HAN基无毒单元发动机常温启动技术研究

与目前采用的肼类推进剂相比,硝酸羟胺(简称HAN)基推进剂具有无毒无污染的特点,可以简化地面操作,减小爆炸的风险和对工作人员的伤害,能极大节约发射和使用维护的成本。然而,HAN基推进剂催化分解速率比肼类推进剂慢得多,因此HAN发动机催化床预热温度越低,可靠工作越困难。对HAN基单元发动机的常温启动技术进行了研究,并对发动机常温启动和120℃启动热试车试验进行了对比分析。研究结果表明:HAN发动机可实现常温启动,但HAN基单元发动机在120℃条件下启动比常温条件下启动更快,工作寿命长;对于常温启动的试验程序,采用脉冲工作时间较短且间隔时间较长的方案,发动机启动更快,工作寿命也更长。     

HAN基无毒单组元1N发动机设计研究

对硝酸羟胺(HAN)基单组元1N发动机的设计进行了研究。给出了发动机总体设计中喷注方式、催化床、支架、身部材料和控制阀等要点。介绍了发动机研制中突破的关键技术:采用3孔喷注器对流量进行均匀分配,提高发动机温起动次数,缩短响应时间;催化床分隔为前床和后床,分别使用不同直径大小的催化剂,减小空腔,提高发动机性能;挡板和分隔板应用耐高温铂铑合金材料,提高发动机性能和寿命。高空模拟热试车表明:设计的HAN基1N发动机可实现平稳点火,并获取了发动机的稳态和脉冲工作性能。发动机研制已完成了模样阶段并转入初样阶段,并被国内快响小卫星采用。     

硝酸羟铵基单元推进剂小推力室的性能和寿命试验

由硝酸羟铵(HAN)、甘氨酸和水组成的单元推进剂对环境无害。采用这种新型推进剂进行了火箭发动机试验,以测定小推力(4.5～9.0N.推力级别)催化分解推力室的性能和寿命特性.研制硝酸羟铵基推进剂长寿命催化反应室,是对当前单元推进剂技术的挑战。硝酸羟铵与燃料配混燃烧后产生的燃气,分子量比较高,需要把燃烧室温度限定在目前催化剂耐高温性能范围内,以便将发动机比冲保持在能够接受的水平。硝酸羟铵与燃料配混燃烧后产生相当多的水蒸汽,使工作环境更加恶劣。传统的贵金属催化剂在这种高温水蒸汽环境中,表面积和活化金属都有所损耗。通过发动机性能试验和寿命试验,本文讨论了目前硝酸羟铵推进剂推力室研制过程,推力室设计和催化剂选择方案。     

低冰点推进剂1N单组元发动机技术研究

单组元发动机采用低冰点推进剂具有良好的低温冷起动和工作性能,对于实现航天器的长期在轨驻留、轨道控制和姿态调整具有十分重要的意义。对-30℃低冰点四体系推进剂的特性进行了分析,对低冰点推进剂小推力量级发动机催化分解技术进行了试验研究。试验结果表明,发动机冷起动、关机正常,稳态、脉冲工作稳定,性能可靠。     

Ir(100)面上HAN催化分解反应机理

为揭示单组元液体火箭发动机内硝酸羟胺(HAN)基推进剂的催化分解反应过程,采用从头算算法确定HAN及其缔合物结构,利用密度泛函方法对稳定的HAN双分子缔合结构在Ir(100)面上的初始催化分解反应机理开展研究.计算结果表明:HAN分子是由双点位氢键结合而成的,其缔合结构主要是依靠分子间的氢键作用而成的.HAN双分子缔合...     

新型弹簧床结构的HAN基发动机技术

为改善硝酸羟胺(HAN)基发动机催化剂在长时间工作的工况下容易发生破碎而产生空穴的现象，本文提出一种新型弹簧床结构发动机设计方法，对发动机催化床进行改进优化设计。该设计可实现，常温环境下弹簧所提供的最大弹力不足以压碎催化剂；同时在高温环境下，弹簧的最小弹力足以克服催化床受到的流动阻力，可大幅提高发动机工作寿命、性能和可靠性。为验证该设计方法的有效性，分别开展了传统结构和新型弹簧床结构的HAN基1N发动机温启动试验。试验结果表明：在相同试验条件下，传统结构1N发动机温启动次数不超过150次，而使用新型弹簧床结构的1N发动机温启动次数超过了500次，且工作性能更优。试验结果证明了该设计方法的有效性，为HAN基发动机长寿命可靠工作奠定了良好的技术基础。     

HAN基无毒单组元发动机热控研究

为使某HAN基无毒单组元发动机正常工作,需采用一种高效的热控方式,保证点火前其催化床温度在200℃之上(远高于传统单组元发动机的点火温度)。以该HAN基发动机为研究对象,在制定的热控方案基础上,建立有限元模型,采用I-DEAS/TMG软件对该发动机各部件温度进行计算,之后按照产品状态进行发动机真空热试验,获取发动机重点部位的温度数据。结果表明:除前床后部外,其余位置温度测点的热分析和试验温度误差均小于4℃,认为两者吻合较好,有限元模型可用于之后的在轨温度预示等工作;该HAN基发动机身部采用安装一种新型铠装加热丝组件,而后覆盖不锈钢箔的热控方式,结合支架的镂空结构设计,满足发动机工作的温度要求。     

HAN基绿色推进剂点火技术研究进展

针对HAN基绿色推进剂普遍存在点火困难的问题,总结了国内外HAN基绿色推进剂点火技术的研究和应用情况。HAN基液体推进剂的点火方式主要包括催化分解点火、电火花点火、无弧点火、电解点火和激光点火。HAN基凝胶推进剂仍采用传统烟火药方式,难以实现点火。HAN基固体推进剂采用电极电解点火方式,在电压的控制下实现了点火、燃烧和熄火可控。分析认为,采用电解方式能够显著提高HAN推进剂的点火效率,是HAN基推进剂点火技术的发展方向。     

硝酸羟胺发动机喷注器特种流量分配方法

硝酸羟胺(HAN)发动机如果采用传统肼类均匀分配喷注器,那么在靠近喷注器一段距离的催化床内,中心温度低于边缘温度,中心位置反应物转化率低于边缘位置,并且中心位置反应物质量分数高于边缘位置,该不均匀性将影响发动机工作寿命。针对HAN发动机喷注器采用传统设计方案容易使得催化床中心过载的问题,提出了一种“外密内疏”流量分配喷注器设计方法,并给出了该方法的设计理论。开展了基于传统喷注器结构和新型“外密内疏”喷注器结构的60 N HAN发动机热试车试验,对比结果表明,传统均匀分配喷注器的60 N HAN发动机工作680 s后发动机失效,而采用新型特种流量分配方案喷注器的发动机可较稳定地完成1 200 s长稳态工作。提出的新型喷注器设计方法为长寿命HAN发动机工程应用提供了参考。     

一氧化二氮无毒推进剂催化分解研究

为研究一氧化二氮（N2O）推进剂,建立了N2O催化分解装置,对N2O催化分解条件进行了研究,使用电阻丝外加热方式,将催化床外壁加热到400℃后切断电源,贮箱压力维持在0.4MPa的条件下,纯N2O流经催化剂发生分解,并能维持反应持续进行,最终催化床外壁温度可达到500℃～760℃。选择性能优良的催化剂C-2和添加剂T-B,可使N2O催化床外壁的催化分解温度达到980℃,具备了与燃料着火的条件。     

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。     

ZrO2对双基推进剂燃烧的催化作用研究

研究了ZrO2对含催化剂螺压双基推进剂燃烧性能的影响,并结合推进剂稳态燃烧火焰照片、熄火表面、燃烧区温度波分布等测试结果对其作用机理进行了探索研究。结果表明,采用ZrO2替代部分铅铜催化剂,可提高推进剂的燃速,并实现较高压力的燃烧平台,从而降低有毒有污染的铅类催化剂用量;ZrO2可能在推进剂燃面上吸附醛类、NO2、NO和CO等燃烧中间产物,在为铅铜催化剂提供催化条件的同时,又能抑制其熔融分解产物如PbO和CuO的团聚,从而提高铅铜催化剂的催化燃烧效果,且ZrO2粒度越小,该作用效果越显著。     

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。     

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.     

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。     

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NOFBXTM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.     

新型降速剂对聚醚推进剂燃烧性能的影响

为了进一步降低聚醚推进剂燃烧速度,采用TG/DTA法分析了新型降速剂对推进剂主要组分(粘合剂、增塑剂、氧化剂)热分解行为的影响,并考察了降速剂在聚醚推进剂中的应用效果,研究了降速剂粒径、含量对推进剂燃烧性能的影响。研究表明:新型降速剂可以抑制PET、AP的热分解,使PET分解温度提高约40℃,使AP低温分解提高约30℃,使高温分解提高约15℃;新型降速剂在聚醚推进剂中降速效果明显,当用量为2%,压强为7 MPa下静态燃速由8.73 mm/s降低至6.26 mm/s,降幅为28.3%,动态燃速由10.85 mm/s降低至8.59mm/s,降幅为20.8%,效果优于碳酸钙、草酰胺等常用降速剂;提高降速剂含量、减小粒径,均有利于提高降速效果,但对降低压强指数没有作用。该降速方法可以推广到其他推进剂体系中。     

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.     

单组元催化分解发动机参数设计

阐述了单组元催化分解发动机的催化剂床孔隙率、催化剂床比表面积、氨解离度、喷注管流阻和启动响应时间等有关参数对发动机的影响,及其相互间的关系.介绍了这些参数的计算方法,并给出了计算实例.