《Fire》：Energetic Characterization of 3-D Printed Acrylonitrile Butadiene Styrene Fuels for Hybrid Rocket Propulsion Applications
Stephen A. Whitmore,
Ryan J. Thibaudeau and
Ava T. Wilkey
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为解决混合火箭推进中ABS燃料热力学数据缺失的问题，研究人员开展了3D打印ABS燃料的能量表征研究。通过FTIR光谱和炸弹量热法，确定了ABS的代表性化学式、分子量和HHV，证实其具有高能量含量和电弧点火优势，为绿色推进系统设计提供了关键数据支撑。
背景：混合火箭的“绿色”困局与ABS的潜力
在航天领域，传统的肼类燃料因其高毒性和严苛的处理要求，正逐渐成为制约小卫星产业发展的瓶颈。寻找一种无毒、稳定的“绿色”推进系统已成为NASA、美国空军等机构的迫切需求。混合火箭技术，结合了固体燃料的安全性与液体氧化剂的可控性，被视为极具潜力的替代方案。其中，美国犹他州立大学推进研究实验室开发的高性能绿色混合推进系统，创新性地采用了3D打印的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物作为燃料。ABS不仅易于通过熔融沉积成型技术加工成复杂流道，其独特的电击穿特性更使其成为低能量电弧点火的理想材料。然而，由于商业ABS配方的高度专有性，其作为火箭燃料的关键热力学数据（如标准生成焓）极度缺乏，这严重阻碍了发动机性能的精确预测和工程应用。
研究方法：光谱、热力学与软件分析的结合
为了填补这一数据空白，研究团队采用了多技术联用的策略。首先，他们利用傅里叶变换红外光谱分析了四种不同商业来源的3D打印ABS长丝，通过比尔-朗伯定律和最小二乘拟合估算了丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的摩尔比例。基于此，他们计算了材料的平均分子量和生成焓。其次，研究使用炸弹量热法直接测量了七种ABS材料的高热值，以验证光谱分析结果的准确性。最后，他们利用NASA的化学平衡与应用软件，输入上述参数进行了混合火箭燃烧特性计算，建立了一套适用于工程设计的ABS热力学模型。
研究结果
3.1. FTIR光谱分析与ABS成分估计
通过对Stratasys ABSPlus、通用ABS、MakerBot ABS-R以及Bambu Labs ABS等样品的FTIR分析，研究发现尽管品牌不同，但所有测试样品的共聚物摩尔分数非常接近。具体而言，丙烯腈占比约21-27%，丁二烯占比12-25%，苯乙烯占比54-63%。这种成分上的高度一致性表明，不同商业来源的ABS在能量特性上差异极小，这为建立通用的ABS燃料模型提供了实验依据。
3.2. 基于CEA的ABS热化学性质计算
基于FTIR得到的成分数据，研究团队计算了ABS的代表性化学式为C8.085H7.912N0.991，平均分子量为105.66 g/mol。在300K下，其标准生成焓为+129.37 kJ/kg。CEA软件计算表明，ABS与气态氧燃烧的高热值约为39 MJ/kg。这些数据为后续的发动机设计和性能仿真提供了关键的输入参数。
3.3. 炸弹量热法测试结果与HHV验证
炸弹量热实验结果显示，七种测试ABS材料的平均高热值为39.54 MJ/kg，与CEA理论计算值高度吻合。这一结果不仅验证了FTIR成分估计的准确性，也证明了ABS作为一种碳氢聚合物，其能量密度显著高于聚乳酸、聚酰胺等其他常见的3D打印热塑性塑料，在混合火箭燃料中具有明显的能量优势。
结论与意义
本研究通过系统的实验和理论分析，首次为3D打印ABS燃料建立了一套完整的热力学特性数据库，包括其化学组成、分子量、生成焓和高热值。研究证实，尽管商业ABS品牌各异，但其能量特性高度一致，这极大简化了工程应用中的材料选择。ABS的高能量含量和优异的电弧点火特性，使其成为高性能绿色混合火箭推进系统的理想燃料选择。该研究成果解决了长期困扰混合火箭设计的ABS燃料数据缺失问题，为SmallSat等商业航天器的低成本、无毒化推进提供了可靠的技术支撑。
