氧化亚氮推进技术研究进展.pdf

第4 0 卷第2 期火箭推进 V 0 1 4 0 ，2 2 0 1 4 年4 月J O U R N A LO FR O C K E TP R O P U L S I O N A p r 2 0 1 4 一I l i r i i 。 氧化亚氮推进技术研究进展 宋长青，徐万武，张家奇，陈健 ( 国防科学技术大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，湖南长沙，4 1 0 0 7 3 ) 摘要：随着环境保护的加强，人们越来越希望找到一种绿色推进剂来代替现有的肼类 有毒推进剂。氧化亚氮作为一种绿色推进剂，无毒性，地面实验操作处理方便，不需要繁琐 昂贵的防护；常温贮存性，贮箱几乎不需要主动热控制；饱和压力高，可采用自增压方式供 应推进剂；绝热分解温度较高，可作为单组元和双组元发动机的推进剂。分析了氧化亚氮作 为推进剂的性能及其主要应用领域，着重研究其在液体火箭发动机的应用。通过对氧化亚氮 自增压供应系统，单组元推进的催化分解系统，克服催化床限制的氧化亚氮与燃料混合的 N O F B X T M 技术，以及氧化亚氮作为氧化剂的双组元推进系统的国内外研究进展进行综述，指 出当前研究工作中存在的问题，以期为该方面的进一步研究提供一定的参考。 关键词：氧化亚氮；单组元推进剂；双组元推进剂；研究进展 中图分类号：V 51l 一3 4文献标识码：A文章编号：1 6 7 2 9 3 7 4 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 0 7 0 9 R e s e a r c h p r o g r e s so f n i t r o u so x i d ep r o p u l s i o nt e c h n o l o g y S O N G C h a n g - q i n g ，X UW a n - r u ，Z H A N GJ i a - q i ，C H E NJ i a n ( K e yL a b o r a t o r yo nS c r a m j e tT e c h n o l o g y ，N a t i o n a lU n i v e r s i t yo fD e f e n s eT e c h n o l o g y ， C h a n g s h a4 1 0 0 7 3 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：W i t ht h es t r e n g t h e n i n go fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，p e o p l ea r el o o k i n gf o r w a r dt oa g r e e np r o p e l l a n tf o rt h er e p l a c e m e n to ft o x i cp r o p e l l a n ts u c ha sH y d r a z i n e N i t r o u so x i d ei sac l e a n a n dn o n t o x i cp r o p e l l a n t ，w h i c hi se a s yt oh a n d l ef o r 铲o u n de x p e r i m e n t s ，d o e sn o tn e e dc u m b e r s o m e a n de x p e n s i v e p r o t e c t i o n ，c a n b es t o r e di nt h ce n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e ，s c a r c e l yn e e d s t h e r m o c o n t r o lf o ri t st a n k ，a n dh a sh i g he n o u g hs a t u r a t i o np r e s s u r ef o rs e l f - p r e s s u r i z a t i o ns u p p l ya n d h i g he x o t h e r m i cd e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r ea sam o n o p r o p e l l a n to rb i p r o p e l l a n t T h ep e r f o r m a n c e s a n dm a i na p p l i c a t i o n so fn i t r o u so x i d ea r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r ，e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o ni nl i q u i d r o c k e tp r o p u l s i o ns y s t e m s T h er e s e a r c hp r o g r e s s e so fn i t r o u so x i d es e l f - p r e s s u r i z a t i o nf e e ds y s t e m ， c a t a l y t i ct h e r m a ld e c o m p o s i t i o ns y s t e mo fm o n o p r o p e l l a n t ，N O F B X T Mt e c h n o l o g yb l e n d i n gf u e lw i t h N i t r o u so x i d et oo v e r c o m et h el i m i t a t i o no fc a t a l y s tb e d ，a n db i p r o p e l l a n tp r o p u l s i o ns y s t e mt a k i n g n i t r o u so x i d ea c t sa so x i d a n ta r es u m m a r i z e d I nt h ee n do ft h ep a p e r ，t h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h e 收稿日期：2 0 1 3 1 1 - 1 2 ；修回日期：2 0 1 4 0 l 一0 6 作者简介：宋长青( 1 9 8 9 一) ，男，硕士，研究领域为小推力推进技术 万方数据 8火箭推进2 0 1 4 年4 月 c u r r e n tw o r ka r ep o i n t e do u ta n dar e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c hi sp r o v i d e d K e y w o r d s ：n i t r o u so x i d e ；m o n o p r o p e l l a n t ；b i p r o p e l l a n t ；r e s e a r c hp r o g r e s s O 引言 当前，空间应用化学推进系统几乎全部依赖 于有毒推进剂，包括肼、甲基肼( M M H ) 、偏二 甲肼( U D M H ) 以及相应的氧化剂N ：0 。这些推 进剂有很好的性能，尤其是有很广泛的空间飞行 历史。它们已经被用于空间单组元或者双组元推 进系统，但是其也存在一些明显的缺点：毒性大、 腐蚀性强、高致癌性、价格昂贵以及附带的操作 处理的危险性，而且易与许多常用材料反应产生 爆炸。随着环保意识的增强，人们越来越希望开 发可长期存储和无毒性的推进剂用于空间航天器。 氧化亚氮由于其操作处理的简单性、低成本和安 全陛，吸引了许多国内外研究机构的关注。 1 氧化亚氮性质 1 1 氧化亚氮的基本性质 氧化亚氮又称笑气，在常温常压下是无色的 气体，有微甜的味道，在室温下稳定，有轻微麻 醉作用，能致人发笑，通常在牙医手术中用做镇 痛剂。常温下氧化亚氮的性质稳定，在温度超过 7 9 3 1 5K 时能够分解成氧气( 3 6 3 ) 和氮气 ( 6 3 7 ) ，产物的组分类似于空气。氧化亚氮 分解反应能产生大量的热，绝热反应温度可达 19 1 3 1 5K ，并具有自保持性。使用催化剂可以 加速这个过程，降低初始分解温度。 氧化亚氮的物性参数随温度变化如图1 所 示 2 】。可以看出：在常温( 2 9 4K ) 下，氧化亚氮 的饱和压力为5 2M P a ，压力较高。这表明它具 有自增压特性，可以极大地降低推进系统质量与 体积。此外，在常温下，氧化亚氮的液相压缩因 子为0 5 3 ，气相压缩因子为0 1 3 。这表明液相氧 化亚氮密度不是固定不变的，这给氧化亚氮的流 量测量带来了困难；而且氧化亚氮气相和理想气 体相差较远，使得理想气体状态方程不再满足， 给建模带来不便。从图1 也可以看出，氧化亚氮 物理性质随温度变化较为明显，如在3 0 3K 时， 饱和压力为6 2M P a ；而在温度下降到2 7 5K 时， 其饱和压力为3 3M P a ，压力变化较大。 图1 氧化亚氮物性参数随温度的变化关系 F i g 1 V a d a f i o no fn i t r o u so x i d ep h y s i c a lp r o p e r t y p a r a m e t e rw i t ht e m p e r a t u r e 1 2 氧化亚氦推进剂的优缺点 表l 给出了氧化亚氮和常见的推进剂如过氧 化氢和肼推进剂的一些性质比较，可以看出，相 比于过氧化氢和肼推进剂，氧化亚氮推进剂的优 势在于： 1 ) 无毒，属于绿色推进剂； 2 ) 成本低廉； 3 ) 无腐蚀性与多数贮箱材料相容； 4 ) 稳定，反应性差与多数贮箱材料相容； 5 ) 可催化分解，可用于单组元推进； 6 ) 高性能氧化剂，可用于固液推进与双组元 推进； 7 ) 饱和蒸气压高，具有自增压特性，可以有 效减少系统的体积与质量。 另一方面，氧化亚氮作为推进剂也有一些缺 点，如比冲低，密度低。如前所述，氧化亚氮物 万方数据 第4 0 卷第2 期宋长青，等：氧化亚氮推进技术研究进展 9 性参数随温度变化较为敏感，使得推进剂贮箱的 压力对环境温度较为敏感，而且由于气相氧化亚 氮偏离理想气体较多，建模较为不便。 为克服氧化亚氮的上述缺点，K a r a b e y o g l u 提 出将氧化亚氮和液氧混合作为推进剂川。研究表 明，低温液氧系统在0 1 0 1M P a ，9 0K 下的密度 比冲和0 2 N 2 0 混合物在6 0 8M P a ，1 9 3 1 5K 下 几乎相同，相比于液氧系统而言，增压系统的减 少及更高的温度使得O J N ：0 混合物更具有优势。 1 3 氧化亚氮推进剂的应用 当前氧化亚氮作为推进剂的应用主要有冷 气推进，单组元分解推进，氧化亚氮做氧化剂 的双组元液体推进，氧化亚氮做氧化剂的固液 混合推进以及氧化亚氮电加热喷气推进。英国 S u r r e y 大学成功研制了4 代电加热喷气式发动机 M a r kI M a r kI V l 4 卅，并成功地将使用氧化亚氮作 为推进剂的M a r kI V 用于U o S A T 一1 2 小卫星上， 用于卫星的加速。固液混合发动机的研制有 P e r e g r i n e 探空火箭【7 】，固液火箭助推器等f 8 1 ，由 于本文的研究侧重于液体火箭发动机，故在此 不再赘述。接下来将首先介绍氧化亚氮自增压 系统的研究进展，再着重介绍氧化亚氮单组元 分解以及氧化亚氮做氧化剂的双组元推进技术 的研究进展。 表1氧化亚氦、过氧化氢及肼推进剂的特征参数 ：! 璺垒：! 竺垒垒! 垒! ! ! ! ! !