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硝酸羟铵基固体电推进剂等离子体的热力学性质

  • 科学
  • 2020-02-15 11:06:27
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固体推进剂正被探索为烟火,采矿和太空推进的一种更安全的选择,因为它们仅在电流下点燃。但是,由于所有这些应用都需要高温,因此了解高温如何改变推进剂的化学性质非常重要。伊利诺伊大学厄本那-香槟分校,密苏里科技大学和NASA的研究人员使用一种计算机模型来模拟高温材料的热化学性质,以预测新型高性能电固体推进剂的热化学性质。

“在消融脉冲等离子推进器中,电固体推进剂的表面附近有一个高温等离子体。热量导致少量推进剂从表面去除或消融并蒸发,然后被消融。加速以高速推动火箭。但是,高温也改变了材料的化学成分。到目前为止,我们还没有该化学成分信息,”美国航空航天工程学系副教授Joshua Rovey说道。一所大学的Grainger工程学院

我们在谈论多热?举例来说,12,000开氏温度是恒星表面的温度。该模型模拟了500至40,000开氏温度的温度。

在这些高温下,固体推进剂的化学性质发生变化。常规的聚四氟乙烯材料由彼此键合的两个碳和四个氟组成。当它烧蚀时,它脱落的温度很高,以至分子解离。碳和氟彼此分离。

罗维说:“太热了,电子从那些原子中脱出。”“现在有带负电的电子在周围运动,带正电的离子仍以流体的形式存在。热气以高速从推进器中喷出,从而产生推力并推动航天器。这项工作是一个数值模型,可预测热力学和平衡这种推进剂在汽化时处于高温状态。”

该研究始于先前开发的用于特氟龙材料的数值模型和数据,以提供基准。在确认他们正确模拟了聚四氟乙烯之后,研究人员使用了相同的模型,但是使用了高性能电推进剂的输入条件来预测其在与聚四氟乙烯相同的温度下的电导率和电离。

该研究的一个主要结论是,在这种极端温度下,高性能电推进剂具有更高的焓(存储在气体中的能量)。

罗维说:“与铁氟龙相比,与这种材料有关的冻结流动损失可能更多。”“高性能电动推进剂在气体内部存储更多的能量。对于推进,我们希望该能量用于加速气体。我们不想在这些内部模式中投入大量能量。是的,它确实使热气,但我们需要高速气。

“这是使用它的缺点之一-在这些内部模式中存储更多的能量会降低效率。这项研究表明,原因根本上是由于材料的热化学性质-高原子数中的原子和分子组成高性能电推进剂,以及它们如何应对高温和高温。”

罗维说,这项工作的信息可以应用于其他固体推进剂应用,例如烟火或激光烧蚀。

“无论是消融脉冲脉冲等离子推进器,激光烧蚀表面还是其他能量沉积技术,我们都只是在研究这种材料在不同温度下的行为-其化学成分如何变化。”

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