凝胶火箭推进剂的优势及添加ALEX的新发现

关于金属化胶体推进剂的多数实验和理论研究始于20世纪50年代和60年代，最初主要是应用于航空航天的各种金属浆状燃料的研究［PAL 98］。在20世纪70年代，烃、肼类衍生物和红色发烟硝酸出现。在过去十年中，金属胶体推进剂重点关注双组元推进剂系统［PAL 96］，这些研究工作中只有极少部分涉及纳米颗粒（直径＜100 nm）［PAL 04］，因为纳米级凝胶剂的比表面积高，与传统的微米尺寸凝胶剂相比，添加纳米级凝胶剂的低温凝胶推进剂需要的凝胶剂质量可减少25%～50%。近期许多学科组的研究重心是使用纳米铝作为凝胶剂，对凝胶状火箭推进剂（RP）燃料与铝纳米粉末（ALEX®）喷雾燃烧的研究在气态氧火箭发动机中开展［MOR 01］。虽然5%的质量混合比具有最佳燃烧效率，但是添加到凝胶火箭推进剂燃料的ALEX®质量分数竟然高达55%。类似的研究结论［ELL 03］证实具有16%质量分数的纳米铝颗粒表现出良好的点火和稳定性特征，并且效率增加了一倍。金属化硝基甲烷凝胶，使用ALEX®和5μm直径的颗粒，在燃烧管实验中也进行了研究［WEI 05］。使用5%的硅胶（热解法二氧化硅）并分别装载5%和10%的纳米颗粒，在最高压力（12～13 MPa）下的燃烧速率为4～5 mm／s，明显高于纯硝基甲烷。经过理论计算，将铝纳米粉末添加到胶凝的硝基甲烷，火焰温度（由实验证实）和比冲均有所增加。

Ivanov等［IVA 94，IVA 00］首先研究了铝纳米粉末与水的混合物，混合物中添加聚丙烯酰胺（3%）作为增稠剂，粒径分布范围在30～100 nm，在实验中，他们将铝纳米粉末与蒸馏水混合，并以0.67和1.0的当量比添加增稠剂，未加入聚丙烯酰胺增稠剂的混合物不能被点燃。将混合物填充到直径10 mm的管中，用氩气作为环境气氛，同时保持体系压力恒定，用管内部的电线圈点燃混合物。在最大实验压力7 MPa下，发现混合物的最大燃烧速率约为1.5 cm／s。Shafirovich等［SHA 06］研究了粒径80 nm铝颗粒在水混合物中的燃烧行为，同样添加了聚丙烯酰胺凝胶剂。他们发现粒径80 nm的Al－H2O混合物产生约50%的燃烧速率。Risha等［RIS 07］研究了铝纳米粉末和液态水在不使用任何额外凝胶剂条件下的燃烧。在室温（25℃）下，使用带视窗的容器在氩气气氛中观察到粒径38 nm颗粒具有稳定的燃烧速率，燃烧压力为0.1～4.2 MPa。同时研究了颗粒粒径（50 nm、80 nm和130 nm）和总混合物当量比（0.5～1.25）对燃烧速率的影响。燃烧压力固定在3.65 MPa。以比冲量和燃烧速率来反映化学效率，发现化学反应率在27%～99%范围内变化，数值的变化主要取决于样品粒度和制备。燃烧速率（γ＝αPβ）随着粒径减小而显著增加，直径38 nm颗粒4 MPa下燃烧速率高达8 cm／s。对于38 nm、80 nm和130 nm直径的颗粒混合物，压力指数分别为0.47、0.27和0.31。

铝水混合物由于高能量密度，已被认为是一种氢能源，用于发电［SHA 06］和空间推进［SIP 08，ING 04］。在过去的十年中，有研究涉及了铝纳米颗粒与冰混合的火箭发动机［PER 07b］。(www.xing528.com)

定义（凝胶推进剂）：凝胶推进剂被认为是高性能推进剂，设想凝胶推进剂同时具有液体和固体推进剂的优势性质。与固体推进剂不同，单一液体和双组元推进剂的凝胶化可降低泄漏的风险，同时保持其泵送和节流的能力。凝胶推进剂相比固体推进剂，其对冲击、摩擦和静电放电的感度更低。从性能上来看，凝胶推进剂具有相对密度和密度脉冲，与液体系统相比，其性能可以用更多含能材料例如金属颗粒来进一步增强。