王 棟，梁國柱

（北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京100191）

0 引言

液體推進劑是液體火箭發(fā)動機的能源和工質(zhì)，其性能優(yōu)劣直接影響發(fā)動機及火箭的性能。自1900年正式開始液體火箭研究至今，液體推進劑的種類得到了極大的豐富，既有肼、過氧化氫等單組元推進劑、可貯存的硝基氧化劑與肼類燃料雙組元推進劑，又有高能低溫的液氧/液氫雙組元推進劑。但是，目前所使用的液體推進劑普遍具有劇毒、強腐蝕、污染環(huán)境、低溫等缺點。

隨著載人航天技術(shù)的不斷發(fā)展，更為嚴格的環(huán)保要求以及國際商業(yè)火箭市場競爭的加劇，尋找廉價無毒、無污染以及高能的推進劑，已成為各航天領(lǐng)域追求的目標。我國21世紀航天發(fā)展戰(zhàn)略是開發(fā)新一代無毒、無污染、高性能和低成本的運載火箭，以增強參與國際競爭的能力[1]。因此，開發(fā)無毒、無污染以及對環(huán)境友好的綠色液體推進劑是今后液體推進劑發(fā)展的主要方向。

以往研制的無毒常溫氧化劑大多選擇過氧化氫，但過氧化氫化學(xué)穩(wěn)定性較差，遇熱或雜質(zhì)易于分解，貯存及使用過程中都存在一定的安全隱患。而氧化亞氮（N2O）不僅彌補了過氧化氫的不足，還具有諸多本身特有的優(yōu)勢：1)無毒。僅作為吸入麻醉劑；2)安全；3)材料相容性比較好，對材料沒有特殊要求；4)成本低、易制取；5)可自身增壓；6)貯存密度比較高；7)可以在空間長期貯存。氧化亞氮無論是在軍用導(dǎo)彈還是在民用小型衛(wèi)星上都有用武之地，有助于軌姿控推進系統(tǒng)的無毒化，在國防及航天領(lǐng)域內(nèi)是極具發(fā)展前途的一種推進劑。目前，國外眾多研究機構(gòu)在氧化亞氮無毒推進劑方面已進行了很深入地研究，包括氧化亞氮催化分解單組元發(fā)動機性能研究、氧化亞氮/丙烷（美國）、氧化亞氮/乙醇（日本）雙組元發(fā)動機的性能實驗等[2－8]，而我國在這方面的研究則剛剛起步，尤其是關(guān)于氧化亞氮雙組元發(fā)動的機性能研究[9-10]。

在燃料方面，醇類和烴類等新型燃料因其密度、比沖、可貯存性及無毒特性而日益受到青睞，如乙醇、丙烷等[11]。正是在這種新型推進劑研究應(yīng)用背景下，本文對氧化亞氮分別與氫氣（H2），甲醇（CH3OH），乙醇（C2H5OH），甲烷（CH4），乙烷（C2H6），乙烯（C2H4），乙炔（C2H2），丙烷（C3H8）及丙烯（C3H6）共9種綠色燃料組成的雙組元液體發(fā)動機進行燃燒熱力計算以及發(fā)動機性能比較，為以后新型發(fā)動機推進劑的選擇和設(shè)計提供參考。

1 組元物性

N2O化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下可壓縮液化以氣液兩相形式共存，是一種高密度氧化劑。具有很高的蒸氣壓是N2O受青睞的重要原因之一，20℃時飽和蒸氣壓高達5.14 MPa，一般高于燃燒室壓強，這不僅免去了自身的擠壓系統(tǒng)，還可利用其高的蒸氣壓對其它推進劑進行增壓。表1列出了N2O在不同溫度下的蒸氣壓和密度[12]，MT為融點，CT為臨界溫度，CP為臨界壓強。

表1 N2O在不同溫度下的密度和飽和蒸氣壓Tab.1 N2O saturation pressure and densityat defferent temperature

圖1推進劑空間貯存液態(tài)溫度范圍Fig.1 Liquid temperature range for space storage

圖1 列出了氧化亞氮與9種燃料的液態(tài)溫度范圍，可看出除了氫氣和甲烷外，其它推進劑均有較好的地面和空間液態(tài)貯存溫度范圍，尤其是乙烷、丙烷和丙烯，這將在實際應(yīng)用中簡化甚至省去了推進劑保溫和加溫裝置，減小系統(tǒng)干重，提高有效載荷。

表2為9種燃料的標準生成焓、燃燒高熱值以及爆炸極限。表中除了氫氣以外均易制取且價格低廉。輕烴類燃料中丙烷和丙烯有很高的燃燒熱值。在燃燒安全上，氫氣和丙炔爆炸極限范圍很寬，而其它燃料爆炸范圍很窄，尤其是丙烷、丙烯。在毒性上，氫氣、甲烷、乙烷、丙烷均無毒，僅為單純窒息性氣體，而甲醇、乙醇、乙烯、乙炔和丙烯均有一定毒性，但毒性較低。

表2 燃料熱力學(xué)性質(zhì)Tab.2 Fuel thermodynamic property

從以上對各燃料的物性分析比較可知：1)與氧化亞氮完全燃燒時形成水蒸氣、二氧化碳和氮氣，無任何有毒燃燒產(chǎn)物；2)丙烷和丙烯無論從空間貯存、燃燒熱值還是從安全性上考慮，都是理想的廉價、環(huán)保、高能、低冰點、高臨界壓力、穩(wěn)定的綠色燃料。

2 熱力性能計算分析

2.1 計算模型

采用最小吉布斯自由能法分別對N2O/H2，N2O/CH3OH， N2O/C2H5OH， N2O/CH4， N2O/C2H6，N2O/C2H4，N2O/C2H2，N2O/C3H8及 N2O/C3H6共 9種推進劑組合的雙組元發(fā)動機在不同的余氧系數(shù)α下進行熱力計算分析。

熱力計算過程所做假設(shè)如下：燃燒室定壓絕熱；噴管內(nèi)流動為等熵膨脹流動，熱力輸運方程為一維形式的連續(xù)方程、能量方程和動量方程；氣體均為完全氣體且燃燒室處于化學(xué)平衡狀態(tài)。燃燒化學(xué)反應(yīng)計算過程中共考慮12種組分：C(gr)，CO，CO2，H，H2，H2O，N，NO，N2，O，OH 及O2，其中g(shù)r表示固體顆粒；計算中忽略因C顆粒速度滯后和溫度滯后等帶來的噴管性能損失。

2.2 熱力分析

計算了9種氧化亞氮推進劑組合發(fā)動機（燃燒室壓強與噴管出口壓強壓比：pc:pe＝70 atm:1 atm）在 α ＝0.1， 0.2， 0.3， 0.4， 0.5， 0.6， 0.7，0.8，0.9，1.0，1.11，1.25，1.43，1.67，2.0 時的燃燒室絕熱燃燒溫度、燃燒室與噴管出口的燃氣當(dāng)量平均摩爾質(zhì)量與各燃燒組分摩爾百分比、噴管出口燃氣平衡流與凍結(jié)流溫度、發(fā)動機平衡流與凍結(jié)流條件下的特征速度與比沖，以及在不同壓比pc:pe下的比沖，以全面分析各發(fā)動機的性能特點。

9種推進劑組合的熱力計算性能特點基本一致，在此不一一贅述，下面以具有很大應(yīng)用前景的N2O/C3H8發(fā)動機熱力計算結(jié)果為例，分析各推進劑組合的共同性能特點。

圖 2（a） 和圖 2（d） 表明，N2O/C3H8發(fā)動機在燃氣膨脹至海平面壓力時，最高比沖對應(yīng)的最佳α對于平衡流約為0.9，而對于凍結(jié)流約為0.7，且平衡流最佳α隨著壓比的增加由0.8升至1.0。對應(yīng)于特征速度C*，平衡流和凍結(jié)流最大值的α比較接近，均約為0.7，這個最佳α值并不是最高燃燒溫度的對應(yīng)值0.9，因為特征速度不僅與溫度有關(guān)，還與燃氣當(dāng)量摩爾質(zhì)量和比熱比有關(guān)。燃料燃燒的最高溫度時的α由于燃氣分子的離解吸熱通常略低于化學(xué)當(dāng)量比即α＝1。

通過圖 2（b）和圖 2（c）的比較可以看出，α 顯著影響著各燃氣組分含量，且在管流動過程中各燃氣組分將繼續(xù)反應(yīng)，使更多的焓轉(zhuǎn)化為動能，使得在同樣的出口壓力下平衡流計算得到的比沖、特征速度以及噴管出口溫度高于凍結(jié)流計算結(jié)果，尤其是噴管出口溫度，如圖2（a）中所示。

圖2 N2O/C3H8發(fā)動機的熱力學(xué)計算結(jié)果Fig.2 Thermochemical calculation results of N2O/C3H8engine

此外，由于燃氣中的分子離解需要消耗相當(dāng)大的能量，這會造成燃燒溫度的降低，從而降低比沖，且離解程度隨燃燒室溫度的升高而增加，隨燃燒室室壓的增加而降低。從圖2（b）可以看出，當(dāng)α＞0.5時燃氣分子開始離解，形成原子H，O，N以及自由基OH和NO；在 α＞0.7時燃氣中開始產(chǎn)生未反應(yīng)的O2，這些腐蝕性氣體會造成燃燒室和噴管壁面材料的氧化。隨著燃氣在噴管膨脹過程中溫度的降低，離解組分又逐漸反應(yīng)形成分子，并釋放出熱量，如圖2（c）所示，噴管出口幾乎已不存在離解組分，且α＞1.0時開始產(chǎn)生未反應(yīng)的O2，這也是圖2（a）中平衡流噴管出口溫度Te在α＝1達到最大的原因。

從圖2（b）和圖2（c）還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)N2O/C3H8雙組元在極度富燃（α＜0.3～0.4） 時，燃氣組分中將含有固體C顆粒，且隨著 進一步降低，含碳量顯著增加，如圖2（c） 中α從0.4降至0.1時，噴管出口的碳顆粒摩爾百分比從1%驟升至38%，這將導(dǎo)致發(fā)動機發(fā)生積碳現(xiàn)象，給發(fā)動機帶來一系列的負面影響。

2.3 性能分析

發(fā)動機的主要性能參數(shù)包括噴氣速度、特征速度以及比沖等，下面比較分析各氧化亞氮推進劑組合的熱力性能。

各推進劑組合的絕熱燃燒溫度隨α變化規(guī)律基本一致（N2O/C2H2除外），溫度最高值均在3 138 K～3 523 K范圍內(nèi)，如圖3所示。從圖中可以看出N2O/C2H2與其它推進劑組合相比具有最高的燃燒溫度，其最高燃燒溫度高達3 823 K（α＝0.6），且在較低的α下同樣具有很高的燃燒溫度，這是因為C2H2相比其它燃料具有最高的標準生成焓（Hm,f＝226.73 kJ/mol）。發(fā)動機推進劑的燃燒溫度越高，可以用來轉(zhuǎn)換成燃氣動能的熱能就越多，噴氣速度也就越大。

圖3 氧化亞氮雙組元發(fā)動機的絕熱燃燒溫度Fig.3 Adiabatic combustion temperature of nitrous oxide bipropellant engine

特征速度C*表征了推進劑的能量特性，數(shù)值越大，可達到的噴氣速度也越大，其大小取決于燃燒產(chǎn)物的熱力學(xué)性質(zhì)，包括燃燒溫度、燃燒產(chǎn)物平均摩爾質(zhì)量以及比熱比。圖4列出了各氧化亞氮推進劑組合在不同α下的平衡流特征速度。從圖中可以看出，N2O/H2與其它組合相比特征速度最高，盡管其燃燒溫度不是最高，但其燃燒產(chǎn)物的平均摩爾質(zhì)量很低，尤其在α較低時，從圖5中其特征速度在達到最高值時α＝0.2對應(yīng)的燃燒產(chǎn)物平均摩爾質(zhì)量僅為9.06 g/mol。而N2O/C2H2由于在低α?xí)r具有很高的燃燒溫度，故特征速度也較高。對于碳氫燃料，在極度富燃情況下燃燒產(chǎn)物將含有固體碳顆粒。從圖5中可看出當(dāng)α低于0.4時燃燒室中開始出現(xiàn)固碳且其含量會隨著α的繼續(xù)降低而急劇升高至16%～27%，同時影響著燃燒產(chǎn)物當(dāng)量平均摩爾質(zhì)量的變化趨勢，而且燃氣在噴管的膨脹降溫過程中，固碳含量還會進一步的增加，如圖2（b）和2（c）所示，噴管出口處可高達35%～40%，燃氣中的固相在實際流動過程中發(fā)生的兩相流損失以及其它負面影響將降低發(fā)動機的性能。

圖4 氧化亞氮雙組元發(fā)動機的特征速度（平衡流）Fig.4 Equilibrium flow characteristic velocity of nitrous oxide bipropellant engine

圖5 氧化亞氮雙組元發(fā)動機燃燒室的平均摩爾質(zhì)量和含碳摩爾分數(shù)Fig.5 Chamber average molar mass and carbon mole percent of nitrous oxide bipropellant engine

比沖Isp作為衡量發(fā)動機性能的重要參數(shù)，在數(shù)值上等于等效噴氣速度，其大小反映了推進劑能量的高低和發(fā)動機工作過程的完善程度，具體值取決于燃燒溫度、燃氣平均摩爾質(zhì)量、比熱比以及膨脹壓比pc:pe。圖6分別列出了各氧化亞氮推進劑組合發(fā)動機在平衡流和凍結(jié)流條件下的比沖隨α的變化曲線圖。N2O/H2由于很低的燃氣平均摩爾質(zhì)量以及N2O/C2H2有很高的燃燒溫度，故兩者的比沖均較高，尤其α<1時。而其它7種推進劑組合的比沖變化趨勢相近，同等工況下由于噴管中平衡流比凍結(jié)流釋放出更多的焓值，故計算得出的比沖也較高，而實際中的發(fā)動機比沖值介于兩者之間，這將給以后發(fā)動機的性能評估預(yù)測提供有力參考。

圖6 氧化亞氮雙組元發(fā)動機比沖Fig.6 Specific impulse of nitrous oxide bipropellant engine

表3 氧化亞氮推進劑組合的理論性能Tab.3 Calculated theoretical performance for nitrous oxide bipropellant

表3為9種氧化亞氮推進劑組合近似對應(yīng)于最大Isp值的余氧系數(shù)工況下的理論性能計算結(jié)果。N2O/H2組合具有最高的比沖，N2O與醇類燃料組合的比沖最低。具有極好空間物理特性的N2O/C3H8和N2O/C3H6組合平衡流比沖分別為2 639 m/s和2 656 m/s，比目前衛(wèi)星姿軌控發(fā)動機常采用的N2O4/MMH（一甲基肼） 比沖并不低很多（同等工況下N2O4/MMH組合的平衡流比沖約為2 832 m/s），其優(yōu)良的物理化學(xué)特性足以彌補比沖上的差額，是新一代無毒、無污染、高性能和低成本綠色液體推進劑選擇的重要參考。

3 結(jié)論

對綠色推進劑N2O，H2，CH3OH，C2H5OH，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H8及 C3H6的熱力學(xué)性質(zhì)、使用安全等方面進行了全面比較，進而采用吉布斯最小自由能法對9種氧化亞氮雙組元推進劑組合的熱力性能（包括不同α下的燃燒溫度、燃燒組分、比沖等）展開全面的計算以及分析，總結(jié)如下：

1） N2O/H2由于其較低的燃氣平均摩爾質(zhì)量具有最高的比沖；C2H2具有很高的標準生成焓，其N2O/C2H2組合燃燒溫度可高達3 823 K，因此比沖也較高，但H2和C2H2都易燃易爆，且有很寬的爆炸極限，不易控制；

2） 碳氫燃料在α<0.4富燃工況下燃氣中含有固相碳顆粒，且摩爾含量隨著α的降低而急劇升高，噴管出口處可高達35%～40%，這將給發(fā)動機性能帶來一系列負面影響；

3） N2O/C3H8和N2O/C3H6組合擁有很好的空間應(yīng)用物性和較高的熱力性能，在壓比pc：pe=70 atm：1 atm工況下平衡流比沖分別為2 639 m/s和2 656 m/s，具有很好的應(yīng)用前景。

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