力学所在H2O2/石蜡基固液火箭发动机催化重复点火及燃烧特性研究

H2O2作为氧化剂是固液火箭发动机的研究热点，特别是在固液火箭发动机重复启动方面具有极大发展潜力。H2O2经催化床分解后能够产生高温氧气，能够直接点燃固体燃料，无需额外点火设施，此外H2O2密度比液氧高、绿色环保，而且可以常温贮存。但在实际应用中，H2O2催化点火是一个复杂的过程，受到催化床性能、氧化剂流量、燃料种类等多方影响。

力学所高温气流激光诊断研究团队在H2O2/石蜡基固液火箭发动机（HRE）催化重复点火及燃烧特性研究中取得进展。结合激光吸收光谱、燃烧场数值分析等手段，开展石蜡基燃料在90%H2O2作用下的催化点火和重复点火研究（逻辑思路如图1所示）。以H2O2分解温度的变化为分析前提，采用热电偶和基于H2O吸收的激光吸收光谱技术进行监测。分析预热、银网层数和催化床使用次数对H2O2分解特性的影响；与此同时，建立了H2O2分解效率衰减对HRE燃烧特性的影响的二维数值模型；最后，通过静态点火实验明确H2O2/石蜡基HRE催化点火和重复点火性能。研究结果表明，催化床预热是提高H2O2初始分解速率进而提高点火成功率的关键因素（如图2和图3所示）。过多或过少的银网层数和连续重复使用催化床分别因热损失和使用寿命下降而降低分解温度。在60层床层预热条件下，分解延迟时间小于0.5 s，分解效率为100%。重复点火使分解效率逐渐降低，降低的速率约为0.0625%/s。数值模拟结果表明，H2O2分解效率越低，发动机燃烧性能越差（如图4所示）。当H2O2分解效率继续下降到80%时，由于H2O2的质量损失，发动机燃烧性能存在突降现象。最后，地面燃烧实验（如图5所示）验证了H2O2/石蜡基HRE重复点火可靠，无点火压力峰。

该研究成果以“Charactering Catalytic Ignition and Combustion for the Ninety Percent Hydrogen-Peroxide/Paraffin-Based Hybrid Rocket Engine”为题近期发表在Journal of Propulsion and Power上，中科院力学所林鑫高级工程师和吴坤副研究员为共同通讯作者，王泽众特别研究助理为第一作者，该工作获得了国家自然科学基金、国家重点计划、广东省重点领域研究与发展计划中国科学院青年创新促进会的支持。 


图1 本研究逻辑思路


图2 预热与非预热条件下的H2O2

 
图3 传统热电偶与LAS测量结果的对比


图4 燃烧室内H2O2和O2浓度随催化分解效率变化下的对比


图5 H2O2/石蜡基固液火箭发动机催化点火