自燃型离子液体推进剂液相点火及混合机理研究

发布时间：2020-06-19 12:19

【摘要】：自燃型液体火箭发动机无需点火系统,广泛应用于卫星、导弹及其他航天器的动力系统。传统自燃型液体火箭发动机燃用MMH(甲基肼),UDMH(不对称二甲基肼)等肼类燃料,具有高毒性及存储安全风险的特点,因而近年来各航天大国均开展了肼类燃料绿色替代计划。论文针对新型自燃含能离子液体推进剂的液相混合及起燃过程开展起燃过程液相流动及自点火机理,推进剂组合优选及对碰射流数值仿真研究,取得的主要学术创新点如下:1)发现了新的液体自燃推进剂点火现象。设计并搭建了离子液体与氧化剂的自点火实验研究平台,实现了不同速度离子液体液滴与氧化剂碰撞自点火过程液面混合的微观图像及火焰形貌的宏观图像的同步采集。结果表明不同含能离子液体与氧化剂液相对碰后出现了三种自点火的模式,即碰撞后(a)产生大量飞溅二次液滴的微爆点火模式,(b)形成Leidenfrost层的中间产物气层点火模式,以及(c)液滴液池聚合后的浸没点火模式。其中对于某些(c)类型点火模式观察到的超快库仑爆炸点火现象,在国际自燃推进剂研究领域未有文献报道;2)优选出了两种具有潜力的绿色含能离子液体。定量获得了多种不同含能离子液体的点火性能参数,如库仑爆炸延迟时间、微爆延迟时间、点火延迟时间、火焰面积等。发现了库伦爆炸延迟时间与离子液体阳离子侧链长度的依赖关系及阳离子不饱和度对点火延迟时间的影响规律,阐明了离子液体突破瑞利不稳定性极限并实现库伦爆炸的机理。评估了离子液体-氧化剂组合的自点火及有无固体产物表现,优选出两种性能最佳的推进剂组合,有望用于替代传统高毒性肼类燃料;3)探索了对称双股对碰射流混合及破碎过程液膜、液带及液滴的形成过程。基于Fluent进行双股射流对碰的仿真计算,采用VOF耦合Level Set的方法,计算2ms内的瞬态过程。观察到液膜、液带及破碎液滴的形成,发现当碰撞角为80°时,射流雾化效果更好,为后续实际不对称物性的自燃离子液体推进剂射流对碰实验和模拟研究提供参考。
【学位授予单位】：西安交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V511
【图文】：

反应过程,产物,硝酸

.2 国内外相关研究现状1.2.1 自燃液体推进剂研究现状Wang[5]等通过实验方法研究了 MMH 与硝酸的之间的反应，总结得到两者的反程如图 1-1 所示。用高速摄像机记录下燃料液体滴落在硝酸液池后的反应过程，液相和气相反应区域布置热电偶用于记录反应过程中的温度变化。结果表明反应温度变化分为以下三个阶段：第一阶段时温度由室温迅速升至沸点，第二阶段时从沸点到 280℃相对缓慢地升高，第三阶段时温度从 280℃迅速升温到火焰温度。结合快速扫描傅里叶转换红外（FTIR）光谱和飞行时间质谱（ToFMS）探测在这阶段中 MMH 和硝酸之间的气相中间产物。第一阶段涉及液相反应，形成离子化硝酸甲基肼（MMH HNO3），以及氧化产物硝酸甲酯（CH3ONO2），甲基叠氮化CH3N3），N2O，H2O 和 N2。第二阶段形成气溶胶云团，主要由硝酸甲基肼组成。阶段涉及导致点火的快速气相反应，是由硝酸的热分解引发的，监测到的物质包2O，HONO，CH3ONO2，CH3ONO，CH3N3，CH3OH，CH3NH2，CH4，N2O，NO2和少量 HNCO，NH3，HCN 和 CO2。

氧化剂,液滴,现象,碰撞角

1 绪论Forness[6]等研究了几种燃料液滴（MMH，TEDMAZ）与氧化剂液池（WFNA（WFNA），RFNA（RFNA））以不同碰撞速度和碰撞角度接触后的反应过程，以量化液相反应并对产生的碰撞结果进行分类，获得的碰撞结果如图 1-2 所示。通过实验观察得到了三种不同的碰撞类型：爆炸，弹跳和飞溅，并且发现碰撞类型取决于韦伯数（We）和碰撞角度。飞溅现象发生在 We>250 时，与碰撞角度无关。当 We<250 并且碰撞角度<7°时发生爆炸，如果碰撞角度>7°，则导致弹跳。同时发现不同的碰撞形式会导致不同的气体产生速率和不同程度的雾化效果，这会进一步对混合物的点火性能产生影响。实验首次测量了 MMH 与 RFNA 从接触到开始产生气相产物之间的延迟时间为 20~200ms。

【参考文献】