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火箭燃料(推进剂)

过氧化氢作为推进剂的应用



过氧化氢在火箭推进剂中的应用

王万军

中国科学院上海有机化学研究所



  目前用于航天发动机系统的N2O4/肼类(偏二甲基肼、一甲基肼、肼等)燃料虽具有良好的比冲性能和自燃特性,但它们的毒性较高,给人体健康和环境造成了严重的危害,同时,它们的生产、贮存运输、使用及处理等是一个复杂的工艺过程,使用成本也较高。随着社会的不断进步和航天技术的发展以及环保和人体健康要求的日益提高,航天动力系统采用无毒、无污染推进剂已是今后发展的必然趋势。对于长期运行的载人空间站推进系统,这种需要更为迫切,并要求推进剂可贮存和能自燃。我国新一代运载火箭的基本目标之一是采用无毒、无污染推进剂。

  鉴于目前世界各国用于液体发动机推进剂的燃料和氧化剂,可贮存的都是有毒的,如N2O4/肼类(偏二甲基肼、一甲基肼、肼等)推进剂,而无毒的又是不可贮存的(如液氢液氧推进剂)或是非自燃的(如液氧/煤油推进剂)。所以使用过氧化氢煤油或醇类推进剂其优点在于它们本身无毒,燃烧产物洁净,有利于解决环境污染问题和人员身体健康问题;只要解决它们的自燃点火的关键技术,就可以将推进剂的氧化剂和燃料所要求的无毒、可贮存和可自燃的特性有机地结合在一起,从而保持了推进剂的功能,获得极大的推广应用价值。

  早在第二次世界大战期间,德国在V-2火箭上采用过氧化氢经燃气发生器分解的产物作为驱动涡轮的工质。战后,前苏联的P-1、P-2、P-5M火箭,美国的红石、丘辟特、维金火箭等也采用过氧化氢分解产物来驱动涡轮。

  五十年代后期,英国曾研制以过氧化氢/煤油为推进剂的Gamma8和Gamma2火箭发动机,用于“黒箭”运载火箭。美国也研制了以过氧化氢/煤油为推进剂的AR系列火箭发动机,用于提高军用飞机的性能。尤其是60年代末,NASA实施的高超音速发动机研究计划,所用燃料为过氧化氢和液氨,其间X-15飞机飞行速度达到6.7马赫,成为有史以来飞的最快的飞机。

  近年,由于环境保护要求日益严格等因素,过氧化氢推进技术进一步得到重视:X-37是美国NASA和波音公司共同投资研制、进行轨道飞行及载人飞行的、可重复使用的演示机。为给X-37提供轨道飞行动力,NASA和波音公司决定重新启用洛克达因公司60年代研制的、用90%过氧化氢/煤油作推进剂的AR2-3发动机。该发动机的真空推力为6600 ibf,真空比冲246S。洛克达因公司将库存的AR2-3发动机组件进行了分解检查、重新装配和试验,并进行了发动机热试。至2000年5月2日,已成功地完成了16次发动机试车。最后一次实验时,按X-37的工作状态,在50%推力和混合比6.8下全程工作60S。在这一系列试验中,AR2-3发动机累计工作385.5S。

  美国马夸特公司正在研制一个以H2O2/JP-8为推进剂的上面级发动机,用于NASA的“上面级飞行实验”计划。该发动机真空推力为10000 1bf,真空比冲275S。自1998年后期至2000年初期,已进行了两轮试验。第一轮试验时,采用浓度为85%的过氧化氢,试验结果表明烧蚀式燃烧室工作时间已达300S,燃烧效率>0.97。第二轮试验采用浓度为90%的过氧化氢,对喷注器/燃烧室在更高工作温度下的情况进行了验证。至2000年初,共进行了125次试验,累计工作时间约30min。烧蚀式燃烧室的单次长程工作时间已达140S。

  美国海军空战中心正在研制一种能与过氧化氢自燃的燃料。他们选择了混有催化剂的甲醇作为Block 0系列试验的燃料混合物。喷注器试验的结果表明其点火延迟约为17ms。目前海军空战中心的正在进行以丁醇为基础的、性能更高的Block 1 燃料。

  Purdue大学为寻找性能优于NTO/MMH的无毒双组元推进剂进行了大量研究工作,并研制一种称为Hypertester的实验装置,可很好地测量出燃料和氧化剂的点火延迟,研究结果表明,1-丁醇与过氧化氢组合时,它们的比冲与密度比冲是醇类燃料中最高的。将一种称为SSR的化合物与甲醇及锰基催化剂混合在一起时,可提高比冲和减少点火延迟期。

  俄国在90年代开展了类似的研究工作。莫斯科航空学院进行了93~94%过氧化氢与加有添加剂的煤油的点火试验,用开杯法测定的点火延迟期为17~24ms。圣彼得堡应用化学研究中心研制了一种能与过氧化氢自燃的、低毒的TT-07A混合燃料,在浓度>90%的过氧化氢中点火延迟期约15ms。

  我国在50年代末~60年代初研制的DF-1和DF-2导弹发动机采用78%浓度的过氧化氢经燃气发生器分解的产物作为驱动涡轮的工质。在70年代初用过氧化氢分解产物作模拟工质研究截短塞式喷管的性能。

  过氧化氢/煤油(或醇类)推进剂将主要推广应用于航天姿控发动机及载人飞船上,摆脱了以前要用有毒推进剂的束缚,确保载人航天的安全性,还可以应用于军事卫星、运载火箭和反弹道导弹,将来甚至还可以推广应用于民用汽车发动机,该产品已被列入《中国高新技术产品目录》。


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