热化学分析基于Triethylaluminum自燃推进剂/一氧化二氮

文摘

真空比冲量,密度真空特定的冲动,和固体排气产品检查几个推进剂配方基于自燃的物质triethylaluminum(茶)使用热力学东航代码。评价茶整洁与碳氢化合物燃料混合液态氧,N₂O, N₂O₄液化空气,HNO₃在化学计量学进行。整洁的真空比冲茶与N₂O是与硝酸的相同,但N₂O配方在燃烧会产生较少固体产品。此外,N₂O-TEA推进剂有真空特定的冲动和密度真空特定的冲动在92.9%和86.7%的传统肼化学计量条件下推进剂配方。

1。介绍

一氧化二氮是一种常用的推进剂在不同的应用程序从气溶胶罐到赛车车辆和小说火箭推进剂。因为一氧化二氮可能self-pressurize,重要工作发展小说单元燃料使用这种氧化剂(1- - - - - -6]。此外,一氧化二氮的氧化潜力使得它相当强度的氧化剂过氧化氢(1.766 V和1.776 V,分别地。(7]),过氧化氢是点燃hypergolically自燃的材料如硅烷和triethylaluminum(茶)8,9]。自燃的材料,如茶因此似乎是理想的初步候选人一氧化二氮自燃燃料。这些化学物质的情况下进一步加强使用茶和硅₄超音速燃烧艾滋病,因为超音速燃烧需要高度易燃的燃料(9]。此外,茶的点火延迟降低肼与四氧化二氮(9)和点燃空气温度低至40°C (−10]。

然而,茶的质量燃烧率(0.029公斤/米²- s)远远低于己烷等短链烃燃料(0.077公斤/米²- s)和异戊烷(0.103公斤/ m²- s) [11]。茶与碳氢化合物燃料稀释质量燃烧率与整洁的碳氢化合物,根据混合比(12]。混合茶的碳氢化合物溶剂也提高了安全,防止其与大气中的氧气点火(12,13]。由于这些原因是很重要的决定不仅性能等特定的脉冲(Isp),密度比冲量(ρIsp),点火延迟的茶与给定的氧化剂,但也是一种溶剂对系统的影响。在当前的工作,Isp,ρIsp,浓缩的物种的数量在排气检查。为简单起见,使用的所有特定的脉冲值指的是真空特定的脉冲,而不是特定的脉冲在海平面。

2。方法

热化学评价茶混合烃溶剂正己烷、甲醇、苯胺、硝基甲烷、硝基丙烷是执行与氧化剂液态氧(LOX),四氧化二氮(旅游,N₂O₄)、一氧化二氮(N₂O)、液化空气和硝酸(HNO₃)使用化学平衡的美国国家航空航天局刘易斯代码与应用程序(CEA2) [14]。表1显示了燃料组件的密度和分子量。二进制燃料准备了0、10、20、25、50、75年,100%的茶的质量。每个反应模拟与一个给定的化学计量氧化剂由耆那教中概述的方法等。15在燃烧室压力为2.068 MPa。每个燃料组件的初始温度设置为25°C,除了低温组件液态氧(−185°C)和液态空气(−195°C)。茶(酒精度的生成热₆H₁₅)和液态空气(79%的氮、21%的氧气)手动添加到东航−187.3焦每摩尔(16)和0焦每摩尔。化学被允许改变通过一个模拟1:10喷嘴扩张。

3所示。结果与讨论

真空比冲量(Isp_{真空吸尘器})几乎没有区别硝酸和一氧化二氮的性能。N之间的平均差异₂O和HNO₃Isp的_{真空吸尘器}在0.1%和1.5%之间,这取决于溶剂。根据茶的浓度不同,最低的Isp_{真空吸尘器}对于N₂O和HNO₃配方对己烷2794 Ns /公斤,2730 Ns /公斤甲醇,2728 Ns /公斤苯胺、对硝基甲烷2811 Ns /公斤,每公斤2788纳秒为硝基丙烷中看到数据1,2,3,4,5。最小脉冲的例外是甲醇,茶与HNO燃烧时为10%₃(图2)。Isp_{真空吸尘器}整洁的茶熏鲑鱼,N₂啊,旅游、空气和HNO₃是3066 Ns /公斤,2838 Ns /公斤,2901 Ns /公斤,2243 Ns /公斤,分别和2813 Ns /公斤。液态氧和N₂O₄配方预测平均6.3 - -9%和1.8 - -2.7%更冲动,分别比N₂O配方,这取决于溶剂和茶的浓度。N的比冲量₂O为21.7大于-28.9%液化空气系列,根据溶剂。

在火箭,它不仅是重要的考虑了推进剂可能产生推力,但也有多大的储罐推进剂要求;较低的密度公式,它越大体积,因此需要一个更大规模的储罐,增加火箭的总质量。因此,有必要探讨脉冲密度加权的推进剂。为了保持单元,每个推进剂的比重(与水等于1.0)乘以真空比冲量。数据6,7,8,9,10显示近等价氧化剂LOX和N₂啊,不管二级燃料。如数据所示,3126年和3299年之间的冲动是Ns己烷/公斤,3291年和3382年对苯胺Ns /公斤,3291年和3383年对硝基甲烷Ns /公斤,硝基丙烷和3277和3311 Ns /公斤,根据茶的浓度。

除了苯胺和甲醇,最高的冲动对于这些配方是整洁的茶和最简洁的燃料。整洁的苯胺最高ρIsp的系列中最低的冲动与整洁的茶。最低ρIsp为10%甲醇计算茶,整洁的茶有最高的冲动。密度脉冲硝酸的燃料和燃料与四氧化二氮的所有茶配方除了己烷,硝酸的平均密度脉冲比四氧化二氮配方高出4.1%。平均而言,硝酸优于N₂O配方由9.8 - -14.9%和四氧化二氮优于N₂O 8.4 -12.2%。一氧化二氮密度真空特定的冲动46 - 57.7%大于液化空气平均推进剂。

一般来说,与Isp_{真空吸尘器}值,二次燃料的影响是最小的,这表明稀释的茶不会妨碍推力特性假设自燃。这反过来将允许使用最小的茶。这个功能应该是有利的考虑到烧钱率[中讨论12),茶消耗三分之一的碳氢化合物。

除了脉冲计算,压缩排气物种进行。因为固体排气产品倾向于削弱火箭喷嘴,所以应该尽量减少固体排气产品。显然,燃料不含可压缩的物种(即。,没有铝)将没有固体废气;因此整洁的固体部分茶与每个计算在化学计量氧化剂隔离氧化剂在产品形成的影响。这是观察到N₂O和空气在排气固体加载的最低分数的结果高oxidizer-fuel比率为这些配方。大多数固体排产品的形式₂O₃,少量AlOH和Al (OH)₃。液态氧的固体最高分数计算。表2是一个Isp的总结,和固体部分。无论固体氧化剂的选择,一部分预计将低于12%,这远远低于许多固体火箭推进剂固体铝可能含有20%的燃料。混合燃料(茶和碳氢化合物)会更坚实的产品,根据混合比,因此会有推迟喷嘴侵蚀固体火箭燃料,因此相比更高的燃烧稳定性。

基于肼比较常规使用的推进剂,Isp_{真空吸尘器}和hydrazine-oxidizer系统(整洁的肼,monomethylhydrazine(嗯),不对称二甲肼(UDMH)和航空肼50)数据所示11和12,分别。整洁的最高Isp肼hydrazine-LOX 3299 Ns /公斤。再一次,最低的冲动是液态空气的观察。最高的肼N 3788 Ns /公斤吗₂O₄。只对肼,N₂O最大计算脉冲的产生不低于88%和86%的最大值。表现最差的N₂在这个调查(整洁methanol-N O系统₂O)有一个Isp_{真空吸尘器}在83%,在表现最好的联氨系统的80%。整洁TEA-N₂有一个Isp阿_{真空吸尘器}在hydrazine-LOX和的92.9%hydrazine-NTO配方的86.9%。总之,TEA-N₂O推进剂预计生产类似的脉冲值hydrazine-based推进剂。

4所示。结论

潜在的自燃推进剂的热力学分析和执行基于茶和一氧化二氮相比,传统的氧化剂。结果表明:一氧化二氮与硝酸的特定的冲动,和密度比冲量一氧化二氮与液态氧。然而,一氧化二氮的高氧化剂/燃料比有助于减少排气的固体部分,这是可取的。二次燃料的影响如己烷、甲醇,苯胺,硝基甲烷,1-nitropropane也被认为是最小的。因为茶燃料混合的推力特性是影响最小的碳氢化合物燃料,茶可能利用假设的最小体积自燃可以证实。此外,整洁TEA-N₂O推进剂生产真空特定的冲动和密度特定的冲动7.1%和13.1%低于传统肼推进剂配方,分别。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者要感谢新墨西哥州空间格兰特财团(NMSGC)他们对这个项目的金融支持。

引用

1. 诉Zakirov m .情人、t·劳伦斯和j .卖家“一氧化二氮作为火箭推进剂,”《宇航学报,48卷,不。5 - 12,353 - 362年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. a·惠特莫尔和钱德勒、“工程模型self-pressurizing saturated-N₂O-propellant饲料系统”,《推进和权力,26卷,不。4、706 - 714年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. j . r . Wallbank p . a .布道,a . m . Baker l·考特尼和r . m . Sambrook“一氧化二氮作为小型卫星的绿色单元燃料,”第二届国际会议上绿色推进剂空间推进(ESA sp - 557 04年)艾德,a·威尔逊,页125 - 130,撒丁岛,意大利,2004年6月。视图:谷歌学术搜索
4. 诉Zakirov h·张,“一氧化二氮单元推进剂的操作模式,”航空航天科学技术,12卷,不。4、318 - 323年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|Zentralblatt数学
5. j·s·Tyll和r . Herdy“一氧化二氮oxide-propane火箭发动机:BAA 99 - 22的最终报告。联合航空工业/ DARPA。科技GASL。”众议员387,2001。视图:谷歌学术搜索
6. m . s . Balasubramanyam、m .莫泽和d . j .锋利的“催化点火的一氧化二氮丙烷/丙烯混合火箭发动机,”美国第41张仁/ ASME / SAE / ASEE联合推进会议,2005年,页1 - 8,张仁。视图:谷歌学术搜索
7. d·r·利德化学和物理的CRC手册美国佛罗里达州,CRC出版社,波卡拉顿,89版,2008年。
8. d . l . Keese w·r·Escapule m·c·格勒贝里奇和j·a . Ruffner“氢来推进和电力系统,”沙子的报告2004 - 1327年,2004年。视图:谷歌学术搜索
9. t·w·瑞恩,s·t·施瓦布和h·h·克“点火延迟,燃烧加热,反应速率的铝烷基衍生物用作超音速燃烧点火和燃烧增强剂,”美国国家航空航天局承包商报告NAS 1.26:189581 nas1 - 18191, 1992年,http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19940028362。视图:谷歌学术搜索
10. h . g . Weiss,约翰逊,h·d·费舍尔和m .格斯坦“修改四氧化二hydrazine-nitrogen点火延迟,”张仁杂志,卷2,不。12日,第2223 - 2222页,1964年。视图:谷歌学术搜索
11. j . Marsel l·克莱默,“自燃烷基金属的性质,”研讨会(国际)在燃烧,7卷,不。1,第912 - 906页,1959。视图:谷歌学术搜索
12. 烷基金属及其解决方案OMS 96.172.05,阿克苏诺贝尔公司,芝加哥,生病,美国,2008年。
13. d·b·帕斯”附录A:烷基金属燃烧”手册的过渡金属聚合催化剂r·霍夫和r . t .源泉,Eds。,pp. 551–562, Wiley, Hoboken, NJ, USA, 2010.视图:谷歌学术搜索
14. 戈登和b。麦克布莱德,“计算机程序计算复杂化学平衡的组成和应用,“美国国家航空航天局RP1311、1994、http://www.grc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/ceaWhat.htm。视图:谷歌学术搜索
15. s . r . Jain k·c·艾迪加和v . r . p . Verneker“浓缩的震波会混合物的热化学计算的新方法,”燃烧和火焰40卷,第79 - 71页,1981年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. Leal j . p . j . m . Simðes”标准生成焓triethylaluminum。”有机金属化合物,12卷,不。4、1442 - 1444年,1993页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. l . Medard气体百科全书,液化空气集团爱思唯尔科学出版,1976年,http://encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp。

版权

版权©2014斯蒂芬·m·戴维斯和最低点Yilmaz。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。