氧化亚氮基单元复合推进剂技术研究述评.pdf

第4 2 卷第2 期 2 0 1 6 年4 月 火箭推进 J O U R N A LO FR O C K E TP R O P U I S I O N V 0 1 4 2 ，N o 2 A p r 2 0 1 6 氧化亚氮基单元复合推进剂技术研究述评 朱成财，韩伟，于忻立，单世群，史雪梅 ( 西安航天动力试验技术研究所。陕西西安7 1 0 1 0 0 ) 摘要：氧化亚氮基单元复合推进剂具有无毒、高比冲、使用系统简单等诸多优异性能， 有望替代传统肼类推进剂用于多种航天器。本文综述了国内外在氧化亚氮基单元复合推进剂 的配方体系、发动机设计、燃烧过程及安全性等方面的研究进展，结合我国液体推进剂实际 现状，提出了开展氧化亚氮基单元复合推进剂的研究思路。 关键词：氧化亚氮；复合推进剂；N O F B X ；乙烯；烃；乙炔氨 中图分类号：V 4 3 4 3 4文献标识码：A文章编号：1 6 7 2 9 3 7 4 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 7 9 0 7 R e v i e wo fn i t r o u s - o x i d e - - b a s e dc o m p o s i t e m o n o p r o p e l l a n t st e c h n o l o g y Z H U C h e n g c a i ，H A NW e i ，Y UX i n l i ，S H A NS h i q u n ，S H IX u e m e i ( X i a nA e r o s p a c eP r o p u l s i o nT e s tT e c h n o l o g yI n s t i t u t e ，X i a n71010 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：N i t r o u s - o x i d e - b a s e dc o m p o s i t em o n o p r o p e l l a n ti sh o p e f u lt os u b s t i t u t et r a d i t i o n a l h y d r a z i n ep r o p e l l a n ta n dw i l lb eu s e di nm a n yk i n d so fs p a c e c r a f t so w i n gt oi t sn o n t o x i c ，h i 。g hs p e c i f i c i m p u l s e ，s i m p l ef e e ds y s t e ma n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s T h er e s e a r c hp r o g r e s so fm o n o p r o p e l l a n t s f o r m u l as y s t e m ，e n g i n ed e s i g n ，c o m b u s t i o np r o c e s sa n ds a f e t yi sr e v i e w e di nt h i sp a p e r S o m ea d v i c e s t oc a r r yo u tr e s e a r c ho fn i t r o u s - o x i d e - b a s e dc o m p o s i t em o n o p r o p e l l a n ta r ep r o p o s e di nc o m b i n a t i o n w i t hC h i n e s er e s e a r c ha c t u a l i t yo f l i q u i dp r o p e l l a n t s K e y w o r d s ：n i t r o u so x i d e ；c o m p o s i t ep r o p e l l a n t ；N O F B X ；e t h e n e ；h y d r o c a r b o n ；a c e t y l e n e a m m o n j a 0引言 进人2 l 世纪以来，随着各国载人航天、宇 宙飞船、人造卫星等领域的蓬勃发展，无毒、无 污染、高性能和低成本的液体推进剂成为航天领 域不断追求的目标卜3 1 。分析发动机设计技术发 展现状，动力系统经过多年的完善和发展，现役 液体推进剂在发动机中的燃烧效率已达到较高水 平，通过结构优化进一步提高能量转换效能的空 间有限，因而寻求新型高效无毒火箭推进剂具有 十分重要的现实意义。 近年来，氧化亚氮( N ：0 ) 基单元复合推进 收稿日期：2 0 1 6 0 2 2 4 ；修回日期：2 0 1 6 0 3 1 2 基金项目：国家8 6 3 项目( 2 0 1 5 A A 7 0 2 3 0 9 3 ) 作者简介：朱成财( 1 9 8 4 一) ，男，博士，研究领域为新型高能液体推进剂 万方数据 8 0火箭推进2 0 1 6 年4 月 剂因具有诸多优势而引起国内外广泛关注。氧 化亚氮化学性质稳定，常温下可压缩液化以气 液两相形式共存，是一种高密度氧化剂。在接 近临界温度时，氧化亚氮对有机物具有很强的 溶解能力，可与烃类、氨类等燃料通过特殊工 艺复合制备新型氧化亚氮基单元复合推进剂。此 类推进剂中最具代表性的是氧化亚氮一烃类单元 复合推进剂，简称N O F B X 。“N O F B ”代表氧化 亚氮与烃类复合，“x ”为两个数字的简称，第 一个数字表示c 2 家族，其中1 表示乙烷、2 表 示乙烯、3 表示乙炔；第二个数字表示氧化剂与 燃料的混合比。与现有液体推进剂综合比较，该 推进剂具有诸多优势，在国防及航天领域内是极 具发展前途的一类新型高能无毒推进剂。 目前，国外众多研究机构在氧化亚氮基复合 推进剂体系方面已开展深入研究1 7 1 ，尤其是美国和 德国在N O F B X 方面取得了极具价值的成果，国 内在该领域的研究尚处于起步阶段。本文主要介 绍国内外在氧化亚氮基单元复合推进剂体系、发 动机、推进剂燃烧机理和安全性方面的研究进展， 对发展趋势进行分析与思考，并提出研制建议。 1 N o F B X 性质与特点 常温下，N ：O 分子物化性质稳定，小分子烃 类能量高且无毒，两者复合体系表现出高度的微 观均一性和良好的化学稳定性。N O F B X 推进剂 饱和蒸气压较高，如N O F B 3 7 在2 0 时饱和蒸 气压为5 2M P a ，与一些小型推力室压强相近， 可作为自增压推进剂或为其他推进剂增压。在不 受外界激发时N O F B X 的使用和贮存是安全的， 但遇明火、电火花、催化剂或者高温时会发生剧 烈燃烧反应，释放出大量热量和气体产物。 如表1 1 8 】所示，与常用的单元肼、双元N T O M M H 性能综合相比，N O F B X 有如下特点： 1 ) 比冲性能高，真空比冲3 0 0 3 4 5S ，提高 荷质比；作为单组元推进剂，采用火花塞点火， 可重复启动； 2 ) 推进剂和燃烧产物均无毒，降低使用和 维护成本；贮存温度范围宽，冰点 一7 7 ，可提 高环境适应性，满足空射要求； 3 ) 推进剂供应系统简单，组件数量少，可 降低动力系统重量且易于操控； 4 ) 适用范围广，既可用于空间飞行器姿态 和轨道控制，也可作为运载火箭推进剂； 5 ) 推力可实现深度调节，通过节流控制可 实现宽范围调节。 2 国外研究进展 2 0 世纪三十年代，已有将氧化亚氮与液氨、 硝酸铵复合作为火箭推进剂的研究报道，但是由 于发动机设计的缺陷和对该复合推进剂体系认识 的不足，在发动机热试车时发生爆炸并损毁发动 机 9 1 。此后，对该体系推进剂的研究未见后续报 道，但对N ：0 的研究却从未终止 1 0 - 1 3 。随着科学 家对N 2 0 理化性质、安全性及其与燃料复合技术 可行性等不断深入研究，到2 1 世纪初，美国和 德国开始对氧化亚氮一烃类单元复合推进及相关 技术开展研究，并取得了可喜的进展。 2 1 美国 为了替代当前空间姿轨控动力系统使用的传 统有毒可贮存液体推进剂【1 4 1 ，由N A S A 、I R & D 基 金支持，自2 0 0 3 年起由美国F i r e s t a r 科技公司研 发出了一种氧化亚氮一碳氢化合物的复合推进剂， 简称N O F B X 。图1 为美国F i r e s t a r 公司对N O F B X 推进剂及推进系统研发历程【1 5 】。从该历程图 可看出，N O F B X 推进系统先后经历了推进剂研 制、发动机初步设计与试验、推进剂安全性评 价、发动机防回火设计、不同量级发动机研制、 推进系统演示验证等阶段。 2 1 1 推进剂制备及特性研究 2 0 0 3 年，在N A S A 火星技术应用项目支持 下，M u n g a s 及其团队对N O F B X 的制备、理化性 质、比冲性能和化学燃烧机理开展了大量研究， 此时技术成熟度达到了l 2 级。图2 为N O F B 3 4 推进剂饱和蒸气压、液相密度、蒸气密度等测试 数据，随着温度的升高，N O F B 3 4 推进剂的饱和 蒸气压和蒸气密度升高，液相密度降低，临界温 度3 6 ，临界压力6 7 7M P a 。另外，通过1 2m 跌落、快烤、慢烤等安全性评估研究，验证了 N O F B X 的安全性和可靠性。 万方数据 第4 2 卷第2 期朱成财，等：氧化亚氮基单元复合推进剂技术研究述评 8 1 表1N O F B X 与常用的单组元肼、双组元N T O M M H 的常用性能比较 T a b 1 P r o p e r t yc o m p a r i s o na m o n gN O F B X ，m o n o p r o p e l l a n th y d r a z i n ea n d b i p r o p e l l a n tn i t r ot e t r o x i d e m o n o m e t h y ih y d r a z i n e 图1 美国N O F B X 推进剂及推进系统研制历程 F i g 1D e v e l o p m e n th i s t o r yo fA m e r i c a nN O F B X p r o p e l l a n t sa n dp r o p u l s i o ns y s t e m s 2 1 2不同量级发动机研制 完成N O F B X 推进剂制备及性能研究后，先 后开展了推力为O 4 4N ，2 2N ，1 1 0N 和4 4 0N 等发动机的设计和研制( 图3 ) 。大量的缩比件试 验使得N O F B X T M 发动机系统很快达到了技术成 熟度7 - 9 级。 2 0 0 4 2 0 0 7 年，F i r e s t a r 研发了第一台0 4 4N 原理样机( 图3 a ) ，只能进行脉冲工作，验证了 方案可行性，系统方案成熟度上升至3 级，也首 次验证了系统原理的可行性。 2 0 0 8 2 0 1 0 年，在S B I RP h a s eI I I 合同的支 持下，F i r e s t a r 完成推进剂大量试验数据和理论 特性整理。紧接着开始理论计算与试验数据的拟 万方数据 火箭推进2 0 1 6 年4 月 合修正分析。设计了9N 和2 2N 发动机，两种 发动机均完成了热试车，见图3 ( b ) 。 2 0 0 9 年1 2 月3 日，F i r e s t a r 采用N O F B X C O L T 2 5 B 一2 发动机做了一系列试验，采用再生冷 却技术，实现了1 1 0N 发动机稳态工作时间大于 3 0S ，见图3 ( c ) 。 温度