二硝酰胺铵（ADN）基液体推进剂催化分解及高压燃烧反应的试验与计算研究

发布时间：2020-10-08 21:41

　　二硝酰胺铵(ADN)基液体推进剂作为一种高性能、绿色无毒、可存储的新型推进剂,代表了空间化学推进技术的一个新的研究方向和发展趋势。ADN基推力器内催化分解和高压燃烧过程的研究,对于提高推力器性能,实现卫星推进系统的预包装,提高我国卫星发射的快速响应能力等都具有重要意义。本文以1N级ADN基液体推力器为研究对象,采用星载ADN基液体推进剂,通过试验和仿真方法对推力器内催化分解和燃烧特性进行了研究。搭建了 ADN基推力器真空点火试验平台。该平台主要包括储箱及其管路系统,推力器台架系统,真空舱系统,图像采集和数据测量系统,以及尾气后处理系统。建立了基于可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)技术的ADN基推力器燃气组分及温度试验系统,并对ADN基推力器燃烧过程中的CO组分及温度测量信号进行了分析。对试验测试用的传感器进行了标定与性能测试工作。采用ADN基推力器的实际点火试验,对催化颗粒性能进行了测试。在建立的试验平台基础上对ADN基推力器在开机启动过程中催化床、燃烧室区域的壁面温度和燃气压力进行了测量,同时采用TDLAS技术对开机启动过程中推力器内的燃气温度和CO组分浓度进行了测量。对试验测试获得的燃烧室内燃气压力、燃气温度和CO摩尔分数进行了函数拟合,得到了经验模型。考虑了 ADN基推力器燃烧过程中的雾化、蒸发、多孔介质区传热传质流动、ADN催化分解及甲醇燃烧机理等子过程,建立了可描述ADN基推力器工作过程的数学模型。借助PDA试验获得的ADN基推进剂雾化特性结果,为ADN雾化模型提供了边界条件。采用了 19步简化反应模型来描述ADN催化分解和燃烧反应过程。对推力器的组成及各部分结构参数,以及边界条件的设置进行了介绍,并对ADN催化分解及高压燃烧反应模型进行了验证。采用建立的ADN基推力器燃烧过程数学模型对推力器工作过程进行了仿真计算。首先通过对标准工况下的工作过程进行仿真获得的推力器内燃气压力、燃气温度以及关键化学组分空间分布特性进行了分析。然后,基于仿真方法研究了推进剂喷注压力和催化床预热温度对推力器工作性能的影响,从推力器内部压力、温度以及关键组分空间分布特性出发,探讨喷注压力和催化床预热温度对ADN基推力器影响的作用机制。开展了推力器主要结构参数(催化床直径、燃烧室长度和催化床孔隙率)对推力器催化分解和燃烧特性、推力器比冲影响的仿真研究。通过对推力器内部各关键组分的分布特性来探讨分析不同结构参数对推力器性能的作用机制。结果表明,本文建立的模型可以获得与试验接近的压力与温度预测结果,CO浓度的预测结果也与试验结果处于同一数量级。提高喷注压力和催化床预热温度可有效提高燃气压力和温度值,有效提高推力器的比冲。催化床直径、燃烧室和孔隙率等结构参数对推力器的性能也有重要影响。其中孔隙率和催化床直径的变化会通过影响有效比表面积来影响分解反应特性。催化床固相质量和流阻的变化也会影响催化床的温升特性进而对催化分解特性产生影响。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V511
【部分图文】：

模型图,推力器,模型,催化床

极大提高我国卫星发射的快速响应能力，对国民经济的发展和国家安全的逡逑保障都具有重要意义。逡逑图１＇－１是一个１Ｎ推力的ＡＤＮ基推力器示意图。其中一个典型的ＡＤＮ基液逡逑体推力器包括电磁阀、喷注器、催化床、燃烧室及喷管五个部分。逡逑热电偶逡逑耐高温催化床逡逑图１－１邋ＡＤＮ基推力器模型逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋ＡＤＮ邋ｂａｓｅｄ邋ｔｈｒｕｓｔｅｒ邋ｍｏｄｅｌ逡逑１逡逑

反应区结构,推力器

图１－２邋ＡＤＮ基推力器的反应区结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｚｏｎｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＡＤＮ邋ｂａｓｅｄ邋ｔｈｒｕｓｔｅｒ逡逑图１－２表征了其内部催化分解及燃烧反应区的细节。ＡＤＮ基液体推力器的工作逡逑过程可以描述为：ＡＤＮ基液体推进剂由雾化喷嘴喷入推力器内部；首先经过预热逡逑段，使得液体推进剂蒸发，增大与催化剂接触的表面积；通过预热段后，推进剂进逡逑入催化床，在催化剂颗粒表面发生ＡＤＮ的催化分解反应，产生大量Ｎ0２、Ｎ２０以及逦．逡逑ＮＯ等具有氧化性的小分子中间产物，释放部分热量；反应物通过催化床后，进入逡逑燃烧室，具有氧化性的Ｎ０２、Ｎ２０以及ＮＯ等组分与推进剂中的甲醇发生燃烧反应，逡逑进一步释放热量；最后，高温高压的燃气通过喷管喷出，产生推力。逡逑由液体ＡＤＮ基空间推力器的工作过程可以得到如下两个显著特点：首先，逡逑ＡＤＮ基液体推进剂会经历一个催化分解的过程，这与大多数液体推进剂的反应过逡逑程有所不同；其次

分子结构式,基液

Ｆｉｇ．邋１邋－３邋ＡＤＮ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑在常温常压下，ＡＤＮ是一种白色固体的络合物盐，由氨基阳离子（ＮＨ４＋）和逡逑二硝酰基阴离子（Ｎ（Ｎ０２）厂）组成，其结构式如图１－３所示［ＩＡＤＮ的熔点为９３°Ｃ，逡逑在大约１５０°Ｃ时会发生热分解。ＡＤＮ在水以及其他一些极性溶剂中有很好的溶解逡逑性，但是在非极性溶剂中几乎不溶。由于ＡＤＮ具有水溶性好的特点，可以将其配逡逑成水溶液，再添加适当的燃料，形成ＡＤＮ基液体混合推进剂。通常的ＡＤＮ基液逡逑体混合推进剂由ＡＤＮ、燃料组分（如甲醇、乙醇等）和水组成。最早的ＡＤＮ基液逡逑体推进剂是１９９７年瑞典推出的代号为ＬＭＰ－１０１的ＡＤＮ基液体推进剂（６１％ＡＤＮ、逡逑２６％水和１３％丙三醇）［９］。逡逑与传统的肼类单元推进剂相比ＡＤＮ基液体混合推进剂具有以下优点：逡逑高性能：由于ＡＤＮ基液体推进剂能量密度高，同样条件下燃烧温度也更高，逡逑相比于肼类单元推进剂，具有更高的比冲及密度比冲。逡逑安全性：ＡＤＮ基液体推进剂在贮存、使用和维护过程中不需要特殊防护措施，逡逑安全性好，易于操作。逡逑环境友好：ＡＤＮ基液体推进剂毒性低，产物污染小。瑞典空间公司利用１Ｎ空逡逑间推力器进行了邋ＬＭＰ－１０１型号的ＡＤＮ基液体推进剂点火试验

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