二硝酰胺銨(ADN)基液體推進(jìn)劑作為一種高性能、綠色無毒、可存儲(chǔ)的新型推進(jìn)劑,代表了空間化學(xué)推進(jìn)技術(shù)的一個(gè)新的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。ADN基推力器內(nèi)催化分解和高壓燃燒過程的研究,對(duì)于提高推力器性能,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的預(yù)包裝,提高我國(guó)衛(wèi)星發(fā)射的快速響應(yīng)能力等都具有重要意義。本文以1N級(jí)ADN基液體推力器為研究對(duì)象,采用星載ADN基液體推進(jìn)劑,通過試驗(yàn)和仿真方法對(duì)推力器內(nèi)催化分解和燃燒特性進(jìn)行了研究。搭建了 ADN基推力器真空點(diǎn)火試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)主要包括儲(chǔ)箱及其管路系統(tǒng),推力器臺(tái)架系統(tǒng),真空艙系統(tǒng),圖像采集和數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng),以及尾氣后處理系統(tǒng)。建立了基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜(TDLAS)技術(shù)的ADN基推力器燃?xì)饨M分及溫度試驗(yàn)系統(tǒng),并對(duì)ADN基推力器燃燒過程中的CO組分及溫度測(cè)量信號(hào)進(jìn)行了分析。對(duì)試驗(yàn)測(cè)試用的傳感器進(jìn)行了標(biāo)定與性能測(cè)試工作。采用ADN基推力器的實(shí)際點(diǎn)火試驗(yàn),對(duì)催化顆粒性能進(jìn)行了測(cè)試。在建立的試驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上對(duì)ADN基推力器在開機(jī)啟動(dòng)過程中催化床、燃燒室區(qū)域的壁面溫度和燃?xì)鈮毫M(jìn)行了測(cè)量,同時(shí)采用TDLAS技術(shù)對(duì)開機(jī)啟動(dòng)過程中推力器內(nèi)的燃?xì)鉁囟群虲O組分濃度進(jìn)行了測(cè)量。對(duì)試驗(yàn)測(cè)試獲得的燃燒室內(nèi)燃?xì)鈮毫Α⑷細(xì)鉁囟群虲O摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行了函數(shù)擬合,得到了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。考慮了 ADN基推力器燃燒過程中的霧化、蒸發(fā)、多孔介質(zhì)區(qū)傳熱傳質(zhì)流動(dòng)、ADN催化分解及甲醇燃燒機(jī)理等子過程,建立了可描述ADN基推力器工作過程的數(shù)學(xué)模型。借助PDA試驗(yàn)獲得的ADN基推進(jìn)劑霧化特性結(jié)果,為ADN霧化模型提供了邊界條件。采用了 19步簡(jiǎn)化反應(yīng)模型來描述ADN催化分解和燃燒反應(yīng)過程。對(duì)推力器的組成及各部分結(jié)構(gòu)參數(shù),以及邊界條件的設(shè)置進(jìn)行了介紹,并對(duì)ADN催化分解及高壓燃燒反應(yīng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。采用建立的ADN基推力器燃燒過程數(shù)學(xué)模型對(duì)推力器工作過程進(jìn)行了仿真計(jì)算。首先通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工況下的工作過程進(jìn)行仿真獲得的推力器內(nèi)燃?xì)鈮毫�、燃�(xì)鉁囟纫约瓣P(guān)鍵化學(xué)組分空間分布特性進(jìn)行了分析。然后,基于仿真方法研究了推進(jìn)劑噴注壓力和催化床預(yù)熱溫度對(duì)推力器工作性能的影響,從推力器內(nèi)部壓力、溫度以及關(guān)鍵組分空間分布特性出發(fā),探討噴注壓力和催化床預(yù)熱溫度對(duì)ADN基推力器影響的作用機(jī)制。開展了推力器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(催化床直徑、燃燒室長(zhǎng)度和催化床孔隙率)對(duì)推力器催化分解和燃燒特性、推力器比沖影響的仿真研究。通過對(duì)推力器內(nèi)部各關(guān)鍵組分的分布特性來探討分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推力器性能的作用機(jī)制。結(jié)果表明,本文建立的模型可以獲得與試驗(yàn)接近的壓力與溫度預(yù)測(cè)結(jié)果,CO濃度的預(yù)測(cè)結(jié)果也與試驗(yàn)結(jié)果處于同一數(shù)量級(jí)。提高噴注壓力和催化床預(yù)熱溫度可有效提高燃?xì)鈮毫蜏囟戎?有效提高推力器的比沖。催化床直徑、燃燒室和孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推力器的性能也有重要影響。其中孔隙率和催化床直徑的變化會(huì)通過影響有效比表面積來影響分解反應(yīng)特性。催化床固相質(zhì)量和流阻的變化也會(huì)影響催化床的溫升特性進(jìn)而對(duì)催化分解特性產(chǎn)生影響。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V511
【部分圖文】：

極大提高我國(guó)衛(wèi)星發(fā)射的快速響應(yīng)能力，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家安全的逡逑保障都具有重要意義。逡逑圖１＇－１是一個(gè)１Ｎ推力的ＡＤＮ基推力器示意圖。其中一個(gè)典型的ＡＤＮ基液逡逑體推力器包括電磁閥、噴注器、催化床、燃燒室及噴管五個(gè)部分。逡逑熱電偶逡逑耐高溫催化床逡逑圖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

圖１－２邋ＡＤＮ基推力器的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｚｏｎｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＡＤＮ邋ｂａｓｅｄ邋ｔｈｒｕｓｔｅｒ逡逑圖１－２表征了其內(nèi)部催化分解及燃燒反應(yīng)區(qū)的細(xì)節(jié)。ＡＤＮ基液體推力器的工作逡逑過程可以描述為：ＡＤＮ基液體推進(jìn)劑由霧化噴嘴噴入推力器內(nèi)部；首先經(jīng)過預(yù)熱逡逑段，使得液體推進(jìn)劑蒸發(fā)，增大與催化劑接觸的表面積；通過預(yù)熱段后，推進(jìn)劑進(jìn)逡逑入催化床，在催化劑顆粒表面發(fā)生ＡＤＮ的催化分解反應(yīng)，產(chǎn)生大量Ｎ0２、Ｎ２０以及邐．逡逑ＮＯ等具有氧化性的小分子中間產(chǎn)物，釋放部分熱量；反應(yīng)物通過催化床后，進(jìn)入逡逑燃燒室，具有氧化性的Ｎ０２、Ｎ２０以及ＮＯ等組分與推進(jìn)劑中的甲醇發(fā)生燃燒反應(yīng)，逡逑進(jìn)一步釋放熱量；最后，高溫高壓的燃?xì)馔ㄟ^噴管噴出，產(chǎn)生推力。逡逑由液體ＡＤＮ基空間推力器的工作過程可以得到如下兩個(gè)顯著特點(diǎn)：首先，逡逑ＡＤＮ基液體推進(jìn)劑會(huì)經(jīng)歷一個(gè)催化分解的過程，這與大多數(shù)液體推進(jìn)劑的反應(yīng)過逡逑程有所不同；其次

Ｆｉｇ．邋１邋－３邋ＡＤＮ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑在常溫常壓下，ＡＤＮ是一種白色固體的絡(luò)合物鹽，由氨基陽離子（ＮＨ４＋）和逡逑二硝酰基陰離子（Ｎ（Ｎ０２）廠）組成，其結(jié)構(gòu)式如圖１－３所示［ＩＡＤＮ的熔點(diǎn)為９３°Ｃ，逡逑在大約１５０°Ｃ時(shí)會(huì)發(fā)生熱分解。ＡＤＮ在水以及其他一些極性溶劑中有很好的溶解逡逑性，但是在非極性溶劑中幾乎不溶。由于ＡＤＮ具有水溶性好的特點(diǎn)，可以將其配逡逑成水溶液，再添加適當(dāng)?shù)娜剂希纬桑粒模位后w混合推進(jìn)劑。通常的ＡＤＮ基液逡逑體混合推進(jìn)劑由ＡＤＮ、燃料組分（如甲醇、乙醇等）和水組成。最早的ＡＤＮ基液逡逑體推進(jìn)劑是１９９７年瑞典推出的代號(hào)為ＬＭＰ－１０１的ＡＤＮ基液體推進(jìn)劑（６１％ＡＤＮ、逡逑２６％水和１３％丙三醇）［９］。逡逑與傳統(tǒng)的肼類單元推進(jìn)劑相比ＡＤＮ基液體混合推進(jìn)劑具有以下優(yōu)點(diǎn)：逡逑高性能：由于ＡＤＮ基液體推進(jìn)劑能量密度高，同樣條件下燃燒溫度也更高，逡逑相比于肼類單元推進(jìn)劑，具有更高的比沖及密度比沖。逡逑安全性：ＡＤＮ基液體推進(jìn)劑在貯存、使用和維護(hù)過程中不需要特殊防護(hù)措施，逡逑安全性好，易于操作。逡逑環(huán)境友好：ＡＤＮ基液體推進(jìn)劑毒性低，產(chǎn)物污染小。瑞典空間公司利用１Ｎ空逡逑間推力器進(jìn)行了邋ＬＭＰ－１０１型號(hào)的ＡＤＮ基液體推進(jìn)劑點(diǎn)火試驗(yàn)

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2 任曉雪;趙鳳起;鄭斌;;ADN推進(jìn)劑的研究發(fā)展[J];飛航導(dǎo)彈;2007年12期

3 趙鳳起,李上文,劉子如,袁潮;俄羅斯二硝酰胺銨(ADN)的熱分解研究[J];飛航導(dǎo)彈;1998年10期

4 王伯周,劉愆,張志忠,廉鵬,朱春華;氨基甲酸乙酯法合成ADN[J];火炸藥學(xué)報(bào);2005年03期

5 張濤;李國(guó)岫;陳君;虞育松;王夢(mèng);;考慮熱彌散效應(yīng)的ADN基無毒空間推力器內(nèi)燃燒過程的數(shù)值模擬[J];火炸藥學(xué)報(bào);2016年02期

6 李恒;任天輝;鐘慶華;鄭飛t

本文編號(hào)：2832792