二硝酰胺铵(ADN)基液体空间发动机催化分解与高压燃烧的多参数耦合过程

批准号:
51506007
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
21.0 万元
负责人:
姚兆普
依托单位:
学科分类:
E0604.燃烧学
结题年份:
2018
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
王梦、卢国权、张伟
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中文摘要
多组分二硝酰胺铵(ADN)基液体推进剂,包括氧化性组分ADN,还原性组分甲醇,以及溶剂水。ADN基液体空间发动机的反应过程包括液体推进剂雾化、蒸发,催化床多孔介质内催化分解、以及燃烧室内高室压燃烧等多个特征过程。但目前还缺乏相关的实验研究和理论、数值模拟分析。本项目以液体ADN 基空间发动机的实现作为研究背景,研究ADN基液体推进剂催化分解及高压燃烧的多参数耦合过程。通过实验研究,获得催化剂形貌变化、燃烧压力、预热温度变化等影响因素与特征组分浓度、燃烧放热率等流场参数的相互关系;通过实验研究、理论分析和数值计算,探索发动机脉冲工作条件下高压燃烧过程中多流场参数的脉动耦合关系。研究结果对于理解包含多孔介质化学反应过程的高压燃烧机制、发展新型液体推进剂的燃烧反应动力学机理具有重要理论意义。
英文摘要
The ADN(Ammonium Dinitramide)-based liquid propellant contains the ADN as the oxidizer, the methanol as the fuel, and the water as the solvent. The reaction processes of the ADN-based liquid aerospace thruster contain the atomization and evopration of the liquid propellant, the catalytic decomposition in the porous media, and the high-pressure combustion in the combustion chamber as the multi-parameter coupling relationships. However, there are only few related theoretical, numerical, and experimental works about it. Taken the.ADN-based liquid aerospace thruster as the industrial background,this project investigates the multi-parameter coupling relationships in the catalytic decomposition and high-pressure combustion of the ADN-based liquid propellant. Through experimental investigations, the influences of the catalyst profile, combustion pressure, combustion temperature on the species concentrations, and the heat release rate are obtained. Co upled with numerical calculation and experimental investigation, the pulsed coupling relationships of the flow field.parameters in the high-pressure combustion under pulsed pressure boundary conditions are obtained. These results are valuable for a better understanding of the combustion mechanisms of the high-pressure combustion which includes porous media, which is beneficial to the development of high preformance aerospace propulsion techniques.
二硝酰胺铵(Ammonium dinitramide, ADN) 是一种水溶性很好的高含能绿色无机盐,其毒性低,对环境污染小。将其作为氧化剂与甲醇(Methanol, CH3OH) 共同溶于水,可以组成ADN-甲醇-水三元ADN基液体混合推进剂。相比于航天器姿轨控空间发动机中广泛使用的传统肼类液体推进剂,ADN基液体推进剂具有能量密度高、毒性小、绿色环保的显著优点,可以减少航天器发射前的推进剂加注准备时间,极大提高我国航天器发射的快速响应能力,对国民经济的发展和国家安全的保障都具有重要意义。. 本项目针对ADN 基液体推进剂的基础催化及燃烧反应特性开展研究工作。综合运用实验研究、理论建模、模拟仿真等手段,系统地研究了推进剂的相变蒸发及燃烧反应过程、构建了ADN与甲醇反应的详细气相化学反应机理、获得了推进剂在模型燃烧室燃烧过程中的燃烧特性及典型火焰结构。. 针对ADN 基液体推进剂的相变蒸发、热解及催化分解过程,使用热重分析仪和居里点裂解仪,分别在均匀慢速升温和急速升温两种条件下进行了实验研究,并使用傅里叶变换红外光谱分析仪测量产物气体的组分和浓度。实验结果表明,在推进剂的相变过程中,甲醇和水发生蒸发过程,而ADN 发生分解反应,甲醇的蒸发过程和ADN的分解过程并不同步。为进一步分析ADN 基液体推进剂的气相燃烧特征过程,建立了包含50 组分235 步化学反应的ADN-CH3OH 详细气相化学反应机理,机理中ADN与甲醇之间的相互作用是通过ADN分解产生的氮氧化物气体小分子对于甲醇及其生成的含碳自由基的氧化过程来实现的。同时结合已有的实验数据对反应机理进行了验证。. 搭建了使用ADN 基液体推进剂的模型燃烧室实验平台。针对推进剂在常压条件下的燃烧过程,研究了催化床内的火焰传播过程和下游燃烧室内的火焰形态,测量了燃烧室内沿火焰轴向的温度分布;比对详细气相化学反应机理模拟得到的一维预混燃烧火焰的计算结果,总结出ADN 基液体推进剂燃烧的典型火焰结构。针对ADN基模型发动机推力室内部的燃烧过程,通过数值模拟研究了ADN 基液体推进剂在不同边界条件下的流动燃烧特征过程。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Experimental and numerical studies of ammonium dinitramide based liquid propellant combustion in space thruster
空间推进器二硝酰胺铵基液体推进剂燃烧实验与数值研究
DOI:10.1016/j.ast.2017.05.035
发表时间:2017-10-01
期刊:AEROSPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY
影响因子:5.6
作者:Jing, Liyue;You, Xiaoqing;Yao, Zhaopu
通讯作者:Yao, Zhaopu
DOI:--
发表时间:2018
期刊:火箭推进
影响因子:--
作者:姚兆普;张伟;王梦;陈君;沈岩
通讯作者:沈岩
Flame Structure of Ammonium-Dinitramide-Based Liquid Propellant in a Small Thruster
小型推进器中二硝酰胺铵基液体推进剂的火焰结构
DOI:10.2514/1.b36692
发表时间:2018-04
期刊:Journal of Propulsion and Power
影响因子:1.9
作者:Liyue Jing;Min Zhu;Hongmiao Wang;Xiaoqing You;Zhaopu Yao
通讯作者:Zhaopu Yao
Experimental Investigation on the Evaporation and Combustion Processes of Ammonium-Dinitramide-Based Liquid Propellant
二硝酰胺基液体推进剂蒸发和燃烧过程的实验研究
DOI:10.2514/1.b36342
发表时间:2017-03
期刊:JOURNAL OF PROPULSION AND POWER
影响因子:1.9
作者:Jing Liyue;Huo Jialong;Wang Hongmiao;You Xiaoqing;Zhu Min;Yang Yanmei;Yao Zhaopu
通讯作者:Yao Zhaopu
DOI:10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.22.043
发表时间:2016
期刊:清华大学学报(自然科学版)
影响因子:--
作者:景李玥;霍佳龙;姚兆普;游小清;朱民
通讯作者:朱民
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