Dưới áp suất, chất đẩy gốc muối không độc hại hoạt động tốt

Trong các tàu vũ trụ nhỏ hơn như vệ tinh CubeSat, một chất đơn nhân dựa trên muối đang cho thấy nhiều hứa hẹn. Nó có thể được sử dụng cả trong động cơ đẩy hóa học có lực đẩy cao cho các thao tác nhanh nhạy với thời gian và chế độ điện cho các thao tác chậm, chẳng hạn như duy trì quỹ đạo. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ của Đại học Illinois tại Urbana-Champaign đã có thêm kiến ​​thức về cách nó hoạt động dưới áp lực.

Chất đẩy, được gọi là FAM-110A, là hỗn hợp của hai loại muối có bán trên thị trường.

Nicolas Rasmont, một nghiên cứu sinh đang làm việc với Joshua Rovey, giảng viên của AE, cho biết hai hệ thống đẩy riêng biệt với động cơ đẩy riêng: “Không giống như hydrazine, chất đơn nhân được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, hỗn hợp của chúng tôi không độc hại. Nó cũng đặc hơn, vì vậy một bể chứa nhỏ hơn có thể được sử dụng để lưu trữ. Và bởi vì nó có thể được sử dụng trong một máy đẩy điện-hóa học kết hợp, nó cần ít hệ thống ống nước hơn.”

Rasmont cho biết dự án nghiên cứu của ông đã xem xét tốc độ đốt cháy của nó ở chế độ hóa học lực đẩy cao và cách nó hoạt động dưới các áp suất khác nhau. Phát hiện này sẽ giúp cung cấp thông tin về thiết kế động cơ tên lửa sử dụng loại thuốc phóng này.

Rasmont cho biết: “Chúng tôi biết được rằng việc chuẩn bị và điều kiện bảo quản có ảnh hưởng sâu hơn đến vận tốc đốt cháy so với dự đoán của chúng tôi. “Chúng tôi chưa có lời giải thích đầy đủ cho điều đó. Chúng tôi nghĩ rằng đó là do FAM-110A có thể hấp thụ độ ẩm từ khí quyển rất nhanh. Cả hai thành phần đều hút ẩm và các nhà nghiên cứu khác phát hiện ra rằng ngay cả một sự gia tăng nhỏ hàm lượng nước cũng có thể làm thay đổi tính chất cháy của các chất đẩy tương tự. “

Thí nghiệm đã nghiên cứu FAM-110A cùng với hai đối chứng có hành vi đốt cháy nổi tiếng: nitromethane, và hỗn hợp 80% HAN với 20% nước. Các động cơ đẩy phải chịu một loạt áp suất từ ​​0,5 đến 11,0 Megapascal trong khi một camera tốc độ cao ghi lại hình ảnh ngọn lửa để tính toán tốc độ cháy.

Chất lỏng đẩy được đặt trong một ống thạch anh bên trong buồng đốt áp suất cao. Buồng này được đóng lại và tạo áp suất bằng nitơ, sau đó phần trên của chất lỏng được đốt cháy, ngọn lửa phía trước đi xuống ống và được quan sát qua một khung nhìn. Quá trình đốt cháy hoàn toàn có thể mất từ ​​vài giây đến vài phần trăm giây.

Rasmont nói: “Tốc độ ghi ảnh hưởng đến cách bạn thiết kế một động cơ. “Nếu tốc độ đốt cháy của bạn quá cao, bạn sẽ có hồi tưởng về quá trình đốt cháy – trong đó ngọn lửa phân hủy sẽ cố gắng đi ngược qua đường ống vào bể chứa. Nó diễn ra nhanh đến mức có thể làm nổ tung mọi thứ.

“Nhưng mặt khác, nếu tốc độ đốt cháy của bạn quá thấp, thì quá trình đốt cháy sẽ khó duy trì. Cuối cùng, chúng tôi muốn hoạt động trong khu vực Goldilocks nơi tốc độ đốt cháy không quá cao, vì vậy nó an toàn, và Không quá thấp, để quá trình đốt cháy ổn định và hiệu quả Chúng tôi nhận thấy rằng FAM-110A có vùng Goldilocks khá rộng, tốc độ đốt không thay đổi đột ngột khi áp suất tăng dần.

Ngoài ra, tốc độ đốt cháy cao ở áp suất cao, cũng là một hành vi mong muốn.

“Điều đó có nghĩa là chúng tôi có thể chế tạo một động cơ tên lửa sử dụng thuốc phóng của chúng tôi để trở nên thực tế ở hầu hết mọi loại mức áp suất. Tuy nhiên, chúng tôi cũng biết được rằng FAM-110A để lại một lượng chất lỏng đáng kể sau khi nó cháy. Đây là điều không mong muốn vì nó có nghĩa là quá trình đốt cháy không hoàn toàn. Chúng tôi có thể phải thay đổi công thức để cải thiện hiệu quả của quá trình đốt cháy. “

Rasmont cho biết bước tiếp theo là thử sử dụng nó trên động cơ tên lửa thực tế để xem nó có thực tế hay không. “Những thử nghiệm mà chúng tôi đã thực hiện ở đây rất đáng khích lệ, nhưng chúng cũng chỉ ra những hạn chế và những chỗ chúng tôi có thể cải thiện.”

Xem video về quá trình đốt cháy: https://youtu.be/7Riz4t6D6As

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Illinois Grainger College of Engineering . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.

Tham khảo Tạp chí :

1. Nicolas Rasmont, Emil J. Broemmelsiek, Joshua L. Rovey. Tốc độ đốt cháy tuyến tính của chất đơn bào đa chế độ lỏng ion xanh . Đốt và ngọn lửa , 2020; 219: 212 DOI: 10.1016 / j.combustflame.2020.04.014