基于电能的HAN基液体推进剂分解特性及产物成分研究

《Acta Astronautica》：Study on the decomposition characteristics and product components of HAN-based liquid propellant by electric energy

　　

Bao-zhi Jin|Guo-xiu Li|Hong-meng Li|Yang-bin Zhang

北京交通大学机械电子与控制工程学院，中国北京100044

摘要：

硝酸羟胺基液体推进剂因其低毒性和高比冲而在卫星推进系统中受到广泛关注。本文通过实验研究了硝酸羟胺基液体推进剂的分解特性，重点探讨了其电化学分解路径和热分解路径。研究团队构建了专门的推进剂电解实验平台，用于定量分析推进剂的分解温度、压力、持续时间以及反应速率。研究结果表明，在真空条件下推进剂的性能会下降，其分解温度和压力也会降低；而提高初始电压则会提升分解过程中的峰值压力和峰值温度。在1巴环境压力和140伏电压的作用下，推进剂的峰值温度可达到459开尔文。较高的初始电压还会加速推进剂的分解速度。通过热重-差示扫描量热仪分析了推进剂的分解过程，结果显示硝酸羟胺在145摄氏度时开始快速分解并释放热量。N-乙基吡啶inium四氟硼酸盐的分解则分为两个阶段：从145摄氏度到365摄氏度，以及从365摄氏度到475摄氏度。研究还揭示了分解过程中的电化学路径和热路径机制——直流电压会强化电化学路径，而随着体积增大，热路径的作用也会增强。在真空条件下，电路径有助于推进剂顺利分解。通过质谱仪检测了推进剂分解产物中的各种成分，从而明确了推进剂的分解机制。这些研究结果为进一步探索这类推进剂的分解机制提供了思路和实验依据。

引言

目前，空间技术已成为重要的研究领域[1]、[2]。肼基推进剂是卫星推进系统中最常用的燃料，有着成熟的应用体系[3]。不过，这类推进剂具有高毒性，会对环境造成严重危害[4]。而硝酸羟胺基液体推进剂则具有更高的比冲和更低的毒性，有效解决了肼基推进剂的诸多缺陷[5]。这类推进剂属于离子液体推进剂，以阳离子-阴离子对的形式存在[6]。许多学者利用离子液体的导电性，通过电点火方式来引发推进剂的燃烧[7]。

Chai等人[8]将推进剂放入烧杯中，再插入正负电极进行实验研究。在电压的作用下，推进剂发生分解，产生大量气体。Meng等人[9]发现，初始能量越高，推进剂的性能越好。Katsumi等人[10]、[11]则指出，初始压力越大，推进剂的分解速率也会加快。Khare等人[12]开发了一种新型的钛微晶电极模块装置。研究表明，增加推进剂的体积可以提高其导电性。Wu等人[13]设计了低温共烧陶瓷装置来点燃硝酸羟胺基液体推进剂，通过在密闭空间内增加可燃气体的浓度，显著提升了燃烧效率。这一发现表明，推进剂的分解行为对燃烧性能有着重要影响。Chai等人[14]通过增加电极数量来加快推进剂的分解速率。由不同活性材料构成的电极与推进剂之间的相互作用也引起了学界的广泛关注，这些研究大多旨在提升推进剂的分解效率，进而提高燃烧效果[15]、[16]。因此，有必要系统研究推进剂的分解特性，为其在航天发动机中的应用提供指导。

众多学者研究发现，在直流电压的作用下，推进剂主要通过电化学路径和热路径发生分解[17]、[18]、[19]。在电化学路径中，Khare等人[20]发现，电子在电场中移动时首先会与水发生脱氢反应，释放出的H+离子会与离子团发生反应，从而推动推进剂的分解。另一方面，作为电路的一部分，推进剂在电压作用下会产生焦耳热[21]，推进剂吸收这些热量后便开始热分解。吸收热量后，推进剂会先蒸发再发生分解，当热量积累到一定程度时，推进剂内部就会发生剧烈的微爆炸[22]。了解推进剂分解过程中的温度变化，有助于分析其热分解路径[23]。

总而言之，本文研究了在电能作用下单硝酸羟胺基液体推进剂的分解特性，以及电化学路径和热路径对其分解过程的影响。研究在不同的初始压力（1巴、0.5巴和真空条件）、直流电压（60伏至180伏）以及推进剂体积（0.2毫升至0.4毫升）下，对推进剂的电解行为进行了实验测试，确定了不同初始条件下的分解温度、压力、时间和速率。同时通过热重-差示扫描量热仪分析了推进剂的TG-DSC曲线，还借助质谱仪识别了不同初始电压和压力下推进剂分解产物的组成成分。

章节节选

推进剂及制备

为提升推进剂的比冲，本研究选用了导电性更好的N-乙基吡啶inium四氟硼酸盐作为燃料组分[24]、[25]。该推进剂的理论比冲可达260秒，其各组成成分列于表1中。对于我们之前论文[22]、[25]中公式组分存在的错误，我们深表歉意，请以本表的数值为准。硫酸铵和硝酸钡以1:1的摩尔比例被加入水相中

分解温度

本文通过量化关键参数，研究了不同初始条件下的推进剂分解性能。可以通过比较分解压力来判断分解效率——推进剂分解后会生成气态产物，分解压力越高，说明推进剂分解得越彻底，分解效率也越高。分解效果决定了燃烧效果，通过研究分解速率，可以预测

结论

本文对硝酸羟胺基液体推进剂的分解特性进行了实验研究，并分析了其电化学路径和热路径。研究团队搭建了推进剂电分解实验系统，在不同的初始压力、直流电压和推进剂体积条件下开展了实验，测得了推进剂的分解温度、压力、时间和速率。同时通过热重-差示扫描量热仪分析了推进剂的热行为。

作者贡献说明

Guo-xiu Li： 撰写——审阅与编辑。Bao-zhi Jin： 撰写——初稿撰写、数据整理、概念构思。Yang-bin Zhang： 实验研究。Hong-meng Li： 撰写——审阅与编辑、资金筹集

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

利益冲突声明

我们声明，我们与其他个人或组织之间不存在任何可能不当影响我们工作的财务或个人关系，也不存在任何可能影响题为“电能作用下硝酸羟胺基液体推进剂的分解特性及产物成分研究”的手稿内容或评审结果的各类专业或其他个人利益。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：52176097）。