无毒单组元推进剂在固定床中分解过程的研究

To meet the requirement of exploring the deep space and developing the manned space in our country, a new monopropellant system of high specific impulse and non-toxic is needed to be developed. A composite monopropellant with the aqueous solution of Ammonium Dinitramide (ADN) ionic liquid used as oxidizer and methanol or ethanol as fuel has drawn much attention. However, in our country there are still some problems, for example, bad performance of emergency start, mismatch between transport phenomena and reaction and low efficiency of propellant decomposition and so on. The decomposition of liquid propellant in packed bed is a strong nonlinear process with several coupled fields and performing in milliseconds time and centimeter space scales, which makes it to be difficult for exploring this process by the theoretical and experimental methods. The complexity of this process is several orders magnitude higher than the general chemical engineering process. In this application, the online experimental method and the simplified multiphase flow theory coupled with the meso-scale model resolving the local heterogeneous flow structure will be employed to explore the relationship between the geometry structure and fluid flow and chemical reaction in the nano/micro pore of catalyst and the coupled mechanism among the fluid flow, transport phenomena and chemical reactions in the viodage of catalyst in packed bed. This exploration can provide the theoretical and experimental basements for optimizing the performance of thruster emergency start and structure of packed bed in developing the ADN monopropellant system.

随着我国深空探测和载人航天的高速发展，对新一代无毒高比冲单组元推进提出了需求。二硝酰胺铵（ADN）离子液体水溶液作为氧化剂和甲醇或乙醇作为燃料的复合型单组元推进获得了广泛关注，但目前仍存在应急启动能力差，传递与反应不匹配和分解效率低等问题。液体推进剂在固定床中的分解是一个毫秒时间尺度和厘米空间尺度上完成的多场耦合的强非线性过程，其复杂程度与传统化工过程相比存在数量级的差别，这给该过程的理论与实验研究造成了很大的困难。在该申请中我们拟通过在线实验表征手段和耦合描述局部不均匀结构介尺度模型的简化多相流理论，来探索催化剂纳微孔道内流体流动—反应与其孔结构的“构—效”关系和液体推进剂在固定床颗粒空隙间的流体流动，传递与化学反应间的耦合机制。为ADN基推力系统开发提供应急启动性能优化和固定床结构设计的共性工程科学理论和实验方法。

以二硝酰胺铵（ADN）离子液体水溶液作为氧化剂、甲醇/乙醇作为燃料和部分助剂混合作为新一代无毒单组元液体推进剂，已经在航天、航空以及武器姿态控制领域中的应用体现出较强优势。然而，与传统肼类推进剂相比，ADN基无毒推进体系存在催化启动温度高、燃烧过程复杂、平均分子量大以及获得相同比冲时燃烧温度高的特点。为此，项目执行过程中，依据研究计划首先研究了ADN水溶液催化分解过程，给出了反应机理以及反应动力学参数；建立了ADN-甲醇-水三元推进剂体系催化和热分解以及自由基燃烧反应网络，给出了相关基元物质热力学以及反应动力学参数，模拟了相关催化燃烧过程；建立了基于CT扫描和计算机统计力学理论的固定床内颗粒堆积形成的复杂几何空间结构的重构方法，并基于LBM（Lattice Boltzmann Method）理论建立了气液流体流动与传递模型以及颗粒间接触传热模型，计算了颗粒固定床内的传热；建立了使用小气泡为示踪粒子的来研究大气泡和液相运动行为的BTV（Bubble Tracking Velocimetry）方法，研究了气液两相流体系中气泡间以及气液间相互作用过程；基于宏观CFD理论与空隙率径向分布的经验/半经验模型，预测了颗粒固定床内宏观传热过程；通过上述理论与实验研究，为我国XX型号战斗机应急动力系统，开发了新型三叶型快速预热无毒推进剂分解室，并与涡轮系统连接实现了功率≯3kw时间不超过6min前提下实现启动和完成10min满功率谱的工程联试试验，相关项目已经于2020年8月12日获得XXX立项支持，按计划2021年底完成试飞。相关研究成果发表学术论文9篇，其中中文学术论文2篇，SCI论文7篇(包括一篇In Press），申报国家发明专利4项，国内外学术报告6次，其中邀请报告一次。