【摘要】：二硝酰胺銨(Ammonium dinitramide,ADN)是一種水溶性很好的高能綠色無機鹽,其毒性低,對環(huán)境污染小。將其作為氧化劑與甲醇(Methanol,CH_3OH)溶于水可以配置成ADN基液體推進劑,被認(rèn)為有潛力取代使用廣泛的單組元液體推進劑無水肼,應(yīng)用于衛(wèi)星的姿控發(fā)動機之中。本文針對ADN基液體推進劑的燃燒特性及其應(yīng)用開展了相關(guān)的研究,綜合運用實驗研究、理論建模、模擬仿真等手段,系統(tǒng)地研究了推進劑從液相變?yōu)闅庀嗟恼舭l(fā)熱解過程、詳細的氣相化學(xué)反應(yīng)機理、推進劑燃燒的火焰結(jié)構(gòu)以及其在真實姿控發(fā)動機推力室內(nèi)部的燃燒過程等四個主要問題。首先,針對ADN基液體推進劑由液相變?yōu)闅庀嗟恼舭l(fā)熱解過程,使用熱重分析儀和居里點裂解儀分別在均勻慢速升溫和急速升溫這兩種條件下進行了實驗研究,并使用傅里葉變換紅外光譜分析儀測量產(chǎn)物氣體的組分和濃度。實驗結(jié)果表明,在推進劑由液相變?yōu)闅庀嗟倪^程中,甲醇和水發(fā)生蒸發(fā)過程,而ADN發(fā)生熱解反應(yīng),甲醇的蒸發(fā)過程和ADN的熱解過程并不同步。為進一步分析ADN基液體推進劑的氣相燃燒過程,建立了包含50組分235步化學(xué)反應(yīng)的ADN-CH_3OH詳細氣相化學(xué)反應(yīng)機理,機理中ADN與甲醇之間的相互作用是通過ADN熱解產(chǎn)生的氮氧化物氣體小分子對于甲醇及其生成的含碳自由基的氧化過程來實現(xiàn)的。同時結(jié)合已有的實驗數(shù)據(jù)對化學(xué)機理進行了驗證。進一步,比對真實姿控發(fā)動機推力室的結(jié)構(gòu)和尺寸,搭建了使用ADN基液體推進劑的模型燃燒室實驗平臺。在此平臺上,以去離子水為介質(zhì),詳細研究了噴注器的噴注霧化效果和液體在催化床多孔介質(zhì)內(nèi)的滲透流動過程。針對推進劑在常壓條件下的燃燒過程,研究了催化床內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ミ^程和下游燃燒室內(nèi)的火焰形態(tài),測量了燃燒室內(nèi)沿火焰軸向的溫度分布;比對詳細氣相化學(xué)反應(yīng)機理模擬得到的一維預(yù)混燃燒火焰的計算結(jié)果,總結(jié)出ADN基液體推進劑燃燒的火焰結(jié)構(gòu)。針對姿控發(fā)動機推力室內(nèi)部的燃燒過程,開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)值模擬方法,以Fluent軟件作為求解器,研究了使用ADN基液體推進劑的姿控發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)運行工況和脈沖運行工況下推力室內(nèi)部的流動燃燒情況,并結(jié)合熱試車實驗結(jié)果對發(fā)動機運行過程中推力室內(nèi)發(fā)生的物理化學(xué)過程進行了討論與分析。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：V511

【參考文獻】

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本文編號：2706749