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。     

过氧化氢/煤油双组元推力室催化分解点火研究

针对小推力过氧化氢/煤油推力室催化分解点火进行研究.作为过氧化氢/煤油双组元发动机的技术途径之一,还可扩展应用于催化分解点火火炬、补燃循环发动机中.推力室采用细颗粒催化剂床分解90%浓度过氧化氢(90%H2O2),分解的高温燃气使煤油雾化、蒸发和点火并且自维持燃烧.研究工作包括了催化剂床和气液喷注器的设计、单组元分解特性、双组元点火可靠性、工作效率及稳定性研究.试验中采用热容式燃烧室,催化剂床采用轮毂式分配板和多孔式床支板,并检验了不同结构的分解燃气与燃料喷射、混合情况.研究结果显示,催化分解点火可靠性高,工作稳定,燃烧效率在95%以上.     

N2O/丙烷火箭发动机研制

为进行N2O/丙烷(C3H8)火箭发动机(NOP)试验,在亚拉巴马大学(UAH)新建了一座发动机试车台,装备了台架式推进剂供应系统、10001bsf(4448.22N)的推力架和数据采集系统.研究了N2O催化分解点火方案,对几种催化剂材料进行了评估.Shel1-405和钴基的ZSM-5性能良好,可使N2O充分分解,并点燃碳氢燃料,如丙烷.试验表明,纯N2O通过Shel1-405时,催化分解反应在400°F(204℃)时进行,如果加入少许碳氢燃料(例如丙烷或丙烯),此温度将下降到大约200°F(93℃).NOP发动机在L*=3m时,在混合比4.89到8.68之间进行了试验.在合适的热损失模型下,试验数据与理论计算结果相吻合.使NOP发动机稳定工作的范围基本确定为N2O流量＜0.270 1bm/sec(0.122kg/s),混合比在5～6之间.用辐射测量仪来测量发动机排气温度和羽流成分,用羽流皮托管校验推力数据.     

过氧化氢单元催化分解火箭发动机研究

针对航天器推进系统的无毒化,设计了推力为200N的过氧化氢单组元催化分解发动机。发动机喷注器、催化剂床以及分解室结构设计合理,催化剂连续工作时间长,90%浓度过氧化氢适合催化分解,发动机、过氧化氢、催化剂三者匹配性良好。     

红外光谱法研究GAP的热分解

采用T-Jump/FTIR和热裂解原位/FTIR联用技术,分别研究了GAP的快速热裂解和慢加热速率分解过程。在不同压力的高纯氮气条件下,以1 000℃/s的升温速率达到设定的温度(600℃和1 000℃)快速分解,用快速扫描傅立叶变换红外光谱跟踪分析分解产物的种类和浓度变化。结果表明,GAP首先由叠氮基N3分解生成亚胺中间产物,该产物经历生成HCN和NH3的2个竞争反应过程继续分解。根据快速热裂解气相产物HCN/NH3比值随温度和压力的变化,发现GAP在2个竞争反应分解生成HCN和NH3的过程,不但受实验温度的影响,而且也受压力的影响。     

高超声速流动壁面催化复合气动加热特性

针对高超声速流动壁面催化特性,计算了不同壁面催化复合系数条件下的球锥驻点热环境。引入了经验证的数值求解Navier Stokes方程的方法,在不同壁温500K～2500K的条件下分别分析了O 2和N 2气体在壁面处的催化复合气动加热特性,得到如下结论：（1） 原子复合放热将提高近壁面温度梯度,改变近壁面组分分布;原子复合放热一部分加热飞行器形成组分扩散热流,一部分加热近壁气体提高近壁温度梯度。（2） 在壁面催化复合系数较小时,原子复合放热主要转化为组分扩散加热,对于不同壁面温度,壁面催化复合系数α<0.1时,单一气体反应组分扩散热流小于总热流的20%。     

多孔C/C材料发汗冷却实验研究

发汗冷却是解决高超声速飞行器关键部位热防护问题的有效方法,文章开展了以未完全致密化C/C材料作为多孔介质、水作为冷却剂的发汗冷却实验研究。设计并制备了发汗冷却平头实验模型,分别在热流密度1.1 MW/m2和1.45 MW/m2的氧-丙烷热结构考核条件下,通过测量模型内外壁温度响应,评估其发汗冷却速率。实验结果表明,冷却剂的引入极大地降低了模型内外壁温度,外壁面冷却速率高达8.8℃/s以上,未出现明显烧蚀现象。内壁面温度均保持在水沸点100℃以下,达到了可重复使用、耐长时加热的热防护要求,进一步表明了发汗冷却的巨大应用潜力。     

纳米NiO/CNTs和Co3O4/CNTs对AP及HTPB/AP推进剂热分解的影响

以碳纳米管(CNTs)为载体,采用化学沉淀法制备了纳米N iO/CNTs、Co3O4/CNTs复合粒子,应用TEM、SEM、XRD、EDS、BET等方法对产物形貌、结构进行了表征,并用DSC研究了纳米N iO、Co3O4、CNTs等单一粒子及纳米N iO/CNTs、Co3O4/CNTs复合粒子对AP及HTPB/AP推进剂热分解的催化作用。结果表明,纳米N iO/CNTs、Co3O4/CNTs复合粒子结晶好、包覆均匀、比表面积大。纳米N iO、Co3O4、CNTs等单一粒子和纳米N iO/CNTs、Co3O4/CNTs复合粒子均能使AP及HTPB/AP推进剂热分解的高温分解峰温降低、表观分解热增加,表现出良好的催化性能。相比而言,纳米复合粒子的催化性能均优于其相应单一组分,表现出良好的正协同作用。复合粒子中以Co3O4/CNTs复合粒子的催化效果最为显著,使AP和HTPB推进剂的高温分解峰温降低了153.06℃和60.0℃,使总表观分解热分别增加了1 163 J/g和920 J/g。     

氮掺杂氧化锌的制备及其催化高氯酸铵热分解性能研究

为提高Zn O对高氯酸铵(AP)热分解反应的催化活性,采用溶剂热法,在甲醇-水混合溶液中以2-甲基咪唑为氮源和碱源一步制备了N掺杂Zn O(N-ZnO)催化剂。利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、高倍透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、傅里叶红外光谱以及紫外可见漫反射光谱等表征了N-ZnO催化剂的形貌、结构及组成,并通过热重-差示扫描量热联用技术研究了N-ZnO对AP热分解的催化性能。结果表明,在N-ZnO的催化作用下,AP热分解温度由432℃降低至292℃和放热量由376 J/g提高至为1253 J/g,其催化性能优于纯Zn O,这是由于N原子成功掺入Zn O晶格后,禁带宽度的窄化和氧空位缺陷的增多有利于AP热分解产物HCl O4中Cl—O键的断裂,并容易获得更多电子,得到的活性O-加剧了NH3的氧化反应,从而提高催化性能。     

上面级飞行试验用H2O2/JP-8火箭发动机的催化剂床不稳定性

轨道科学公司和美国空军研究实验室所属的军用太空飞机技术规划办公室共同获得了NASA马歇尔空间飞行中心(MSFC)上面级飞行试验(USFE)项目合同.轨道公司正在设计研制一种廉价的新型液体火箭,火箭采用压力供应系统,推力为4,540N(10,000磅),推进剂为H2O2/JP-8.在NASA Stennis太空中心(SSC)进行的上面级飞行试验用燃烧室热试车时,当H2O2流量达到设计流量的1/3时,催化剂床发生了低频不稳定.本文介绍了上面级飞行试验催化剂床、燃烧室及其工作情况;讨论了催化剂床不稳定动力学;还介绍了用计算机动态模型模拟再现催化剂床的不稳定现象的情况.该计算模型建立在SSC试验数据的基础上,旨在探索解决催化剂床发生不稳定问题的可能方法.最后介绍了对催化剂床不稳定问题采取措施后,燃烧室的结构及其稳定工作情况.     

ANPyO Bi(III)含能配合物的合成、表征、热分解行为及其对高氯酸铵热分解的催化作用

合成了2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO) Bi(III)含能配合物,采用FTIR、元素分析和XPS光电子能谱表征了含能配合物的结构.根据结构表征结果推测,ANPyO Bi(III)含能配合物的分子式为Bi(C5H4N5O5)3,金属离子与配体的配比为1∶3.其中,可能的配位方式为:每个配体ANPyO 2-位的氨基脱去一个氢原子,分别以NH和N→O结构单元中N原子和O原子与Bi(III)形成配位键.ANPyO Bi(III)含能配合物的撞击感度、摩擦感度和冲击波感分别为220 cm、36 kg和5.8 mm.采用TG-DTG和DSC测试考察了ANPyO Bi(III)含能配合物的热分解行为,配合物在50～450 ℃范围内热分解过程由一个吸热熔融峰和分解放热峰组成,相应的峰温分别为320.6 ℃和346.5 ℃,配合物热分解剩余残渣量为31.2％.同时,考察了配合物对高氯酸铵热分解的催化作用,并采用Kissinger法对纯AP和AP混合物热分解过程低温分解阶段和高温分解阶段的表观活化能和指前因子进行了计算.结果表明,ANPyO Bi(III)含能配合物可使高氯酸铵高温分解阶段和低温分解阶段的峰温提前63.6 ℃和63.1 ℃,表观活化能降低23.1 kJ/mol和61.5 kJ/mol,表观分解热增加339.3 J/g.可发现,ANPyO Bi(III)含能配合物对AP的热分解具有显著的催化作用.     

Prediction of the concentration of hydrazine decomposition products along a granular catalytic bed

A decomposition chamber packed with catalyst granules is considered for the analysis. The decomposition chamber is divided into induction and post-induction regions. In the induction region the only relevant decomposition is that of hydrazine whereas in the post-induction region both decomposition of hydrazine and ammonia are considered. As the thickness of two phase region (hydrazine plus decomposition gases) is very small it is neglected. A computer programme based mainly on Runge-Kutta formulas with step size control is developed for simultaneously solving the differential equations encountered here. For different values of design parameters (bed loading and chamber pressure) the temperature and concentration profiles along the granular catalytic bed are plotted. The objective of the task is to analyse the processes in the decomposition chamber and to develop a computer programme to arrive at the bed loading, chamber pressure and length of the catalyst bed that would give the maximum specific impulse with a minimum pressure drop along the catalyst bed. The analytical results are validated with experimental results available in the literature and application of the analytical results to ISRO (Indian Space Research Organisation) 10 N orbit raising thruster design is illustrated.     

国外单组元变推力发动机应用与关键技术

介绍了国外单组元变推力发动机的应用现状,阐释了单组元变推力发动机的结构和设计原理,总结了研制和改进过程中的关键技术,主要包括径向双层夹套催化床设计、径向喷注器设计、流量稳定调节技术和催化床空穴控制技术等。美国为火星软着陆研制的MR-80和MR-80B无水肼单组元变推力发动机分别应用于“海盗”号和“好奇”号着陆器下降级推进系统。MR-80发动机可实现275~2835 N变推力调节,推力变比为10∶1,比冲为205 s,呈120°均布于“海盗”号着陆器三角形基座的长边。“好奇”号下降级推进系统由2个高压氦气瓶、3个推进剂贮箱、8台单组元变推力发动机、8台单组元250 N姿控发动机、1个压力控制组件和3个推进剂控制组件组成,MR-80B发动机可产生31~3603 N的真空推力,推力变比达到100∶1,比冲范围为204~223 s。     

600N单组元推力室的研制

600N单组元推力室使用DT-3推进剂,催化床床载率高达6g/cm2·s,头部采用两组环形分布的喷注扩散器并进行了模块化设计,身部采用了隔热装置,推力室具有结构紧凑、工艺简单、重量轻等特点。热试车结果表明,推力室起动迅速、平稳,性能可靠。     

氧化铝壳层对纳米铝粉的热反应特性影响研究

利用气氛保护管式炉对纳米铝粉分别进行了245℃和450℃的热处理,得到2种不同氧化铝壳层厚度和晶态结构的纳米铝粉Al-245和Al-450。XRD和XPS测试结果表明,Al-245的氧化铝壳层比Al-450薄,且壳层中的γ-Al2O3、θ-Al2O3和ε-Al2O3强度较低。相应的HRTEM表明,Al-245和Al-450都存在明显壳层,且Al-450有2个壳层。在TG-DSC中,氧化铝壳层较薄的Al-245的DSC起始反应温度和峰温分别为554.0℃和559.3℃,均低于Al-450的相应温度559.3℃和586.1℃,反应区间更窄,(Tp-Ton)仅为5.3℃,且初始氧化放热量4 652 J/g也远高于Al-450的1 681 J/g。在500～660℃间,Al-245增重21.3%,高于Al-450的10.1%,且Al-245的氧化速率0.38 mg/s也明显高于Al-450的0.033 mg/s。     

银网催化床分解过氧化氢的计算方法

推导出一套公式,用来计算高浓度过氧化氢完全分解的理论参数及银网催化床各截面的分解率、温度和压力,并能定量确定压力对分解温度的影响。为便于计算．列出了算例。数据表和直观的催化床参数曲线可为工程设计提供参考。     

PET/N100粘合剂体系固化过程FTIR研究(Ⅰ)--TIR曲线

采用了加热原位池／FTIR联用技术实时跟踪N100和环氧乙彬四氢呋喃共聚醚（PET）固化反应过程的方法,获得了固化度与温度的关系（TIR）曲线,研究了添加物及升温速率对固化体系的影响,发现催化刺对固化反应有明显的力口速作用,增塑荆的加入,使得固化反应的起始温度增加,终止温度降低,这些结果为固化TIR动力学的进一步研究提供了基本数据。     

四氧化二氮低温非稳态导热模型研究

四氧化二氮在低温条件下容易凝结为固体而对航天发射产生难以预见的影响,本文依据非稳态传热理论对低温环境中不同管径圆柱管道内的四氧化二氮导热情况进行了研究,建立了圆柱管道四氧化二氮低温非稳态导热模型,经验证与实际情况拟合较好。     

小型化高床载过氧化氢整体式催化剂床研究

通过理论分析和试验对一种新型整体式层板催化剂床进行了研究。设计了催化剂床流道结构并对催化剂床的加工工艺进行了初步研究。热试车结果表明，催化剂床性能良好，最高床载可达16．5g／（cm^2·s），分解效率96％，室压粗糙度小于±2％，催化剂床累计工作寿命大于455s，性能未出现下降趋势。     

星敏感器光学系统的热/结构/光分析

星敏感器是高精度的航天器姿态测量器件,其性能受太空温度环境的影响。运用有限元法和光线追迹法,建立星敏感器光学系统的热/结构/光分析模型,研究光学系统温度分布与星敏感器测量误差的关系,得到了算例光学系统在温度均匀分布条件下的温度变化以及轴向温度梯度变化、侧向温度梯度变化与星敏感器测量误差的关系曲线;给出了算例光学系统热误差小于角秒量级的温度条件:均匀温度分布条件下温度变化量≤10℃、轴向温度梯度≤0.1310℃/mm、侧向温度梯度≤0.0325℃/mm,为高精度星敏感器光学系统热控制提供科学的依据。