氧化亞氮基氧燃一體化推進(jìn)劑及推進(jìn)系統(tǒng)研究進(jìn)展

韓 偉，王永忠，單世群，杜宗罡，朱成財(cái)，于忻立

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

液體動(dòng)力技術(shù)尤其是液體軌姿控及上面級(jí)動(dòng)力技術(shù)迫切需要在3個(gè)方面有所變革：①迫切需要進(jìn)一步提高比沖性能及變推力性能，滿(mǎn)足空射小運(yùn)載、武器機(jī)動(dòng)變軌、衛(wèi)星及深空探測(cè)系統(tǒng)的需求；②采用綠色推進(jìn)劑，滿(mǎn)足無(wú)毒化和維護(hù)便捷性的需求，徹底解決當(dāng)前軌姿控動(dòng)力系統(tǒng)使用維護(hù)難、成本高的問(wèn)題；③提高環(huán)境溫度適用性和地面存儲(chǔ)性能，滿(mǎn)足臨近空間以及深空探測(cè)、月球轉(zhuǎn)移軌道等多種軌道飛行任務(wù)。氧化亞氮基氧燃一體化推進(jìn)劑(Nitrous Oxide Fuel Blends，NOFBX)可以滿(mǎn)足上述三方面的變革需求，是現(xiàn)有肼類(lèi)推進(jìn)劑的完美替代[1-8]。

氧燃一體化推進(jìn)劑是指將氧化劑與燃料按照一定指標(biāo)需求，利用一種燃料(或氧化劑)對(duì)另外一種氧化劑(或燃料)具有溶解性的特點(diǎn)，有時(shí)輔之以一定助劑將多種物質(zhì)復(fù)合為一體的推進(jìn)劑，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但目前單推-3(DT-3)、硝酸羥胺(HAN)基、二硝酰胺銨(ADN)基等單組元氧燃一體化推進(jìn)劑均存在比沖低、需要催化點(diǎn)火等缺點(diǎn)。NOFBX是根據(jù)氧化亞氮對(duì)有機(jī)物具有較強(qiáng)溶解性，將氧化劑與燃料復(fù)合在一起，成為一種氧燃一體化推進(jìn)劑，具有高比沖、低冰點(diǎn)、無(wú)需催化點(diǎn)火，動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)推力深度調(diào)節(jié)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被美國(guó)譽(yù)為“可改變未來(lái)游戲規(guī)則”的新型高性能液體推進(jìn)劑。該推進(jìn)劑及其動(dòng)力系統(tǒng)研究發(fā)展迅速，已經(jīng)成功完成初步熱試車(chē)點(diǎn)火試驗(yàn)，未來(lái)極有可能代替肼類(lèi)推進(jìn)劑，給航天動(dòng)力技術(shù)帶來(lái)全新的理念和顛覆性的影響[9-15]。

近四年來(lái)，歐洲的荷蘭國(guó)家應(yīng)用科學(xué)研究院(Netherlands Orgersation for Applied Scientific Research，TNO)等與英國(guó)研究機(jī)構(gòu)Nammo技術(shù)公司合作研究了一種新型的氧化亞氮基氧燃一體化推進(jìn)劑并進(jìn)行了熱試車(chē)。德國(guó)宇航中心(DLR)在推力室點(diǎn)火和防回火等關(guān)鍵性技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。我國(guó)科研人員在NOFBX推進(jìn)劑火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律、NOFBX推進(jìn)劑直接起爆特性、自增壓特性、燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面也取得了重要進(jìn)展。

本文旨在介紹各國(guó)在NOFBX推進(jìn)技術(shù)方面的最新研究進(jìn)展，為科研人員在NOFBX推進(jìn)劑及動(dòng)力系統(tǒng)預(yù)先研究方面提供參考和思路，避免我國(guó)在這一領(lǐng)域與國(guó)外形成新的技術(shù)差距。

1 美國(guó)研究進(jìn)展

美國(guó)Firestar公司從2003年起就對(duì)NOFBX推進(jìn)劑及推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)始研發(fā)，先后經(jīng)歷了推進(jìn)劑研制、發(fā)動(dòng)機(jī)初步設(shè)計(jì)與試驗(yàn)、推進(jìn)劑安全性評(píng)價(jià)、發(fā)動(dòng)機(jī)防回火設(shè)計(jì)、不同推力量級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制、推進(jìn)系統(tǒng)演示驗(yàn)證等階段，公開(kāi)報(bào)道其技術(shù)成熟度已經(jīng)達(dá)到了6～7級(jí)[16-17]。

2015年11月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)已對(duì)裝備N(xiāo)OFBX37的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了4次小規(guī)模靜態(tài)測(cè)試，均出現(xiàn)推進(jìn)劑爆炸等異常現(xiàn)象[18-21]。結(jié)果表明，需要進(jìn)一步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)，尤其是防回火設(shè)計(jì)方面需要進(jìn)一步優(yōu)化，重新評(píng)估并提高氧化劑與燃料一體化后的安全性，同時(shí)應(yīng)增加熱試驗(yàn)次數(shù)以充分暴露目前存在的問(wèn)題和安全隱患，從而進(jìn)一步提高NOFBX動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。為此，DARPA于2015年11月叫?！皺C(jī)載發(fā)射輔助空間進(jìn)入”(ALASA)項(xiàng)目運(yùn)載火箭技術(shù)樣機(jī)的研制，并重新致力于此類(lèi)氧燃一體化推進(jìn)劑安全性試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)了防回火設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。在2016年和2018年，F(xiàn)irestar公司和Boeing公司發(fā)表了關(guān)于電點(diǎn)火特性和防回火設(shè)計(jì)的文章和專(zhuān)利[22-23]，并未表明在安全方面有特別的進(jìn)展；相對(duì)于其他國(guó)家，美國(guó)在氧化亞氮基燃料一體化推進(jìn)劑及推進(jìn)系統(tǒng)研究和應(yīng)用方面仍處于世界領(lǐng)先地位，雖然其中推進(jìn)劑中燃料選擇了危險(xiǎn)性最高的乙炔不值得借鑒，但推進(jìn)系統(tǒng)防回火設(shè)計(jì)仍然值得思考和學(xué)習(xí)。

2 荷蘭及英國(guó)研究進(jìn)展

在歐洲氧化亞氮燃料一體化推進(jìn)劑發(fā)展計(jì)劃支持下，TNO、Bradford Engineering公司與Nammo技術(shù)公司聯(lián)合對(duì)氧化亞氮燃料一體化推進(jìn)劑進(jìn)行了研究。首先通過(guò)多個(gè)維度的篩選，優(yōu)化出綜合性能優(yōu)異的燃料，制備了氧化亞氮燃料一體化推進(jìn)劑，設(shè)計(jì)推力裝置并進(jìn)行了相應(yīng)的試車(chē)驗(yàn)證[24-27]。

2.1 燃料選擇

研究者采用NASA的CEA軟件，先作計(jì)算基準(zhǔn)假設(shè)：①平衡流；②室壓1.0 MPa；③推進(jìn)劑溫度273 K；④?chē)姽苊娣e比60∶1。

從10個(gè)方面對(duì)候選的10種燃料(乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔、丁烷、氨、甲醇、乙醇)提出了以下要求：

1)燃料的急性毒性應(yīng)屬于毒性危害III類(lèi)或更高；

2)該燃料不應(yīng)具有致癌、致突變和/或再氧化危險(xiǎn)等級(jí)；

3)空氣中燃料的自燃溫度大于400 K；

4)燃料與氧化氬氮混合后推進(jìn)劑溫度應(yīng)在273 K和臨界溫度之間；

5)燃料在低于7.2 MPa的壓力下爆炸分解溫度不得低于309 K；

6)預(yù)混合推進(jìn)劑在跌落錘試驗(yàn)下的沖擊敏感性應(yīng)小于1 J；

7)預(yù)混合推進(jìn)劑的年分解率應(yīng)小于0.2 %；

8)預(yù)混合推進(jìn)劑的比沖應(yīng)大于240 s；

9)預(yù)混合推進(jìn)劑的體積比沖應(yīng)大于249 000(kg·s)/m3；

10)在273 K和混合物的臨界溫度之間，預(yù)混合推進(jìn)劑的蒸氣壓應(yīng)大于1.5 MPa。

從8個(gè)方面對(duì)選擇的燃料進(jìn)行了評(píng)分：①比沖；②飽和液體密度；③盡可能小的蒸氣壓力；④在沸點(diǎn)時(shí)氣相組成；⑤不滿(mǎn)足需求的風(fēng)險(xiǎn)；⑥最小點(diǎn)火能量；⑦自燃溫度；⑧燃燒溫度。

結(jié)果乙醇的評(píng)分最高，其次是甲醇、氨、丙烷、丙烯等。氧化亞氮與乙醇按照理論混合比下的推進(jìn)劑物性如表1所示。

表1 氧化亞氮與乙醇混合物理論性質(zhì)Tab.1 Theoretical properties of the mixture of nitrous oxide and ethanol

2.2 推進(jìn)劑點(diǎn)火試驗(yàn)

點(diǎn)火試驗(yàn)選用氧化亞氮乙醇一體化推進(jìn)劑，采用英國(guó)AEL公司(Airborne Engineering Limited)600 N銅熱沉推力室，氣氧氣氫火炬點(diǎn)火，噴注器為蓮蓬頭結(jié)構(gòu)形式。點(diǎn)火試驗(yàn)在AEL公司位于Westcott的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行。首先進(jìn)行了冷調(diào)試驗(yàn)，流量、溫度、壓力等參數(shù)正常。點(diǎn)火系統(tǒng)及預(yù)調(diào)試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 點(diǎn)火系統(tǒng)及預(yù)調(diào)試驗(yàn)Fig.1 Ignition system and pre-adjustment test

在整個(gè)試驗(yàn)工況下，未發(fā)現(xiàn)回火現(xiàn)象。穩(wěn)定工況點(diǎn)火試驗(yàn)圖及室壓曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 點(diǎn)火試驗(yàn)及室壓曲線(xiàn)Fig.2 Ignition test and chamber pressure curve

表2為點(diǎn)火期間在1.88 s和2.83 s時(shí)推進(jìn)劑流量、室壓與計(jì)算得到的燃燒效率。

表2 點(diǎn)火試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Ignition test parameters

在最后的試驗(yàn)過(guò)程中，觀察到發(fā)動(dòng)機(jī)頭部出現(xiàn)金屬火星。結(jié)束試驗(yàn)后，分解發(fā)動(dòng)機(jī)，檢查噴注器，發(fā)現(xiàn)噴注器頭部有燒蝕融化現(xiàn)象。分析認(rèn)為出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因主要是傳熱冷卻設(shè)計(jì)不夠合理，造成燒蝕現(xiàn)象。燒蝕時(shí)試驗(yàn)現(xiàn)象及燒蝕的噴注器如圖3所示。

從荷蘭的研究可以看出，其燃料選擇從源頭上避免了回火現(xiàn)象的發(fā)生，給動(dòng)力系統(tǒng)防回火設(shè)計(jì)減輕了壓力；但由于氧化亞氮體系的飽和蒸氣壓不夠高，需要另外設(shè)計(jì)增壓系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)的壓降滿(mǎn)足需求。

圖3 點(diǎn)火燒蝕現(xiàn)象Fig.3 Ignition ablation

3 德國(guó)研究進(jìn)展

DLR研究人員在2014—2015年期間，采用氧化亞氮乙烯一體化推進(jìn)劑，發(fā)現(xiàn)推力室點(diǎn)火時(shí)，受某些因素影響會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象[28]。因此，研究設(shè)置合適防回火結(jié)構(gòu)，杜絕回火現(xiàn)象發(fā)生，成為DLR技術(shù)人員首要解決的問(wèn)題。由于多孔材料及某些細(xì)管結(jié)構(gòu)對(duì)防回火具有一定作用[29-31]，從2016年開(kāi)始，DLR重點(diǎn)對(duì)防回火材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[32-37]。

3.1 多孔材料用于防回火結(jié)構(gòu)

2016年，DLR的Werling研究團(tuán)隊(duì)對(duì)噴注器采用多孔材料進(jìn)行了防回火研究。試驗(yàn)采用火花塞點(diǎn)火，燃燒室分為兩部分，一部分為點(diǎn)燃室，另一部分為防回火室，如圖4所示。點(diǎn)燃室配有石英視窗，以觀察不同測(cè)試條件下的火焰?zhèn)鞑バ袨??；鹧鎮(zhèn)鞑バ袨椴捎酶咚贁z影來(lái)記錄。

圖4 采用多孔材料的點(diǎn)火試驗(yàn)裝置Fig.4 Ignition test device using porous materials

防回火材料共采用了兩種類(lèi)型的金屬粉末制備：SIKA-R不銹鋼粉末燒結(jié)材料和SIKA-B銅粉末燒結(jié)材料(見(jiàn)圖5)。兩種材料做成的防回火材料結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

圖5 不銹鋼和銅防回火材料Fig.5 Fire-proof materials of stainless steel and copper

表3 不同防回火材料參數(shù)

研究表明：兩種燒結(jié)材料不同厚度和孔徑對(duì)防回火過(guò)程均有影響：

1)多孔材料的淬熄火焰能力依賴(lài)于多孔材料的厚度，材料越厚，淬熄能力越強(qiáng)。對(duì)于7 mm厚多孔材料SIKA R200，臨界淬熄佩科萊數(shù)高于40，對(duì)于10.5 mm厚多孔材料SIKA R200，臨界淬熄佩科萊數(shù)高于80。

2)孔徑越小，淬熄火焰能力越強(qiáng)。相同的孔徑下，SIKA-B材料壓降小于SIKA-R材料。相同孔徑下，SIKA-B銅粉末燒結(jié)材料的淬熄能力弱于SIKA-R不銹鋼粉末燒結(jié)材料。分析認(rèn)為出現(xiàn)這種情況的原因在于銅基材料具有催化活性[38]。

3.2 毛細(xì)管用于防回火結(jié)構(gòu)

2018年，DLR研究人員采用毛細(xì)管防回火結(jié)構(gòu)，研究了毛細(xì)管不同長(zhǎng)度和孔徑對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧娲銣绲挠绊?。試?yàn)共進(jìn)行了132次。點(diǎn)火裝置如圖6所示，預(yù)混好的氧化亞氮乙烯推進(jìn)劑從右邊進(jìn)入，穿過(guò)毛細(xì)管后在左邊的點(diǎn)燃室被點(diǎn)燃。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程采用高速攝影來(lái)記錄。點(diǎn)燃室和防回火室內(nèi)徑均為25 mm，長(zhǎng)度91 mm。點(diǎn)火室和防回火室通過(guò)多根毛細(xì)管相連。毛細(xì)管作為阻火器，毛細(xì)管內(nèi)徑從0.1 mm到0.5 mm多種規(guī)格，每種規(guī)格進(jìn)行切換，長(zhǎng)度21 mm，毛細(xì)管裝置如圖7所示。

圖6 采用毛細(xì)管的點(diǎn)火試驗(yàn)裝置Fig.6 Ignition test device with capillary tube

圖7 配備毛細(xì)管的裝置Fig.7 Fittings with a selection of tested capillaries

通過(guò)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤傻玫揭韵陆Y(jié)論：

1)從火花塞到毛細(xì)管前的固定位置，不同點(diǎn)火壓力下火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?。壓力越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?，壓力上升和速度上升呈線(xiàn)性關(guān)系。

2)在一個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤煞譃橐韵虏糠郑孩僭陔娀鸹ㄈ車(chē)?，球形層流火焰開(kāi)始加速；② 當(dāng)火焰到達(dá)壁面時(shí)，在軸向方向，指狀火焰進(jìn)一步加速；③ 在毛細(xì)管前方區(qū)域，火焰開(kāi)始減速。

火焰在毛細(xì)管前方區(qū)域減速說(shuō)明了毛細(xì)管對(duì)回火具有一定的抑制作用。

通過(guò)淬熄試驗(yàn)和臨界淬熄佩科萊數(shù)計(jì)算，可以得到以下結(jié)論：

1)隨著毛細(xì)管孔徑從0.1～0.5 mm變化，臨界淬熄佩科萊數(shù)分布為30～40。管徑越小，臨界淬熄佩科萊數(shù)越大。

2)相對(duì)于理論臨界淬熄佩科萊數(shù)分布50～60，實(shí)際得到的臨界淬熄佩科萊數(shù)值較小。

3)在低壓范圍內(nèi)，火焰能穿過(guò)毛細(xì)管進(jìn)入防回火室，但在該室內(nèi)未燃燒的氣體不會(huì)被點(diǎn)燃。管徑越小，進(jìn)入未燃燒氣體中的火焰能量越小，存在一個(gè)能將未點(diǎn)燃?xì)怏w加熱到點(diǎn)燃狀態(tài)的臨界火焰能量。

4)當(dāng)回火發(fā)生后，火焰速度以近音速(大約270 m/s)湍流狀態(tài)前進(jìn)。

德國(guó)人的研究表明，多孔材料和毛細(xì)管對(duì)抑制回火具有一定的作用，但多孔材料的孔徑、厚度以及毛細(xì)管的孔徑、長(zhǎng)度，推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)壓力與防回火之間的耦合關(guān)系還需進(jìn)一步探索和研究。

4 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)研究人員以氧化亞氮基氧燃一體化推進(jìn)劑為對(duì)象，研究主要集中在以下幾個(gè)方面：推進(jìn)劑流動(dòng)特性研究、燃燒反應(yīng)機(jī)理研究、燃燒及傳熱特性仿真研究、燃燒特性試驗(yàn)研究、燃燒過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俣妊芯恳约皬?fù)合惰性氣體后的火焰?zhèn)鞑ゼ氨ㄌ匦栽囼?yàn)研究。

4.1 流動(dòng)特性研究

楊學(xué)森等[39-40]綜合運(yùn)用MATLAB、FLUENT、AMESim 多種仿真模擬手段，從建立NOFBX物性參數(shù)著手，研究了貯箱自增壓特性、系統(tǒng)流動(dòng)特性以及管路氣化特性，得到的結(jié)果如下：①當(dāng)推進(jìn)劑排出時(shí)，貯箱中液體推進(jìn)劑發(fā)生氣化，溫度下降，飽和壓力下降；且質(zhì)量流量與排出時(shí)間與多種因素相關(guān)，其中最主要的是管路直徑與系統(tǒng)流阻。②推進(jìn)劑在管路內(nèi)的氣化分?jǐn)?shù)與管路長(zhǎng)度和流阻密切相關(guān)，流阻越大，管路出口氣化率越高。

4.2 燃燒反應(yīng)機(jī)理研究

魏豪等[41]以氧化亞氮-C2烴類(lèi)燃料氧燃一體化推進(jìn)劑為對(duì)象建立了包含26種組分、46個(gè)反應(yīng)的簡(jiǎn)化燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，誤差低于10 %；鄭東等[42]建立了包含52種組分、325個(gè)反應(yīng)的燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型。王偉龍等[43]基于GRI3.0和USC-Ⅱ機(jī)理，提出8種關(guān)鍵基元反應(yīng)，并與試驗(yàn)相結(jié)合，較好地揭示了著火延遲時(shí)間與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系。楊學(xué)森等[40]建立了包含128種組分、800個(gè)反應(yīng)的燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型，準(zhǔn)確計(jì)算了氧化亞氮受熱分解一系列過(guò)程中各種重要組分分布情況，而且在較寬的溫度、壓力、化學(xué)計(jì)量比范圍內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了氧燃一體化推進(jìn)劑體系著火延遲時(shí)間和層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?；同時(shí)，楊學(xué)森將理論預(yù)測(cè)的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c實(shí)驗(yàn)得到的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行了比較，誤差為9.6 %，說(shuō)明該模型可信度較高。

4.3 燃燒及傳熱特性仿真研究

魏豪等[44-45]通過(guò)對(duì)不同質(zhì)量流量、燃燒室長(zhǎng)度、氧化劑與燃料化學(xué)計(jì)量比3個(gè)參數(shù)進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，分析不同參數(shù)對(duì)燃燒特性的影響，并對(duì)部分參數(shù)優(yōu)化計(jì)算。最后對(duì)推力器再生冷卻通道內(nèi)的傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬，研究通道壁面?zhèn)鳠崽匦?，獲得入口處不同溫度下推進(jìn)劑在通道壁面散熱情況及在流通通道內(nèi)的相變，對(duì)推力器設(shè)計(jì)提供理論參考。

王偉龍等[46]對(duì)氧化亞氮乙烯一體化推進(jìn)劑推力室噴注面板熱反侵著火現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)噴注面板的孔板面積比對(duì)燃燒室向噴注面板及集氣腔的傳熱有顯著影響，并存在臨界值，為氧化亞氮燃料一體化推進(jìn)劑噴注器設(shè)計(jì)提供了新的約束準(zhǔn)則。

4.4 燃燒特性試驗(yàn)研究

張鋒等[47]開(kāi)展了氧化亞氮乙烯一體化推進(jìn)劑在室壓0.7 MPa和1.0 MPa條件下、混合比6.2～10.6范圍內(nèi)的燃燒特性試驗(yàn)，獲得了混合比、燃燒室特征長(zhǎng)度等對(duì)特征速度和燃燒效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)量孔徑為65 μm、厚度為5 mm的不銹鋼多孔材料具有良好的防回火效果；隨著混合比的增大，氧化亞氮/乙烯的理論特征速度和試驗(yàn)特征速度均減小，燃燒效率最高達(dá)到95.0%；隨著燃燒室特征長(zhǎng)度的不斷增大，燃燒效率先增大后減小。

4.5 燃燒過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俣妊芯?/h3>

李智鵬等[48-50]采用PREMIX軟件模擬氧化亞氮乙烯一體化推進(jìn)劑在0.1～1.5 MPa下層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，得到不同壓力和化學(xué)計(jì)量比下該體系的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰溫度。同時(shí)，采用高速攝影儀對(duì)氧化亞氮乙烯一體化推進(jìn)劑實(shí)際燃燒過(guò)程中的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行測(cè)定，通過(guò)對(duì)比模擬計(jì)算值與真實(shí)測(cè)量值，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算方法可靠性。

4.6 復(fù)合其他氣體后的火焰?zhèn)鞑ゼ氨ㄌ匦缘脑囼?yàn)研究

曾祥敏等[51]研究了加入惰性氣體二氧化碳后氧化亞氮/乙烯/二氧化碳的火焰?zhèn)鞑ゼ氨ㄌ匦裕瑸榻鉀Q氧化亞氮基氧燃一體化推進(jìn)劑的自燃和防回火問(wèn)題提供參考。試驗(yàn)采用長(zhǎng)200 cm、內(nèi)徑1.5 cm的有機(jī)玻璃管，內(nèi)含螺旋加速環(huán)裝置，電阻絲點(diǎn)火方式，進(jìn)行混合氣體的燃燒爆炸試驗(yàn)；利用壓力傳感器測(cè)量爆炸壓力和爆轟速度，并利用高速攝影儀測(cè)量燃燒時(shí)的火焰速度。結(jié)果表明，加入惰性氣體二氧化碳預(yù)混氣體在燃燒管內(nèi)快速燃燒，最大火焰速度為2 235.2 m/s；Zhang等[52]研究了未加二氧化碳的氧化亞氮/乙烯體系燃燒轉(zhuǎn)爆轟時(shí)的爆轟速度為2 349 m/s，說(shuō)明惰性氣體二氧化碳的加入有利于降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?。Li[53-54]研究了在氧化亞氮/丙烷/氨氣體系中，氨氣的加入則隨著丙烷含量的不同，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)出不同的結(jié)果，分析認(rèn)為與氨氣在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中與丙烷形成的中間產(chǎn)物有關(guān)。另外的研究表明火焰加速和危害性順序?yàn)椋貉趸瘉喌?乙烯>氧化亞氮/丙烷>氧化亞氮/氨。

曾祥敏和Li等的試驗(yàn)氣體壓力均未超過(guò)0.1 MPa，雖然與實(shí)際推進(jìn)劑使用壓力有一定差別，但對(duì)推進(jìn)劑配方優(yōu)化具有很好的參考意義。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于氧化亞氮基氧燃一體化推進(jìn)劑及推進(jìn)系統(tǒng)的研究，國(guó)內(nèi)外主要以推進(jìn)劑配方研制、防回火研究和應(yīng)用研究為主。目前該推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的障礙主要是其工程安全性問(wèn)題，因此提出以下建議：

1)在推進(jìn)劑配方研制過(guò)程中，荷蘭、英國(guó)有其自身特點(diǎn)，因而在點(diǎn)火過(guò)程中未發(fā)生回火現(xiàn)象；但如果燃料選擇C2烴類(lèi)，鈍感安定劑選擇、鈍感安定劑的加入量問(wèn)題，鈍感安定劑加入量與電點(diǎn)火能量及系統(tǒng)提供的點(diǎn)火能量之間的耦合關(guān)系問(wèn)題需要深入研究。

2)在點(diǎn)火方式的選擇上，采用氣氧/氣氫火炬點(diǎn)火或是電點(diǎn)火方式，需要綜合考慮，既要考慮系統(tǒng)復(fù)雜性，又要考慮系統(tǒng)安全性問(wèn)題。同時(shí)還需要考慮點(diǎn)火器位置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)安全性的影響。

3)在防回火設(shè)計(jì)中，燒結(jié)材料的厚度、當(dāng)量孔徑，毛細(xì)管的長(zhǎng)度、孔徑均與推進(jìn)劑的流阻及系統(tǒng)安全性存在相應(yīng)關(guān)系，后續(xù)還需深入研究。

4)建議國(guó)內(nèi)在氧燃一體化推進(jìn)劑及推進(jìn)系統(tǒng)方面加快工程化研究步伐。