科学家正在研究新式的固体推进剂 作为未来的火箭推进方式

科学家正在研究新式的固体推进剂，可作为烟火、采矿和太空推进的更安全的选择，因为它们仅在电流下点燃。但是，由于所有这些应用都需要高热量，因此了解高温如何改变推进剂的化学性质非常重要。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，密苏里科技大学和NASA的研究人员使用计算机模型模拟高温材料的热化学性质，以预测新型高性能电固体推进剂的热化学性质。

“在烧蚀脉冲等离子推进器(ablation pulsed plasma thruster)中，电固体推进剂的表面附近有高温等离子体。热量导致少量推进剂被从表面去除并蒸发。被烧蚀的材料被加速到非常高的速度来推动火箭。但是，高温也改变了材料的化学成分。到目前为止，我们还没有该化学成分信息。”。伊利诺伊大学Grainger工程学院航空航天工程学系副教授约书亚·罗维(Joshua Rovey)说。

我们在谈论的温度有多热?举例来说，12000K是恒星表面的温度。该模型模拟了500至40000K的温度。

在这样的高温下，固体推进剂的化学性质发生变化。常规的特氟龙(聚四氟乙烯)材料由两个碳和四个氟组成。当它烧蚀时，温度很高，以至分子解体，碳和氟彼此分离。

罗维说：“温度非常高，以至于电子从那些原子中脱出。带负电的电子在周围移动，带正电的离子仍然保持流体状态。热气以高速从推进器中喷出，从而产生推力并推动航天器。这项工作是一个数值模型，可预测这种推进剂在汽化时处于高温状态的热力学和平衡。”

该研究始于先前开发的用于特氟龙材料的数值模型和数据，以提供基准。在确认他们正确模拟了特氟龙之后，研究人员使用了相同的模型，但是使用了高性能电推进剂 - 羟基硝酸铵 -来预测其在与聚四氟乙烯相同的温度下的电导和电离。

该研究的一个主要结论是，在这些极端温度下，高性能电推进剂具有更高的焓(存储在气体中的能量)。

罗维说：“与特氟龙相比，与这种材料有关的冻结流动损失(frozen flow losses)可能更多。高性能电动推进剂在气体内部存储了更多的能量。对于推进，我们希望该能量用于加速气体。我们不想在气体内部保留太多的能量。是的，它确实制造了热气，但我们需要高速气体。

“这是使用它的缺点之一，在这些气体内部存储更多的能量会降低效率。这项研究表明，原因基本上是由于材料的热化学性质 - 高性能电推进剂的原子和分子组成以及它们如何应对加热和高温。”

罗维说，这项工作的信息可以应用于其他固体推进剂应用，例如烟火或激光烧蚀。

“无论是烧蚀脉冲等离子推进器，激光烧蚀表面还是其他能量沉积技术，我们都只是在研究这种材料在不同温度下的行为 - 其化学成分如何变化。”

这项研究“基于羟基硝酸铵的电固体推进剂等离子体的热力学性质”发表在《热物理学和热传递》杂志上。

关键词： 火箭推进