火星环境对现有固体火箭发动机的影响分析

作者:李杨 刊名:科技经济导刊 上传者:常景环

【摘要】通过对比火星与地球的环境差异,分析了现有固体火箭发动机在火星环境下工作可能出现的问题,提出了未来面向火星环境的固体火箭发动机需要突破的关键技术,为后续深入研究提供参考。

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从1962年前苏联Mars-1探测器开始,人类对火星的探索已经持续了半个世纪。作为太阳系内最有可能的人类移居星体,面向火星环境的推进技术研究具有重要意义。 目前用于火星的动力系统研究主要是星际航行技术、火星着陆技术以及火星风洞,如美国NASA艾姆斯研究中心的MARSWIT火星风洞和丹麦Aarhus大学火星风洞等。推进技术特别是用于武器系统的推进技术方面,化学推进依然是成熟度最高的方式。这一方面的研究主要集中在Mg/CO2粉末燃烧推进和低温固体推进剂方面,将现有固体火箭发动机针对火星环境进行改良的研究较为少见。 本研究从改良现有固体火箭推进系统的技术角度出发,通过分析火星环境与地球的差异,提出现有固体火箭发动机系统可能面临的问题,从材料科学研究层面提出需要突破的几个技术方向。 1火星环境参数及其影响 由于火箭发动机为非吸气式推进系统,对外界环境的依赖性较低,因而只有为数较少的几个环境因素会对火箭发动机产生影响。最为显著的环境因素为大气环境,包括大气分层、气体组分、压强和温度分布等。 1.1火星大气分层 大气分层是飞行器弹道设计的基础考量因素,而飞行弹道决定了发动机的工作环境。火星的大气分层如图1所示。 1.2火星大气组分 “海盗号”探测器获得的低层大气组分如表1。火星大气的主要组分是CO2,水和氧气的比例很小,无强腐蚀性气体。从推进剂长期贮存防止氧化方面看,火星环境的氧化性很小,发生缓慢氧化的可能性较低。但是对于添加Mg、Al等金属粉末的高能推进剂,要考虑CO2与金属成分的缓慢反应,防止推进剂失效。 1.3火星大气温度和压强分布 基于火星大气的温度和压强分布数据,不同学者给出了多个拟合公式,这里给出日本大学Ushijima给出的公式。由于火星地表缺少海洋湖泊,热容量小;而且星体质量仅为地球的11%左右,表面重力加速度3.7252m/s2,故大气层比地球稀薄。以上原因导致火星地表的昼夜温差可高达100,全年温度变化范围大体在-130~30左右。 相对于目前火箭发动机-54~70的工作环境温度范围,有76的低温范围未被覆盖。这一低温区间有可能对火箭发动机的多个部件产生显著影响,材料的理化性能与常温范围明显不同,导致发动机出现各种模式的失效。 火星环境各项参数中,对火箭发动机影响最为显著的是温度。 2温度对推进剂的影响 温度对推进剂可能存在以下两种影响:低温下药柱脆化,低温下点火不稳定。 2.1药柱低温脆化 固体推进剂在低温下会脆化,表现为高弹性模量和高拉伸强度,国内外很多固体推进剂研究中都曾出现这一问题。药柱脆化后抵抗冲击和变形的能力下降,在装备运输过程中容易因冲击造成裂纹,或者在长期存储过程中因热应力分布不均导致裂纹。此外,点火时的压力峰冲击也可能使药柱发生变形和开裂,使燃烧面积增大,引起发动机内弹道曲线变化,甚至爆炸。 2.2低温点火可靠性 根据阿累尼乌斯定律,化学反应速率与温度呈指数关系。推进剂初始温度过低会使化学反应速率维持在较低的水平,而且需要更高的热量才能在需(下转P53)(上接P55)要的时间范围内实现成功点火。对于火 星-130的低温环境,现有的点火系统有可能因点火能量不足或持续时间不够长而影响点火可靠性,出现不稳定燃烧等情况。 3温度对包覆层、衬层和绝热层的影响 包覆层、衬层和绝热层也存在低温下力学性能改变的问题。此外,各层之间及包覆层与药柱之间热膨胀系数不同可能导致脱粘和药柱裂纹。 100的温度变化范围,很有可能出现这些包裹在药柱外面的材料与药柱的热胀冷缩差异程度过大,导致脱粘、包覆材料撕裂或药柱被包覆材料撕裂的问题。 高分子材料在

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