文摘

关于推进系统应用,液体推进剂在长期储存的稳定性的重要性增加,这导致了一个更大的凝胶技术的兴趣。的初步测试,以确定使用凝胶推进剂火箭的可行性与催化剂床,与反应堆使用凝胶催化剂混合火箭推进剂作为氧化剂在这项研究首次测试。实验用两个不同的氧化剂:与液相过氧化氢和过氧化氢与凝胶阶段,以及高密度聚乙烯作为250 N类燃料混合动力推进器性能测试。推进器点火系统设计的催化剂,催化剂是制造插入反应器催化剂促进氧化剂分解。而整洁的过氧化氢的测试结果显示足够的分解效率使用二氧化锰/氧化铝催化剂和成功的自燃燃料通过分解产物,凝胶过氧化氢分解不足和操作有困难的推进器作为催化剂在胶凝剂。这项初步研究确定的潜在挑战使用凝胶相氧化剂在催化剂混合点燃推进器和讨论技术问题应该解决关于凝胶推进剂混合动力推进器设计催化剂反应器。

1。介绍

今天,许多应用程序的化学火箭推进系统是基于价格竞争力,出现了新的cost-focused空间产业和商业空间技术,开发了等公司维珍银河,空间X,蓝色的起源,火箭实验室,可重用和低成本的运载火箭和骑士的空间特性1- - - - - -7]。甚至小规模的大学校园探空火箭依靠经济和安全的推进系统高效运行的探空火箭CanSat运营商。有一个混合火箭经济,安全,可靠,它是一个有吸引力的选择空间推进它的固体和液体火箭推进系统的优势。许多以前的混合火箭的应用程序(8- - - - - -16),从实验室探空火箭、宇宙飞船,展示他们的优势。

化学火箭推进分为三个不同的燃料类型:固体,液体,混合动力车。氧化剂和燃料阶段在固体和液体火箭是相同的,在一个混合火箭阶段有所不同。在大多数混合火箭,氧化剂在液态和固态燃料。固体火箭拥有系统简单,但预混合的氧化剂和燃料爆炸。另一方面,两个燃料混合火箭的分离使他们更安全,并通过调节推进剂流量推力代可以控制。他们还允许re-ignition和具有潜在优势的特定脉冲性能相比,固体火箭。尽管他们比冲量低于液体火箭,混合动力火箭带来好处,因为他们只需要一辆坦克,补给线,流体控制设备推进剂液体推进剂火箭需要的一半。

混合火箭变得更简单根据点火系统。有两种类型的混合动力火箭与不同的点火类型:一个与火花点火设备或火炬和另一个放热反应的催化剂床的推进剂。催化剂床的温度足够高,和燃料的自燃没有额外的着火源是可行的。没有特定的顺序点火,点燃混合火箭催化剂有更大的点火可靠性、以及系统配置比火花或简单的火炬点燃火箭。

最常用的氧化剂之一催化剂点燃混合火箭是一种高浓度过氧化氢溶液,这是众所周知的高挥发性过氧化物。这个绿色的推进剂的可存储性显著改善以来第一个主要用作推进剂在1950年代(17]。因此,大量的研究提倡使用H₂O₂作为推进系统推进剂(10,11,18- - - - - -21]。然而,仍然有挑战对于H的长期可存储性₂O₂甚至H稳定剂的效果₂O₂(描述的推进性能是一个问题22]。

今天,凝胶技术吸引了很多利益23- - - - - -31日]其潜在增加焓使用金属颗粒作为添加剂,提供更大的稳定性,增加可存储性的液体推进剂。凝胶推进剂的增加粘度在一个存储的剪切速率下降,从而导致过氧化氢的可存储性。几项研究[23,24,26,31日- - - - - -34)报道了过氧化氢凝胶化过程,主要用于更好的稳定性和可存储性的H₂O₂没有任何添加剂的金属能力,利用H的可能性₂O₂凝胶作为自燃推进剂组合。然而,一些研究报道关于凝胶推进剂分解。考虑到发布的过氧化氢的能量通常是放热反应的催化剂,研究凝胶推进剂分解的催化剂对更大范围的使用至关重要的凝胶。不同于以往的凝胶推进剂的研究基础和基本方法,如凝胶化过程中,燃烧行为,和其他基本特征,研究凝胶推进剂分解的催化剂必须在一个实际的和系统的方法进行由于催化剂,反应温度和压力的敏感性,尤其是当异构催化剂用于火箭的工作条件相对较高的温度和压力。

在这方面,凝胶推进剂已经测试,以确定的可行性和潜在的困难阶段使用凝胶推进剂的推进系统反应器催化剂。过氧化氢是一种最常用的氧化剂在催化剂混合点燃推进器,和由于潜在燃烧使用的有机胶凝剂,本研究主要集中在利用过氧化氢凝胶混合火箭催化剂床。凝胶混合动力推进器的初步测试,混合火箭推进系统被设计和制造测试使用整洁和凝胶性能比较高挥发性过氧化物。测试结果被建立之后,使用凝胶推进剂的可行性和可能的挑战作为氧化剂在催化剂点燃推进器进行了探讨,其次是催化剂反应器的设计要求和理想性能的凝胶因其广泛的用法作为推进剂。

2。推进系统的设计

2.1。凝胶推进剂和胶凝剂

凝胶推进剂固体状的液体推进剂的流变特性被添加胶凝剂,通过改变内部三维网络,源于物理和/或化学债券。凝胶推进剂本质上是一种非牛顿流体,其剪切稀化行为,降低粘度剪切应变下,火箭推进剂是可取的。其行为类似于固体推进剂在存储,没有剪切应力,与更大的稳定和安全,由于减少了蒸汽形成的固体状的液体和泄漏的可能性越低,这提高了长期运行与推进剂的推进系统的性能。剪切应力下,然而,其粘度降低,它像液体一样流动需求;因此,与固体推进剂,throttle-able使它适用于各种任务配置文件。凝胶推进剂关于系统配置也有优势,因为它有更高的密度比的液体推进剂,这不仅提高了density-based特定的脉冲性能也降低了所需的油箱体积。通过添加金属添加剂如硼、镁、凝胶推进剂铝粉,甚至可以实现更高的性能。其中一个问题与使用固体推进剂,裂纹发生在固体燃料颗粒,也可以通过使用凝胶推进剂阶段解决。

随着粘度的增加添加胶凝剂,然而,由此产生的高摄食压力要求,雾化不足,燃烧效率低造成问题。为了克服这些挑战,许多以前的凝胶研究[23,24,29日,33- - - - - -54]报道各种方法形成凝胶推进剂、流变特性、雾化、点火和燃烧特性。

在这些研究特别感兴趣的喷射器的设计和凝胶推进剂的雾化特性(41- - - - - -44,46,55,56),水凝胶通常被用作凝胶模拟的,在这种情况下羧乙烯聚合物,多糖或黄原胶作为胶凝剂对水凝胶制备。但是有很多报道各种推进剂和胶凝剂形成方法,例如,一些家庭燃料酒精33];等能燃料JP-1 [50],jp - 8 [26,37,39],RP-1 [37];和hydrazine-based燃料包括一甲基肼(嗯)29日,39,53,57,58)和不对称二甲肼(UDMH) [35,51)作为燃料,红发烟硝酸(RFNA) [57),抑制红发烟硝酸(IRFNA) [26,39,58)和过氧化氢(23,26)作为氧化剂,甲基纤维素(MC) [25,35,51,59- - - - - -61年),乙基纤维素(EC) (35),丙基纤维素(PC) (32,33羧甲基纤维素(CC) [],35),羟丙基纤维素(HPC) (39,53,57),羟乙基纤维素(HEC) [26),羟甲基纤维素(HMC) (35),hydroxypropl methylceulluose (HPMC) [29日,59],tetraglyme [53),丙二醇(35),(气相法白炭黑26,27,29日,30.,37,39,53,58与二甲苯[],thixatrol圣38,40,45,62年],气溶胶[50),瓜尔胶(50),琼脂糖(30.),聚乙烯吡咯烷酮(PVP) [30.,63年),和混合30.,63年与琼脂糖或气相法白炭黑的PVP作为胶凝剂根据凝胶推进剂的过程。

在选择凝胶推进剂,值得注意的是,尽管绿色燃料的需求不断增加,有毒物质仍被认为是用作火箭燃料,因为凝胶阶段燃料的优势相比,改善安全性和导致减少蒸发液态燃料。这些组合不同的胶凝剂和推进剂列于表1。有些是有机材料,更有效地增加焓比推进剂燃烧过程中稠化剂与无机以及。在凝胶过程中添加更多的胶凝剂比要求将增加凝胶的粘度特性,使它更加难以喷雾和分裂,降低推进剂的焓。因此,胶凝剂的重量百分数在凝胶过程中是一个关键因素。因此,足够的重量百分比为胶凝剂以前也添加到表,其中大部分占一小部分在推进剂(平均约4%)。

关于过氧化氢凝胶,形成方法、流变行为,使用过氧化氢作为自燃凝胶推进剂的可行性进行了调查(23,24,26,31日- - - - - -34,39]。乔蒂和门敏23]报道过氧化氢的形成凝胶的胶凝剂气相法白炭黑和测量凝胶推进剂的流变特性,包括剪切稀化和触变行为。他们发现,过氧化氢凝胶具有触变特征没有显著的变化,根据一定的温度变化范围。过氧化氢的触变行为凝胶也观察到拉希米et al。26]在凝胶过程中几种氧化剂和燃料实验室凝胶中推进技术研究。自燃凝胶推进剂组合、催化剂或自燃物质对过氧化氢燃料凝胶化过程,这是吸引重要的几个研究小组的兴趣(24,31日- - - - - -34]。康奈尔大学等。27,34)制造和测试凝胶n-dodecane等碳氢化合物燃料,正庚烷和煤油粒子混合物包括硼氢化钠(NaBH₄),这是一个与过氧化氢自燃物质,和调查的点火延迟特征H₂O₂/燃料混合物。Shoaib et al。31日,33)准备酒精等家庭燃料乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇,然后与有机胶凝剂稠化丙基纤维素和自燃添加剂和过氧化氢。随后研究了点火特征。乙醇燃料是稠化纤维素衍生物含有高能纳米颗粒和金属催化剂、氯化铜等含水(CuCl₂h·2₂O)乙酰丙酮和锰(C₁₀H₁₄MnO₄),点火时间检查与过氧化氢的自燃二元燃料系统(32]。这个测试也重复ethanolamine-based燃料的稠化与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和(SiO气相法白炭黑₂包含精力充沛的材料)。这个测试了相同的催化剂自燃与过氧化氢(测试63年]。•et al。(24]研究了煤油的凝胶与合适的胶凝剂和硼氢化钠对过氧化氢的自燃点火,点火时间测量。Volker Weiser et al。50)观察双组元推进剂液滴燃烧的稠化mono - - -其中包括硝基甲烷/过氧化氢混合单元燃料,硝基甲烷,渗铝JP-1,标准异辛烷,和煤油作为燃料和过氧化氢,RFNA,硝酸铵,或与水混合物作为氧化剂与气溶胶和瓜尔胶等胶凝剂。这些研究成功地展示了形成、流变行为和可行性,使用过氧化氢在自燃凝胶凝胶推进剂组合。然而,尽管通常用于催化剂分解过氧化氢,研究集中在凝胶阶段过氧化氢的分解和燃烧推进系统。在这方面,初步测试过氧化氢凝胶可以说是必要的。过氧化氢凝胶制备基于前面的制造过程(23利用纤维素作为胶凝剂,占5 wt %的推进剂测试。

2.2。推进器的设计

在各种可能的混合火箭推进剂,比如一氧化二氮(N₂O)、四氧化二氮(N₂O₄)、液体(LO₂(去)和气体氧气₂)和过氧化氢(H₂O₂)作为氧化剂和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、端羟基聚丁二烯(HTPB)、聚乙烯(PE)、聚丁二烯(PB)、聚氯乙烯(PVC)和石蜡作为燃料,H的推进剂组合₂O₂在这项工作/聚乙烯被采用,因为过氧化氢作为氧化剂有几个优点。

它具有较高的密度,提高density-based特定脉冲性能和减少氧化剂的大小柜的大约一半的火箭使用一氧化二氮为氧化剂(64年]。这是一个可贮存推进剂液体,减少繁重的关于存储液态氧等绝缘比低温推进剂。此外,与四氧化二氮不同,它是一个环保推进剂的副产品,氧气和水蒸气造成一些生态风险。分解过程在室温下就可以开始与一个合适的催化剂,如下面的方程所示,它由热能2884焦每千克100 wt %过氧化氢。

此外,在火箭级过氧化氢的分解温度(如749°C 90 wt % H₂O₂)是高到足以促进上述燃料的自燃,这近似为溶胶- 460°C, 340°C的HTPB, 350°C的PE、PB 420°C, 560°C PVC,石蜡200°C。固体燃料颗粒的混合火箭发动机燃烧室应具备足够的热强度防止逃避室没有足够燃烧操作期间,作为这种现象降低燃烧效率(65年]。聚乙烯不仅方便和可处理的低成本而且热强大到足以维持其燃烧室结构,因为它表现与过氧化氢在先前的研究9- - - - - -11,18,66年,67年]。

推进器的设计过程是由计算理论推进剂的燃烧性能,基于化学平衡分析。化学平衡的应用程序(CEA)代码(68年)由美国宇航局用于估计性能。理论比冲量、燃烧温度和特征速度在一个冰冻平衡计算和最优扩张条件推进剂组合,过氧化氢和高密度聚乙烯。此外,胶凝剂重量百分数调整从0到10%在不同腔压力理解两个变量对性能的影响。燃烧室压力有显著的影响在特定的冲动,但不是在其他属性。因此,在属性中,只有理论比冲量是根据压力图1。随着有机胶凝剂作为燃料,在oxidizer-to-fuel()比图中包括胶凝剂作为燃料。因此,除了上面的胶凝剂的最佳价值的比率,如7.5 20条的燃烧压力,降低特定的脉冲性能,反之亦然时低于最优值。这个数字说明了胶凝剂的重量百分数的影响对性能不发音,尤其是当附近的比率是最佳条件,的最佳比例变化取决于燃烧压力,6到8的范围内。结果描述增加特定的冲动与增加燃烧压力,但考虑到高压力降在喂养行特别是当凝胶推进剂,并不是为了带来燃烧室压力高于典型的这些小规模的推进系统11,67年,69年]。因此,决心在这个工作有20条。自整洁凝胶推进剂的性能基本上是相同的最佳oxidizer-to-fuel比附近的7.5(例如,232.6和232.2年代特定的冲动,1602和1607 m / s的速度特性,和2720和2727 K燃烧温度),只有一个设计点(凝胶)的最佳条件被认为是整个设计过程的混合火箭应该是为每个测试案例的整洁和凝胶推进剂。估计价值的比冲量和目标推力为250 N,所需的氧化剂流量计算110 g / s。

除非有一个额外的流量控制设备(如空泡文丘里管)抑制下游对上游压力的压力的影响,一个氧化剂流量是由进料压力和燃烧压力之间的区别。同时,燃烧室压力波动可能会影响氧化剂流量,导致燃烧不稳定。这种现象一直是一个关键问题在pogo方面不稳定,在极端情况下燃烧压力之间的正反馈和推进剂流量最终会导致系统失败,尤其是当室结构的固有频率匹配的振动推进剂流量和燃烧压力,和发生共振。因此,应该采用一个注射器阻尼器作为一种压力。抑制燃烧室压力波动的影响流量,注入器将产生的压降等于5 - 20%,在美国商会(70年]。基于所需的氧化剂质量流量对推力一代,所需的喷射孔面积估计下面的方程喷油器流量系数,喷油器孔总面积,是流体密度,注射器压差。

与目标注入器压差作为燃烧室压力的15%,氧化剂的密度,和流量系数,所需的喷射孔面积估计为5.02毫米²,喷射器设计440年33孔μ米直径showerhead-type喷射器。

在催化剂反应器中,氧化剂分解的催化剂在足够高的温度下的自燃燃料。催化剂反应器的大小决定了氧化剂流量将被分解,这很重要,因为反应堆规模小于最优不足导致推进剂的分解;另一方面,索取催化剂减少推进器效率由于额外的压降造成的额外的催化剂。由一个和Kwon催化剂能力建议19)和(71年),可分解的推进剂流量/催化剂反应器体积,用于确定适当的催化剂床的大小。催化剂MnO的能力_x/铝₂O₃据报道在2.5 - -2.6范围内g / (s·厘米³)的引用(22,72年,73年),但催化剂2.0 g / (s·厘米的能力³)被认为是在这工作一个超大号的反应堆凝胶推进剂将有更少的分解效率。催化剂床的长度33毫米一个圆柱体的形状,直径45毫米。

由于混合动力推进器的特点是低燃料混合回归率和效率低下,有多余的房间,预处理和二次燃烧室等提供再循环区,减轻这些问题,提高燃烧效率。由于复杂的燃烧现象描述混合推进器,回归的燃料一般基于经验数据估计下面的公式的形式,建议在74年),代表推进剂燃料港口和质量流量燃料颗粒的轴向位置的常量 , ,和根据燃烧特性。

然而,回归率主要受质量流量而不是轴向位置的轴向位置和参数可以省略。在这项研究中,实验回归率出现在前一个工作65年)如下所示被用作基线,在哪里平均氧化剂质量流量在燃烧燃料港口。

燃料的燃料被认为是一个单独的端口设计,由一个地区两倍喷嘴喉部按照文献[69年),然后计算长度所需的端口。参考还讨论了预处理和二次燃烧室的设计,直径的三倍的内径燃料港口。同时,二次燃烧室的长度是八分之一的燃料颗粒的长度。按照推荐的设计过程中,燃料港口设计内部直径15毫米,外直径45毫米和275毫米的长度。预处理和二次燃烧室有相同的直径作为燃料的外径,长度的18毫米和34毫米,分别。

60度的喷嘴设计融合部分收缩半角和15度锥形扩张半角在不同部分,依照建议在以前的工作70年,75年]。假设一维等熵流通过喷嘴的设计压力20条喷嘴入口和1条在出口处以及燃烧产品的比热容比估计的东航,预计在喷嘴出口速度2.5马赫。此外,考虑到燃烧温度和比热容比,理论特征速度估计,然后确定所需的喷嘴喉部直径是11毫米。这个估计是基于理论和实验特征速度方程。最后,喷嘴出口设计最优扩张,喷嘴出口的比例和喉咙是3.8。

对过氧化氢分解的催化剂活性物质影响,有多种选择,如铂(19,76年- - - - - -82年],铱[20.),氯化亚铁83年,银84年- - - - - -86年),和二氧化锰10,11,18,22,66年,73年,81年,87年]。在这项研究中,二氧化锰作为活性物质,因为它表现出过氧化氢分解效率高,而且相对容易以低成本制作的。不同种类的硅、碳和氧化铝作为催化剂是可能的候选人的支持,但伽马氧化铝最终选择阶段,因为它不仅具有足够高的表面积的催化剂反应而且耐用性在高压和温度环境。此外,它具有良好的可靠性和兼容性与活性物质的报道(10,11,18,22,66年,73年,81年,87年]。

催化剂载体应具备适当的尺寸,因为催化剂的大小对推力器性能有影响。如果催化剂支持太小,即使它有一个高的表面积,促进化学反应和良好的分解效率,会有高压反应器的催化剂。另一方面,如果太大的支持,就没有足够的燃料分解效率。因此,在第一阶段的催化剂制造、γ氧化铝颗粒被地面和编织一个适当的大小,这是10到16网(1.19 - -2.00毫米),本研究基于良好的性能报告在以前的工作10,69年]。氧化铝载体是用水洗碎和放置在一个对流烤箱24小时,装货前的活性物质使用40 wt %高锰酸钠溶液作为前体。氧化铝的支持解决方案是干的湿对流烤箱120°C的24小时,之前投入500°C炉为5小时的煅烧过程燃烧不良的有机材料潜在的支持。最后,催化剂又用水洗和干对流烤箱以120°C的24小时。制造催化剂被插入到催化剂反应器的推进器。一幅画的设计推进器如图2,规范是列于表2。

3所示。系统设置和实验测试

设计推进器与坦克制造和集成,阀门、供给线,传感器和数据采集系统的实验测试。以来的一个主要的潜在应用凝胶混合火箭是一个体育校本探空火箭,一个独立的推进系统配置尽可能的简单。这也是可取的决定这一推进概念在实际的可行性的初步测试中系统配置以及避免潜在的困难时重用喂线凝胶推进剂故障。复合罐提供有效的存储pressurant和氧化剂的放空喂养系统。水箱内部体积的1.1升的最大允许压力300酒吧,这是一个高压复合缸基于碳和玻璃纤维增强铝衬管由INOCOM制造有限公司有限公司,韩国。90坦克第一次充满了氧化剂、wt %的液体,过氧化氢和凝胶阶段,分别针对每种情况,然后剩下的体积充满pressurant。pressurant是氮气纯度99.99%的初始填充压力约35条。提供线,0.035英寸厚,由316不锈钢管3/8英寸大小。喂养系统由罐进口的球阀坦克充电,安全阀影响安全操作子50巴压力,和一个气动阀连接到电磁阀为系统操作激活触发信号。

压力和温度传感器被用来理解推进剂流量、催化剂性能、燃烧效率和推进器的性能。六罐入口之间的压力传感器被安装和二次燃烧室。至于氧化剂流量的测量,流量测量设备,如孔板或文丘里管,并不添加到系统,因为这六个压力传感器估计氧化剂质量流率就够了,一个恒定的流量系数的假设下的喂线,由于已知初始氧化剂质量的存储。简单的系统配置,没有额外的流量计也可取的方面提供每个实验的同等条件下尽可能降低推进剂的不同粘度的影响。PSH模型压力传感器,从Sensys购买公司,安装测量压力罐入口,催化剂反应器,预燃和二次燃烧室。传感器是已知0.054%精度测量压力的上限70条。燃烧温度预计将达到约2450°C补充燃料室,这是可测量的温度范围内的任何类型的热电偶。然而,催化剂反应器温度测量90 wt %过氧化氢的理论分解温度为749°C,这是可测量的温度范围内的热电偶。测量温度的催化剂反应器,k热电偶被使用,这是一种最常用的温度传感器,也容易在低成本。操作温度的热电偶是-270°C到1370°C 0.025°C决议-27°C到1150°C和0.1°C决议-220°C到1370°C。 Accordingly, only the temperature at the catalyst reactor was to be measured during the firing test, not the postcombustion chamber temperature, as the catalyst temperature measurement was essential to determine the decomposition efficiency of the propellant in the catalyst reactor. At the same time, the characteristic velocity based on the pressure measured in the postcombustion chamber could be used to evaluate thruster performance if needed. The pressure and temperature signals from the sensors during operation were obtained using a data acquisition system produced by National Instruments Co., Ltd. The thruster was manufactured with stainless steel 316, and the fabricated manganese dioxide catalyst, based on gamma alumina support, was inserted into the catalyst reactor. High-density polyethylene fuel grain was located in the combustion chamber, and a graphite nozzle was located inside the nozzle case. The integrated propulsion system was installed at a thruster test stand with the thruster set horizontally and the rest set vertically, as shown in Figure3。使用准备推进系统、整洁和凝胶过氧化氢作为氧化剂进行了测试,从Habo购买的液体形式的化工有限公司,中国。出于安全目的,电磁阀是由操作员从长途和气动阀由电磁阀的信号,当一种成像装置记录推进器操作。

4所示。实验测试结果和讨论

混合动力推进器的性能测试进行了使用整洁凝胶90 wt %过氧化氢,和测试结果如图4- - - - - -7。成功的整洁的过氧化氢,自燃发生如图4(一)。如图4 (b)然而,分解凝胶推进剂未能自燃燃料,这表明劣质凝胶推进剂的分解效率。

压力和温度记录在操作过程中给出的数字5和6分别对整洁和凝胶推进剂。在压力测量在六个不同的点,只有三个测量压力数据被吸引的人。温度测量在三个不同的催化剂反应器,以确定其有效性方面的大小和分解效率。

图中描述5的摄食压力测量槽入口称为“P1”逐渐减少在操作过程中从最初的压力大约35条的氧化剂是美联储通过放空喂养系统,即。的氮气被用作pressurant扩大在压力和减少氧化剂油箱被消耗了。预燃室的压力“P2”和二次燃烧室内压力“P3”也逐渐减少,但“P3”曲线变化较少,因为压力积累在precombustor阻止从满溢的氧化剂,它是由大罐之间的压力差和推进器的上游部分早期的射击。在操作期间,平均压力记录在预处理和二次燃烧室18.4条和15.2条,分别。在图5预处理和二次燃烧,燃烧室压力曲线附近的4 s马克还提供信息混合火箭推进系统的点火延迟特性。液体氧化剂流大约4 s包括点火延迟约0.4秒,和燃烧持续了大约3.6秒。手术期间总燃料燃烧质量36.3克,和氧化剂储存在坦克的初始质量360.0克;因此,油耗率和平均氧化剂流量大约10.1 g / s和90.0 g / s,分别。结果,在整洁的推进剂,发射测试期间平均oxidizer-to-fuel比率为8.9,略高于设计的比率为7.5。在凝胶推进剂的情况下,燃料不是自燃由于燃料不足分解效率和燃料消耗,而氧化剂流量几乎一样的整洁的推进剂。时间平均压力在预处理和二次燃烧室操作中5.1条和1.8条,分别较低的其中一个是或多或少一样堵塞喷嘴的压力,说明它已经几乎保持了扼流。

的温度资料,试验结果证明了催化剂反应器是超大的,当温度“T2”测量中间的催化剂反应器中温度最高的催化剂反应器的温度得到如图5。这个结果表明催化剂床的一部分从“T2”是“T3”是不必要的,因为它只能产生额外的压降在分解氧化剂在催化剂床操作。然而,目的为了测试与凝胶推进剂混合火箭发动机,预计需要索取反应器催化剂。记录温度最高的催化剂床是747°C,这是几乎一样的绝热温度90 wt %的过氧化氢,749°C,确保足够的分解效率的二氧化锰/氧化铝催化剂。然而在凝胶推进剂的情况下,最高温度为139°C,这远远低于整洁的推进剂。这是不足以促进燃料的自燃,高密度聚乙烯,因为它有一个点火温度大约380°C。但在这种情况下,最高温度测量催化剂反应器中所提到的“T2图”6。这意味着催化剂反应器的大小不小于凝胶所需的推进剂。事实上,它相当的温度T3”显示减少下游方向的温度的催化剂床“T2”测量。

而不完全分解的凝胶推进剂可能源于几个技术问题,这个结果清楚显示这是催化剂床的大小无关。可能的原因可能与以下有关:凝胶推进剂的形成方法、流变行为、雾化特性、喷射器性能,催化剂分解与凝胶推进剂效率和兼容性问题,关于燃料和燃烧特征。其中一些问题在先前已报告提到的凝胶推进剂的研究。

关于凝胶推进剂的形成方法,纤维素是一种最常用的胶凝剂对各种燃料如表所示1。然而,有许多替代胶凝剂与不同的重量百分比。更大数量的胶凝剂的粘度增加推进剂,不但影响了雾化行为也推进剂的焓不管它是一个有机或无机胶凝剂。在这方面,可以说是明智的尝试不同的胶凝剂不同重量的百分比来优化这种凝胶特性、流变特性、雾化和分解效率。此外,作为凝胶推进剂触发下液化剪应力在初始流在途中补给线喷射器,重新设计喂线效果足够的剪切应力是另一个选项,可以消除这个问题。喷射器的设计在这方面也可以修改。然而,尽管可以提高凝胶推进剂的雾化使用其他类型的喷油器,如冲击射流喷射器(46,55,56,62年)和漩涡注射器(47,88年,89年),这些注射器应小心使用,特别是在小型推进器催化剂床,因为它们可能增加所需的体积损耗之间的注射器和催化剂床,它有一个负面影响thrust-to-weight比率,如前面所述的研究(71年]。

即使所有这些挑战是克服基于上面提到的具体技术问题,潜在胶凝剂和催化剂床之间的不相容时不能排除一个或其他不符合一定的要求。作为一个有机胶凝剂、纤维素将导致燃烧室中的燃烧过程并通过喷嘴把推进器作为一个产品的反应,但由于催化剂反应器的温度不足胶凝剂覆盖催化剂的表面可能抑制其活性。图7说明了不同催化剂发射过程后的外观整洁使用凝胶推进剂。而图7(一)显示了一个相对清晰的催化剂,人物7 (b)显示了催化剂在胶凝剂。因此,从这个结果是第一课,如果一个无机材料用作胶凝剂,不能导致燃烧过程,它是不符合一个推进器催化剂反应器长期运行。

催化剂反应器具有足够高的分解效率和温度影响至关重要的燃烧有机胶凝剂。然而,如图5,即使是整洁的过氧化氢的温度记录大约250°C的一部分催化剂反应器在操作过程中不能保证点火的胶凝剂,纤维素在这项工作。催化剂的某些部分可能比其他的反应堆温度较低,胶凝剂覆盖的部分与不完全燃烧催化剂凝胶混合推进器,可以恶化的催化剂性能的重复性。这种担忧这种系统配置的原始目的:推进系统的长期运行使用过氧化氢凝胶,可存储性有所改善。

因此,凝胶作为推进剂的理想特征用于催化剂点燃推进器是胶凝剂应该是一个有机材料及其点火温度应该足够低,以免保持表面上的催化剂。使用活性胶凝剂与催化剂也是一个选项来绕过这个问题。兼容凝胶推进剂,催化剂反应器温度必须高于胶凝剂的点火温度均匀分布的温度没有低温点,这就需要一个低比例催化剂反应器的设计。催化剂的活性物质,它应该是高活性凝胶推进剂。因此,催化剂设计使用multiactive材料不仅方便简洁的推进剂分解还提供即时点火或分解的胶凝剂在接触应该是有益的。相反的非均相催化剂安装在反应堆,使用齐次消耗品催化剂不断供应也是一个选择凝胶和催化剂反应器之间的兼容性。

尽管测试结果表明困难的使用这种凝胶推进剂在催化剂反应器的状态,根据需求进行了初步测试作为基准,进一步的研究是需要找到合适的凝胶条件和催化剂的正常工作,这将使凝胶分解可行的使用范围广泛的凝胶推进系统应用程序。

5。结论

过氧化氢作为燃料的主要弱点可以说是长期存放,如仍有担忧其稳定性由于self-accelerated分解的潜在问题,这是由于有限的纯度和储存温度。由于凝胶推进剂液体推进剂的可存储性,增强过氧化氢凝胶制备和测试工作。确定使用凝胶推进剂的可行性,特别是作为氧化剂混合火箭与更大的稳定性,初步测试以过氧化氢和催化剂混合点燃推进器进行了凝胶。混合动力推进器制备和性能测试使用过氧化氢的两个不同阶段。而整洁的过氧化氢表现出充分的分解效率通过二氧化锰/氧化铝催化剂和成功自燃燃料颗粒通过分解产物的凝胶推进剂表示可重用性的催化剂分解不足和困难。此外,在整洁的推进剂,催化剂反应器表现良好,但催化剂的一部分记录温度低于所需的点火胶凝剂。这解决的潜在困难使用凝胶推进剂在推进器催化剂反应器和催化剂反应器的设计要求为未来的应用凝胶推进剂没有问题。本研究首次报道的结果使用催化剂的凝胶推进剂点燃推进器应用程序。作为凝胶分解,这是一个初步的测试实验数据不是决定性的,但它清楚地表明一个凝胶推进剂的要求和催化剂的反应器与凝胶推进剂兼容。额外的测试采用多功能催化剂活性材料和更多的活性胶凝剂建议使用凝胶分解为各种推进系统应用程序和它的长期操作。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的高级研究中心项目(NRF - 2013 r1a5a1a1073861)韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府(科技部ICT)通过先进的空间推进首尔国立大学的研究中心。