关键词：
硝酸羟胺
化学反应动力学
量子化学
过渡态
HAN基推力器
摘要：
高性能和无毒化成为单组元液体推进剂未来的主要研究方向。绿色无毒的硝酸羟胺(HAN)基液体推进剂由于其性能优良成为替代肼推进剂的下一代单组元推进剂之一。但由于HAN基推进剂的反应过程十分复杂,目前对于其微观层面化学反应动力学机理研究以及HAN基推力器工作过程的研究较少。因此,针对HAN基推进剂化学反应机理以及HAN基推力器工作过程的研究具有重要意义。本文以HAN基推进剂为研究背景,采用量子化学的方法完善了HAN/甲醇的热力学文件并构建了HAN/甲醇推进剂的反应机理,然后将热力学文件和反应机理模型应用于HAN基推力器催化分解及燃烧过程的数值模拟研究中,并探讨了HAN和甲醇配比对其工作过程的影响。采用Gaussian软件分别构建了不同结构的HAN分子和NHOH分子,并通过分析得到最稳定的结构,在此基础上分别计算了HAN和NHOH稳定结构的键长、键角、二面角、红外光谱和拉曼光谱等。采用Kisthelp软件分别获得了其在不同温度下的热力学参数,并拟合得到HAN和NHOH在热力学文件中所需要的温度函数的系数。构建了HAN/甲醇的详细化学反应动力学机理,根据现有的实验数据对此详细机理进行了准确性验证。然后,进一步简化了HAN/甲醇的详细化学反应动力学机理,获得了HAN/甲醇的简化化学反应机理,并与详细机理进行了对比验证以确保其准确性。通过对HAN/甲醇的简化化学反应机理模型的温度和重要组分的敏感性分析,明确了对其有重要影响的反应。采用量子化学的方法分别研究了重要反应HAN+HO→NHOH+HNO+HO、NHOH+HNO→HONO+HNO+HO、NHOH+HONO→NO+2HO、NHOH+HNO→N+2HO和CHOH+O=CHOH+OH的过渡态、内禀反应坐标和反应能垒,并利用过渡态理论求解了其在不同温度下的化学反应速率常数。在此基础上,根据阿伦尼乌斯定律拟合得到了化学反应的动力学参数。基于本文计算得到的HAN/甲醇热力学文件和化学反应机理文件,采用数值模拟的方法研究了稳定工作状态下HAN基推力器内温度、压力、马赫数、反应物、中间产物和生成物的分布特性。此外,探究了HAN和甲醇配比对HAN基推力器催化分解及燃烧过程中温度、压力和重要组分的影响,这也对研究HAN基推进剂中硝酸羟胺和甲醇的配比权重具有参考意义。
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