一种过氧化氢水溶液催化分解后高温燃气的模拟方法

1.本发明涉及过氧化氢火箭发动机试验领域，特别是一种过氧化氢水溶液催化分解后高温燃气的模拟方法。


背景技术：

2.液体火箭发动机是运载火箭、航天飞机和空间飞行器等航天系统的主要动力装置，考虑到推力、比冲、可靠性等指标，目前火箭发动机的推进剂基本采用n2o4/肼、一甲基肼、偏二甲肼等剧毒推进剂，或者是液氧/液氢、烃类化合物等低温、不易贮存的推进剂。随着航天技术的发展以及环保和人体健康要求的日益提高，航天动力系统采用无毒、无污染推进剂是今后发展的必然趋势。
3.过氧化氢具有密度比冲高、无毒无污染、高比热、常温可储存、可单分解、可自燃等优点，非常适合做现代火箭发动机的氧化剂。以过氧化氢为代表的绿色自燃推进剂，越来越受到人们的青睐。过氧化氢还具备催化分解特性，赋予了其独有的不依赖于外界能源即可实现毫秒级快速响应的重复启停能力，极大的拓展了动力系统的应用模式，并且过氧化氢的稳定性随着其浓度的增加而不断增加，具有良好的贮存性。过氧化氢已经成为了国内外发展先进动力技术的一大热点，在未来的航天发展中，过氧化氢发动机必将得到越来越广泛的应用。
4.设过氧化氢质量分数为m，过氧化氢的物质的量分数为x，过氧化氢的摩尔质量为34，水的摩尔质量为18，两者之间的关系有：
[0005][0006]
过氧化氢在催化作用下进行放热分解反应：
[0007][0008]
可知物质的量分数为x的过氧化氢完全分解后的产物为氧气和水，其摩尔分数比例为x:2，产物成分比例随过氧化氢质量分数的改变而改变。
[0009]
相对于其他无毒无污染的推进剂，在过氧化氢作为氧化剂时，分解过程可以放出大量热量，与燃料可以自发进行燃烧反应，简化点火过程。只要解决它们的自燃点火的关键技术，就可以将推进剂的氧化剂和氧化剂所要求的无毒、可贮存和可自燃的特性有机地结合在一起，尽可能发挥推进剂的性能，具有极大的推广应用价值。
[0010]
过氧化氢催化分解是多组元自燃发动机方案之一：过氧化氢先被催化分解为高温燃气，再与燃料同时喷入燃烧室中，高温燃气与燃料发生自燃反应。实际应用中过氧化氢的催化分解方案大多为催化床催化：将催化剂放于容器中，让过氧化氢流过催化剂，使其催化分解。按照催化床中催化剂的不同可以分为：颗粒状催化床催化和金属催化网催化。
[0011]
为探索过氧化氢发动机的性能，在试验中要对不同浓度、温度、压力、流量下的过氧化氢进行试验，这不仅对推进系统提出了要求，更对催化床的性能提出了更高的要求，普
通的催化床设计难以满足全部的需求。催化床的设计参数复杂，参考较少，在试验前需要对催化床投入大量的研究，提高了探究发动机内部燃烧流场研究的门槛。
[0012]
目前使用的催化剂种类及其不足
[0013][0014]
催化剂在地面试验中普遍都存在的问题是催化分解准备需要大量时间，并且工艺复杂，在目前大量的地面试验下，影响试验效率。
[0015]
高浓度的过氧化氢对细微杂质非常敏感，在试验管路内接触尘土、铁锈或者其他杂质时可能会发生着火和爆炸事故。所以其对管路的要求极高，在实验前需要对试验管路进行钝化以及清洗工作，每次实验前需要准备的周期较长。对地面试验的效率有很大的影响。
[0016]
目前催化分解方案的受限点：
[0017]
1、工作寿命、床载率、总质量和催化压力。
[0018]
2、催化床性质直接影响到催化效果和效率，与催化剂性能、用量、接触时间和面积等多种因素有关，催化剂的要求较高，必须保证催化剂留在催化床内，如果被分解后的高温燃气带走，会导致催化效果不稳定。
[0019]
3、催化床的参数设计复杂、影响因素多、技术壁垒较高。
[0020]
4、经过催化床的流量范围较窄，在试验中使用不灵活。
[0021]
5、过氧化氢的存储以及供应管路有特殊要求。
[0022]
目前，过氧化氢发动机的试验基本都是直接利用高浓度过氧化氢进行分解。并没有利用其他组分进行模拟的方案。


技术实现要素：

[0023]
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种过氧化氢水溶液催化分解后高温燃气的模拟方法，该过氧化氢水溶液催化分解后高温燃气的模拟方法能利用氢气，氧气和水的燃烧反应来模拟不同质量分数下过氧化氢分解后的高温燃气，能减少催化床性能对于过氧化氢自燃发动机的试验限制，能灵活开展对于发动机内部燃烧流场
结构的研究。
[0024]
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0025]
一种过氧化氢催化分解后高温燃气的模拟方法，包括如下步骤。
[0026]
步骤1、确定待模拟过氧化氢催化分解前参数：待模拟过氧化氢催化分解前参数包括待模拟过氧化氢水溶液中过氧化氢的质量分数a、温度tp和催化分解压强p；其中，a的取值范围为60％-100％。
[0027]
步骤2、确定待模拟过氧化氢催化分解后参数：将步骤1确定的待模拟过氧化氢进行催化分解，得到待模拟过氧化氢催化分解后参数；待模拟过氧化氢催化分解后参数包括氧气质量分数b、水蒸气质量分数1-b、以及氧气和水蒸气混合物的温度t0。
[0028]
步骤3、计算常温氧气和氢气的质量比c：将温度为ty的常温氧气，温度为tq的氢气，以质量比为c的方式，在压强p下，进行充分燃烧，生成质量分数为b的氧气和质量分数为1-b的水蒸气；此时，氧气和水蒸气混合物的温度t1，且ty《t0，tq《t0，t1＞t0；其中，c＞8。
[0029]
步骤4、添加氧水混合物：在步骤3的燃烧生成物中添加x倍的氧水混合物，形成新燃烧生成物；氧水混合物包括氧气和水；其中，氧气的质量分数为b且温度为ty；水的质量分数为1-b且温度为tsl；其中，tsl《t0；通过调整x，能调节新燃烧生成物的温度。
[0030]
步骤5、确定最佳添加倍数d：当x＝d时，能使新燃烧生成物的温度等于t0；此时，d即为最佳添加倍数。
[0031]
步骤5中，最佳添加倍数d的计算方法，包括如下步骤。
[0032]
步骤5a、设定氧水混合物添加倍数x的初始值。
[0033]
步骤5b、常温氧气、氢气和x倍的氧水混合物，三者共同反应形成高温燃气；采用热力学计算得到三组元反应后高温燃气的温度tx。
[0034]
步骤5c、燃气温度判断：将高温燃气温度tx与温度t0进行判定；
[0035]
步骤5d、计算d值：当温度tx和温度t0相等或差值在设定的阈值范围之内时，则认为此时的x值为d；否则，调整x值，并重复步骤5b至步骤5d，直至获得d值。
[0036]
步骤2中，b的计算公式为。
[0037][0038]
步骤3中，质量比c的计算公式为。
[0039][0040]
步骤4中，三组元反应方程为。
[0041][0042]
式中，h2o(l)表示质量分数为1-b且温度为tsl的水。
[0043]
步骤5中，当确定最佳添加倍数d后，三组元反应方程更改为：
[0044][0045]
步骤4中，氧水混合物中氧气的温度ty为高温或低温；氧水混合物中质量分数为1-b的水为液态水或水蒸气。
[0046]
本发明具有如下有益效果：
[0047]
1、本发明能利用氢气，氧气和水的燃烧反应来模拟不同质量分数过氧化氢水溶液分解后的高温燃气，能减少催化床性能对于过氧化氢自燃发动机的试验限制，能灵活开展对于发动机内部燃烧流场结构的研究。本发明能在地面实验中代替过氧化氢催化分解的过程，为研究过氧化氢分解后的高温燃气与各种燃料之间的反应提供了非常方便的条件。
[0048]
2、本发明的自燃点火，从而能将推进剂的氧化剂和氧化剂所要求的无毒、可贮存和可自燃的特性有机的结合在一起，尽可能发挥推进剂的性能，具有极大的推广应用价值。
[0049]
3、本发明方案简单，省去了催化床的复杂的性能探索和结构设计，模拟所用的推进剂在火箭发动机试验中非常常见，推进系统不需要特殊设计。
[0050]
4、本发明不需要改变反应物温度，只需改变三组元的配比即可模拟不同质量分数和温度的过氧化氢分解过程。
[0051]
5、本发明能降低试验成本，简化过氧化氢复杂的催化工艺和昂贵的催化剂使用。
[0052]
6、本发明不直接使用高浓度过氧化氢溶液，降低对试验管路的要求，减少对试验管路的试验前清理次数，减少了试验准备时间，提高了试验效率；
[0053]
7、本发明能提高试验的安全性，防止由于过氧化氢发生意外爆炸及着火的概率。
附图说明
[0054]
图1显示了本发明中三组元推进剂的反应过程示意图。
[0055]
图2显示了本发明一种过氧化氢水溶液催化分解后高温燃气的模拟方法的流程图。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0057]
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
[0058]
如图2所示，一种过氧化氢催化分解后高温燃气的模拟方法，包括如下步骤。
[0059]
步骤1、选择待模拟过氧化氢水溶液中过氧化氢的质量分数a、温度tp和催化分解压强p，a取值范围为60％-100％，tp和p根据过氧化氢水溶液使用条件自由选择。
[0060]
步骤2、确定待模拟过氧化氢催化分解后参数：如图1所示，将步骤1确定的待模拟
过氧化氢进行催化分解，得到待模拟过氧化氢催化分解后参数；待模拟过氧化氢催化分解后参数包括氧气质量分数b、水蒸气质量分数1-b、以及氧气和水蒸气混合物的温度t0。
[0061]
取过氧化氢和水的分子量分别为34和18，则过氧化氢质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解化学反应式如公式(1)所示，
[0062][0063]
这样就可以计算得到分解环境压降为p时，过氧化氢质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解产物中氧气质量分数b和水蒸气质量分数(1-b)，以及分解产物温度t0。其中，b与a一一对应，通过公式(2)计算得到，而t0由a、tp和p共同决定。
[0064][0065]
步骤3、计算常温氧气和氢气的质量比c：将温度为ty的常温氧气，温度为tq的氢气，以质量比为c的方式，在压强p下，进行充分燃烧，生成质量分数为b的氧气和质量分数为1-b的水蒸气；此时，氧气和水蒸气混合物的温度t1，且ty《t0，tq《t0，t1＞t0；其中，c＞8。
[0066][0067]
可见，c与a一一对应，通过公式(4)计算得到。
[0068][0069]
常温氧气和氢气的初始温度分别记为ty和tq，给定ty和tq，可以计算在质量比c和压强p下常温氧气和氢气充分反应生成物的温度t1；根据计算结果，有t1》t0。
[0070]
步骤4、添加氧水混合物：在步骤3的燃烧生成物中添加x倍的氧水混合物，形成新燃烧生成物；氧水混合物包括氧气和水；其中，氧气的质量分数为b且温度为ty；水的质量分数为1-b且温度为tsl；其中，tsl《t0；通过调整x，能调节新燃烧生成物的温度。
[0071]
在步骤3中的生成物中添加常温氧气和常温液态水并充分混合形成新的氧气和水蒸气混合物。如公式(5)所示，所添加常温氧气与常温液态水的质量比和步骤2中质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解产物中氧气与水蒸气的质量比相同，均为b：(1-b)；使得本步骤中所生成的新混合物中氧气和水蒸气的质量分数分别为b和1-b；将步骤3中生成物(高温氧气和水蒸气混合物)与本步骤中添加物(质量比率为b：(1-b)的常温氧气和常温液态水)的质量比记为x。常温液态水温度记为tsl。
[0072][0073]
将公式(5)左侧的两项常温氧气合并成一项，整理成公式(6)，公式(6)中反应物为
常温氧气、常温氢气和常温液态水，这三种组元的反应系数由a和x共同决定。
[0074][0075]
综合步骤1-4可知，对于任一选定的a，在已知tp、p、ty、tq、tsl的条件下,可以唯一确定t0、t1、b和c，其中，t0和t1通过热力计算方法得到，b和c分别通过公式(2)和(4)计算得到；由于常温氧气和常温液态水的温度均小于t0，即ty《t0,tsl《t0，而t1》t0，可计算得到唯一的x＝d使得本步骤中所生成的新混合物温度等于t0。
[0076]
采用上述方法，过氧化氢分解过程的计算结果如下：
[0077]
表1不同浓度和温度过氧化氢分解结果
[0078][0079]
在已知a、tp、p、ty、tq、tsl的条件下，d通过步骤5计算得到。
[0080]
步骤5、确定最佳添加倍数d：当x＝d时，能使新燃烧生成物的温度等于t0；此时，d即为最佳添加倍数。
[0081]
步骤5中，最佳添加倍数d的计算方法，包括如下步骤。
[0082]
步骤5a、设定氧水混合物添加倍数x的初始值。
[0083]
步骤5b、常温氧气、氢气和x倍的氧水混合物，三者共同反应形成高温燃气；采用热力学计算得到三组元反应后高温燃气的温度tx。
[0084]
步骤5c、燃气温度判断：将高温燃气温度tx与温度t0进行判定；
[0085]
步骤5d、计算d值：当温度tx和温度t0相等或差值在设定的阈值范围之内时，则认为此时的x值为d；否则，调整x值，并重复步骤5b至步骤5d，直至获得d值。
[0086]
计算得到d值后，公式(6)则记为公式(7)。
[0087]
[0088]
公式(7)中常温氧气、常温氢气和常温液态水的反应系数由a和d计算得到，将这三种组元按该反应系数进行充分燃烧，得到的产物与步骤1中所选择质量分数为a的过氧化氢水溶液充分分解后产物的成分、含量、温度和压强完全相同。
[0089]
步骤6、获取三组元推进剂比例：将a和d代入公式(7)中各组分前系数，进而得到三组元推进剂氢气、氧气和水在初始温度tp时的反应比例值。
[0090]
上述三组元推进剂氢气、氧气和水在初始温度tp时的反应比例值，为量比或质量分数比。
[0091]
本发明利用氢气、氧气和水对上述的结果进行模拟，三组元的初始温度ty、tq、tsl均为300k，模拟结果如下的表2所示：
[0092]
表2三组元模拟过氧化氢分解结果
[0093][0094]
本发明利用三组元模拟过氧化氢完全分解产物。不需要改变反应物温度，改变三组元的比例即可模拟不同浓度和温度过氧化氢分解的结果。
[0095]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。