,而J-249胶与煤基航天煤油表现出较好的适应性。

典型高浓度过氧化氢激波及热刺激下的爆炸危险性研究

2024年11月13 00:00

为研究推进剂级过氧化氢的爆炸危险性和浓度对过氧化氢危险性的影响,对3种不同浓度(质量分数分别为91%、95%和98%)过氧化氢分别开展联合国隔板试验、克南试验以及包装单元间殉爆试验,研究过氧化氢在冲击波刺激和封闭热刺激下的响应特性。结果表明:在强冲击波(约20 GPa)直接作用下,91%、95%和98%浓度过氧化氢对应的验证板穿孔孔径分别为68、74和76 mm,过氧化氢均表现出了整体爆炸危险性,且浓度越高,传播爆轰的能力越强; 在相对弱激波(约2 GPa)刺激下,3种浓度过氧化氢对应验证板均无穿孔情况,表明起爆能力对过氧化氢的整体爆炸危险性具有决定性作用; 克南试验中随着过氧化氢浓度由91%、95%和98%依次增加,发生爆炸的临界孔径依次为1.0、2.0和2.5 mm。两者间的一致性进一步佐证了高浓度过氧化氢潜在的整体爆炸风险。在殉爆试验中,随着爆轰波强度的增加,浓度为98%过氧化氢样品的反应剧烈程度虽然不断增强,但仍呈现为负结果。

液氢固空生长数值模拟及可视化实验

张春伟,马军强,郭嘉翔,余海帅,苏谦,陈静 — 2024年11月13 00:00

固空已成为制约液氢推进剂大规模安全应用的关键因素之一,但目前对于固空特性的了解仍有待深入。采用数值模拟和低温可视化实验来探究液氢固空的氧氮分布规律和生长特性。结果表明,相场模型可以准确模拟纯扩散和强制对流工况下的固空生长及二次分枝过程。多晶核竞争生长时,固空会相互融合形成多晶共生体,二次枝晶还会增加融合点数量,而强制对流增加了液氢固空的危险性,富氧含量最高可达到53.3%。低温可视化实验装置能够有效观测液氢固空的全周期生长过程,当模拟气中的氧浓度为15%时,固空中的氧相对浓度可达到33.8%,证明了固空的氧富集特性。研究结果可为液氢推进剂安全使用体系的构建提供支撑。

200 N推力装置上肼类分解催化剂的应用性能

徐涛,李宁,贺子君,贾勐,张中柱,邢钢,赵孟超,杜宗罡 — 2024年11月13 00:00

研究制备了一种单组元姿轨控发动机用肼类分解催化剂,采用200 N推力装置对其应用性能进行了研究和考察。在催化剂物化性能指标满足应用要求的基础上,利用200 N推力装置通过力学环境试验考察了催化剂力学环境适应性,通过双-10 ℃低温冷启动、低温稳态及脉冲、正负拉偏以及脉冲寿命热试考核程序考察了自制催化剂的低温冷启动性能、低温稳态性能、常温正负拉偏稳态性能以及脉冲寿命性能。结果表明:该催化剂肼催化分解效率在99%以上,机械强度高且力学环境适应性良好,具有较高的肼催化分解活性和稳定性,能够在200 N推力装置上于双-10 ℃正常启动,顺利完成了低温稳态、常温正负拉偏和脉冲寿命等考核程序,发动机室压平稳,响应特性良好,脉冲一致性好,可满足推力装置的使用要求。