Synthesis and Fabrication of Nanothermite Fuel for Space Propulsion

太空推进用纳米铝热剂燃料的合成与制造

• 批准号: 556410-2020
• 负责人: Wen, John
• 金额: $ 7.29万
• 依托单位: University of Waterloo
• 依托单位国家: 加拿大
• 项目类别: Alliance Grants
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 加拿大
• 起止时间: 2021-01-01 至 2022-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://www.nserc-crsng.gc.ca/ase-oro/Details-Detailles_eng.asp?id=719459
• 关键词: Synthesis; Fabrication; Nanothermite; Fuel; Space

The space industry is experiencing an exponential increase in the use of small satellites. Along with reduced launch costs, compact satellites provide unique value for discovery, patrolling, and commercial missions. The development of novel small satellite propulsion technology is central to a continued growth of this industry and is being supported by significant global investments. To support this growth, this project will develop and commercialize innovative synthesis and fuel pellet fabrication technologies to facilitate a novel in-space propulsion technology based on tunable and high-power-density metastable intermolecular composites (MIC, also called nanothermite). The proposed methodology addresses four research components: (1) optimizing material synthesis of core-shell and hybrid nanothermite composites; (2) developing a standard for 3D printing process for nanothermite-based fuel pellets; (3) experimental investigation of correlations between reaction mechanisms/energy production and compositions/microstructures of both synthesized composites and packed pellets; and (4) developing a mathematical model, with appropriate accuracy, to capture the identified physics (combustion mechanism, flame propagation, thrust production, etc.) from representative 3D printed specimens. The research outcomes, through technology development and HQP training, are expected to enable manufacturing of novel propulsion systems for small satellites. This technology will enable orbital maneuvering, navigation, stabilization, stationing and pointing. This project will further help the penetration of Canadian companies in the target space market which requires original research developing high-energy-release composites, cost-effective material synthesis methods, and advanced device fabrication technologies.#(cr)#(lf)L'industrie spatiale connaît une croissance exponentielle dans le domaine des microsatellites. Grâce a une réduction massive des coûts de lancement et de développement, les microsatellites offrent un avantage indéniable pour les missions de découverte, de patrouille, et commerciales. Le développent d'un système de propulsion miniaturisé pour microsatellite demeure un des enjeux majeurs dans cette industrie. Pour soutenir cette industrie en croissance, ce projet de recherche se penchera sur le développement et la commercialisation de technologies innovantes pour la synthèse et la fabrication de matériel énergétique. Ce projet aura pour but de permettre à Columbiad Launch Services de développer une nouvelle technologie de propulsion basée sur des composites intermoléculaires métastables réglables (MIC, aussi connu comme nanothermite). La projet de recherche abordera quatre thèmes principaux: (1) l'optimisation de la synthèse de matériaux composites en noyau-coquille (core-shell, en anglais); (2) l'élaboration d'une méthodologie pour l'impression 3D de granules combustibles fait de nanothermite; (3) l'étude expérimentale de corrélations entre les mécanismes de réaction et la composition/microstructure des composites synthétisés; et (4) le développement un modèle mathématique, pour modéliser la physique de réaction de nanothermite (mécanisme de combustion, propagation de flamme, production de l'énergie, etc.) des échantillons imprimé. Le projet de recherche permettra le développement de nouvelles technologies et contribuera à la formation de PHQ dans le domaine de la technologie spatiale. Les retombés technologique du projet permettra à notre partenaire industriel de fabriquer un système de propulsion pour microsatellite. Ce projet permettra une plus grande pénétration de l'industrie spatiale des entreprises canadiennes. Ceci nécessite des recherches originales développant des composites énergétiques, des méthodes de synthèse de matériaux rentables et des technologies avancées de fabrication.

空间工业正在经历小型卫星使用的指数增长。沿着发射成本的降低，小型卫星为发现、巡逻和商业任务提供了独特的价值。新型小型卫星推进技术的开发是这一行业持续增长的核心，并得到了大量全球投资的支持。为了支持这一增长，该项目将开发和商业化创新的合成和燃料芯块制造技术，以促进基于可调和高功率密度亚稳分子间复合材料（MIC，也称为纳米热矿）的新型空间推进技术。提出的方法包括四个研究部分：（1）优化核-壳和混合纳米热矿复合材料的材料合成;（2）为基于纳米热矿的燃料芯块的3D打印工艺制定标准;（3）实验研究合成复合材料和填充芯块的反应机理/能量产生与成分/微观结构之间的相关性;（4）研究纳米热矿和混合纳米热矿复合材料的反应机理/能量产生与成分/微观结构之间的相关性。以及（4）开发具有适当精度的数学模型，以捕获所识别的物理（燃烧机理、火焰传播、推力产生等）。从代表性的3D打印标本。通过技术开发和HQP培训，研究成果有望使小型卫星新型推进系统的制造成为可能。这项技术将使轨道机动、导航、稳定、定位和指向成为可能。该项目将进一步帮助加拿大公司渗透目标空间市场，这需要开发高能量释放复合材料，具有成本效益的材料合成方法和先进的设备制造技术的原始研究。(cr)空间工业在微型卫星领域有一种指数增长。Grâce a une réduction massive des costuments de lNavisphere et de déceppement，les microsatellites offrent un avantage indéniable for les missions de découverte，de patrouille，et commerciales.微卫星推进系统的改进将使其在工业中成为一项重大工程。 为了支持这一工业的繁荣，该项目研究了能源材料制造和生产的创新技术的发展和商业化。该项目旨在通过哥伦比亚发射服务公司开发一种基于可调节分子间复合材料（MIC，以及类似于纳米热材料）的新型推进技术。五种基本原理的堕胎研究项目：（1）Noyau-Coquille复合材料涂层的优化（2）纳米热矿可燃物颗粒三维印象的方法学研究;（3）纳米热矿复合材料反应机理与组成/微观结构相关性的实验研究; et（4）le décurpement un modèle mathématique，pour modéliser la physique de réaction de nanothermite（mécanisme de combustion，propagation de flamme，production de l'énergie，etc.）你的香水。该研究项目旨在促进新技术的发展，并为空间技术领域的PHQ形成做出贡献。Les retombés technologique du projet permettra à notre partenaire industriel de fabriquer un système de propulsion pour microsatellite.该项目通过了加拿大企业空间工业的一个更高层次的发展。Ceci nétecite des rescherches originales décampant des composites énergétiques，des methodes de proximèse de matériaux rentables et des technologies avancées de fabrication.