常溫綠色過氧化氫動力技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

單繼宏, 王曉東, 張 濤

常溫綠色過氧化氫動力技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

單繼宏, 王曉東, 張 濤

(中國科學(xué)院催化材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大連化學(xué)物理研究所, 遼寧大連, 116023)

過氧化氫是常溫綠色推進(jìn)劑的典型代表。文中針對裝備動力無毒化、多任務(wù)和高效能等使命需求, 概述了過氧化氫本征及其動力技術(shù)的特點(diǎn), 分析了當(dāng)前美國、歐洲等過氧化氫動力技術(shù)的技術(shù)狀態(tài)和發(fā)展趨勢, 總結(jié)了我國自“十五”以來過氧化氫動力技術(shù)的發(fā)展歷程。結(jié)合先進(jìn)空天組合動力、新型固-液混合動力以及重復(fù)使用液-液火箭動力等新興技術(shù)發(fā)展方向, 介紹了過氧化氫在先進(jìn)動力研究方面取得的突破, 闡述了催化分解和凝膠賦形等過氧化氫動力關(guān)鍵技術(shù)獲得的進(jìn)展和存在的問題。

過氧化氫; 組合動力; 固液混合動力

0 引言

1 國外發(fā)展趨勢

過氧化氫動力技術(shù)在國外擁有長期的應(yīng)用歷史、成熟的工程經(jīng)驗(yàn)和方興未艾的發(fā)展態(tài)勢。作為現(xiàn)代火箭動力技術(shù)最早選用的推進(jìn)劑之一, 以V-2導(dǎo)彈為標(biāo)志, 過氧化氫在海、陸、空、天等裝備動力領(lǐng)域均開創(chuàng)了歷史, 參見表1[3-4]。在此歷程中, 英國、美國、俄羅斯以及瑞典等國在技術(shù)突破和應(yīng)用拓展方面發(fā)揮了決定性作用, 推動過氧化氫動力技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)全面發(fā)展的高潮, 成就了諸如TP-2000魚雷、Scout火箭和Soyuz載人飛船等代表人類技術(shù)發(fā)展里程牌的經(jīng)典作品。其中, 瑞典自1957年即在TP系列重型魚雷上使用高濃度過氧化氫(85wt%)。截至目前, 在60多年的應(yīng)用歷史中, 總計(jì)消耗過氧化氫約4000 t, 演訓(xùn)約2萬條次, 沒有發(fā)生任何事故[5]; 美國Scout火箭(1961～1994年)使用過氧化氫作為反作用力控制系統(tǒng)(reaction control system, RCS)推進(jìn)劑, 在整個(gè)服役周期的113次發(fā)射中, 過氧化氫動力系統(tǒng)零事故[6]; 而前蘇聯(lián)/俄羅斯R-7火箭家族和Soyuz載人飛船是國際公認(rèn)可靠性最高的金牌產(chǎn)品, 分別在火箭渦輪泵氣源和飛船再入大氣層輔助動力上使用過氧化氫, 1957～1999年, 過氧化氫消耗約2.5×107lb(約11340 t), 百萬磅事故率為0.039, 即在40多年的應(yīng)用中僅發(fā)生過1次事故[6]。盡管英國最終放棄了航天自主發(fā)射手段, 但在1950～ 1970年間, 其針對彈道導(dǎo)彈訓(xùn)練、運(yùn)載火箭發(fā)射等發(fā)展需求, 圍繞Black Arrow、Black Knight以及Blue Streak等任務(wù), 集中開展了過氧化氫火箭動力技術(shù)研究, 并在發(fā)動機(jī)循環(huán)、過氧化氫標(biāo)準(zhǔn)和使用管理規(guī)范方面, 完全突破了德國建立的技術(shù)體系, 奠定了現(xiàn)代過氧化氫動力技術(shù)高可靠批量應(yīng)用的工程基礎(chǔ), 并于1971年使用過氧化氫主推動力的Black Arrow火箭成功完成衛(wèi)星發(fā)射。

表1 過氧化氫動力技術(shù)典型應(yīng)用

全性更優(yōu)的先進(jìn)過氧化氫組合動力方案[8-9]; 同時(shí), 針對立方星座微推力需求, 正在開展衛(wèi)星過氧化氫蒸汽推進(jìn)概念技術(shù)研究[10]。歐洲過氧化氫動力的應(yīng)用歷史已近一個(gè)世紀(jì), 近年來, 在航天運(yùn)載無毒化、探月飛行器深度變推等先進(jìn)動力領(lǐng)域, 制定了明確的發(fā)展路線圖[6]。其中, 作為HERACLES(human-enhanced robotic architecture and capability for lunar exploration and science)探月工程動力技術(shù)研發(fā)的核心成員, 挪威Nammo公司的過氧化氫固液動力火箭Nucleus于2018年首飛成功[11], 開啟了固液火箭商業(yè)發(fā)射的序幕, 也為歐洲探月工程奠定了動力基礎(chǔ)[12-13]。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

與國外相比, 國內(nèi)過氧化氫動力技術(shù)無論是應(yīng)用歷史、技術(shù)基礎(chǔ), 還是工程經(jīng)驗(yàn)均存在差距。我國最早使用過氧化氫是在1964年完成飛行試驗(yàn)、1966年裝備應(yīng)用、后續(xù)采用了更高比能量的肼類推進(jìn)劑?！熬盼濉薄笆濉逼陂g, 大連化學(xué)物理研究所率先開展了過氧化氫催化分解技術(shù), 完成了工程化驗(yàn)證, 流量高達(dá)7 kg/s, 單次試驗(yàn)消耗噸級以上, 與其他單位合作初步建立了過氧化氫推進(jìn)劑技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈條, 為航天動力無毒化技術(shù)發(fā)展積累了工程經(jīng)驗(yàn)。“十一五”期間, 針對天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)和高速飛行器先進(jìn)動力需求, 我國啟動了常溫綠色航天過氧化氫動力技術(shù)研究, 西安航天動力研究所、北京航天動力研究所、上海航天動力機(jī)械研究所以及國防科技大學(xué)等研究機(jī)構(gòu), 分別從單組元及雙組元等不同工作模式, 對發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、催化劑研究、結(jié)構(gòu)理論計(jì)算和性能仿真等方面開展了全方位研究[14-17], 取得了動力系統(tǒng)構(gòu)型、發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、渦輪泵組件以及高效催化分解等關(guān)鍵技術(shù)突破, 完成了50 kN、35 kN、12 kN等系列發(fā)動機(jī)全尺寸系統(tǒng)聯(lián)試[18-19], 驗(yàn)證了方案的可行性, 如圖1所示。而作為過氧化氫先進(jìn)動力關(guān)鍵技術(shù)之一的催化分解技術(shù), 國內(nèi)先后開展了顆粒、蜂窩陶瓷、層板以及網(wǎng)基等形態(tài)的催化劑研究[20-24], 并開展了不同級別的技術(shù)驗(yàn)證。

圖1 過氧化氫分解催化劑及熱試車照片

近幾年, 先進(jìn)空天組合動力、新型固液混合動力、可重復(fù)使用液-液火箭動力等領(lǐng)域, 再次鎖定常溫?zé)o毒過氧化氫推進(jìn)劑, 并在先進(jìn)液膜冷卻、新型泵供輸運(yùn)和異型增材制造等一系列新技術(shù)上取得突破[25-27]。在工業(yè)集團(tuán)、高校、研究所以及商業(yè)航天公司等協(xié)力推動下, 國內(nèi)過氧化氫動力技術(shù)迎來前所未有的發(fā)展空間。

圖2 過氧化氫原位釋氧工作原理

近年來, 圍繞工程化應(yīng)用目標(biāo), 大連化學(xué)物理研究所集中開展了過氧化氫先進(jìn)動力關(guān)鍵技術(shù)研究, 并在高效催化分解技術(shù)和過氧化氫賦形技術(shù)等方面取得了階段性突破。

圖3 高床載及耐高溫催化劑熱試數(shù)據(jù)

圖4為倒置狀態(tài)下的小分子凝膠過氧化氫及熱試考核數(shù)據(jù)。

3 存在的問題

經(jīng)過近4個(gè)“五年”計(jì)劃的支持發(fā)展, 我國過氧化氫動力技術(shù)已經(jīng)具備一定基礎(chǔ), 正處在技術(shù)攻關(guān)向應(yīng)用推進(jìn)的關(guān)鍵階段, 但是安全問題始終困擾著國內(nèi)工程化的進(jìn)程, 成為了過氧化氫的“阿喀琉斯之踵”, 也是當(dāng)前過氧化氫動力技術(shù)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。為了客觀、全面地認(rèn)識這個(gè)問題, 首先從本征性質(zhì)層面, 利用國際公開報(bào)道的數(shù)據(jù), 從貯存穩(wěn)定性和對各類強(qiáng)沖擊作用安定性的角度,綜合分析評判過氧化氫自身的安全性。

國外文獻(xiàn)報(bào)道[29], 過氧化氫的使用穩(wěn)定性主要受濃度和純度影響, 呈現(xiàn)越純越穩(wěn)定和濃度越高越穩(wěn)定的規(guī)律。圖4(a)對比了1947年和1965年的使用數(shù)據(jù), 可以看出, 隨著雜質(zhì)含量的降低過氧化氫的穩(wěn)定性有逐漸提高的趨勢, 并以此關(guān)系推斷, 到2003年, 過氧化氫純度相較1947年將提高6個(gè)數(shù)量級, 穩(wěn)定性可提高3個(gè)數(shù)量級。圖4(b)為不同濃度過氧化氫的穩(wěn)定性擬合曲線, 穩(wěn)定性與過氧化氫濃度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系, 濃度達(dá)到98%的樣品其分解趨勢已明顯降低。此外, 為了評價(jià)過氧化氫在高溫作用下的穩(wěn)定性, 美國建立了2個(gè)測試方法: 穩(wěn)定性(Stability)和活性氧損失(active oxygen loss, AOL), 現(xiàn)代工藝制備的高純過氧化氫在一級相容材料的測試容器內(nèi), 在100℃加熱24 h和66℃加熱7天, 90%過氧化氫的Stability和AOL值分別可達(dá)99.56%～99.97%和0.014%～0.202%[29], 而美國FMC公司則在得克薩斯州進(jìn)行了戶外環(huán)境存放試驗(yàn)和控溫試驗(yàn), 90%～ 91%的過氧化氫在環(huán)境溫度條件下存放17年, 濃度變?yōu)?4%, 年平均下降不到0.4%, 而在5℃存放17年, 其濃度維持在90.5%, 幾乎沒有變化。另外, 美國海軍空戰(zhàn)中心(China Lake)在莫哈韋沙漠, 將98%過氧化氫裝在2.5L硝酸用瓶中存放6個(gè)月, 濃度升至99.5wt%, 說明在密閉容器內(nèi)過氧化氫蒸發(fā)量大于分解量[30]。上述實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步印證了過氧化氫具有較為優(yōu)異的本征穩(wěn)定性。

圖4 倒置狀態(tài)下小分子凝膠過氧化氫照片及熱試考核數(shù)據(jù)

圖5 純度、濃度對過氧化氫穩(wěn)定性的影響規(guī)律曲線

表2為90%濃度的過氧化氫在各類沖擊作用下的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)[1]。可知, 90%過氧化氫在各類沖擊作用下, 具有優(yōu)異的穩(wěn)定性能, 且不具有爆轟性。

表2 90%～100%過氧化氫沖擊敏感試驗(yàn)數(shù)據(jù)

另外, 從使用操作層面結(jié)合實(shí)際工況條件, 檢驗(yàn)過氧化氫是否滿足實(shí)用化要求, 也是客觀評價(jià)其安全性的重要組成部分。目前, 涉及具體應(yīng)用場景的過氧化氫安全性報(bào)道較少,可供借鑒的數(shù)據(jù)還不充分。在使用操作過程中, 除了工況因素外, 技術(shù)方案對使用安全也有決定性影響。以火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)為例, 在V-2導(dǎo)彈時(shí)期, 采用的是液-液方案, 即過氧化氫與高錳酸鹽水溶液或與液體自燃燃料在反應(yīng)室內(nèi)直接接觸, 實(shí)現(xiàn)分解或燃燒反應(yīng), 這一技術(shù)方案的優(yōu)勢是設(shè)計(jì)簡單, 但伴生的缺陷是無法保證過氧化氫與催化劑溶液或液體燃料按理想狀態(tài)均勻混合, 并以可控的形式完成反應(yīng), 實(shí)際情況是在物料摻混效率與反應(yīng)觸發(fā)延遲疊加作用下, 造成局部反應(yīng)不充分而中間產(chǎn)物富集, 進(jìn)而因失控性反應(yīng)引發(fā)炸機(jī)事故。而進(jìn)入過氧化氫火箭主推動力發(fā)展時(shí)代, 英國建立了催化補(bǔ)燃發(fā)動機(jī)方案, 即設(shè)計(jì)了催化分解室, 首先利用催化劑將過氧化氫分解成水蒸氣和氧氣再進(jìn)入燃燒室, 預(yù)先將過氧化氫分子鍵合的高反應(yīng)活性化學(xué)能前置釋放, 根本突破過氧化氫雙組元燃燒易引發(fā)失控反應(yīng)的難題。但是, 由技術(shù)方案引發(fā)的安全性問題通常還是被籠統(tǒng)的歸咎為過氧化氫安全性不足上。就使用安全性而言, 必須強(qiáng)調(diào)高濃度過氧化氫是一類推進(jìn)劑, 具有含能屬性, 同時(shí)作為氧化劑, 其強(qiáng)助燃性同樣具有不可忽視的潛在危險(xiǎn), 標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和專業(yè)化管理操作對過氧化氫安全使用至關(guān)重要。

盡管國內(nèi)已有近20年的過氧化氫動力技術(shù)研究與試驗(yàn)基礎(chǔ), 但在裝備領(lǐng)域工程化的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對國外明顯不足, 對過氧化氫安全性這一核心問題,及其本征屬性和使用特性認(rèn)識不全面。為了加快推進(jìn)過氧化氫先進(jìn)動力技術(shù)在海、陸、空、天各應(yīng)用領(lǐng)域的工程化進(jìn)程, 特別需要全產(chǎn)業(yè)鏈條聯(lián)合, 圍繞不同應(yīng)用場景的具體工況條件, 系統(tǒng)性、針對性地開展過氧化氫使用安全性測試評估, 自主建立全面、科學(xué)和有特色的第一手?jǐn)?shù)據(jù), 為理性、客觀認(rèn)識過氧化氫安全性問題提供理論依據(jù)。

4 結(jié)束語

綜上所述, 常溫綠色過氧化氫先進(jìn)動力技術(shù)契合未來高技術(shù)裝備發(fā)展的使命需求, 在國際國內(nèi)均處于全面發(fā)展的態(tài)勢。國外在對過氧化氫安全性深刻認(rèn)識和標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化不斷完善的基礎(chǔ)上, 作為操作友好的典型推進(jìn)劑, 已被航天、航海等動力領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。國內(nèi)受使用安全性困擾, 一定程度遲滯了過氧化氫動力技術(shù)工程化進(jìn)程, 但在國家重大任務(wù)的持續(xù)牽引下, 經(jīng)過工業(yè)部門、科研機(jī)構(gòu)等全產(chǎn)業(yè)鏈多年的協(xié)同攻關(guān)研究, 已取得一系列關(guān)鍵技術(shù)突破, 綜合實(shí)力達(dá)到較高水平, 針對批量裝機(jī)應(yīng)用目標(biāo), 同步啟動了滿足裝備安全使用要求的、完備的、可操作的規(guī)范體系研究與構(gòu)建。這一切將為過氧化氫動力技術(shù)發(fā)展提供了依據(jù)。

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Current State and Development Trend of Non-Cryogenic Green Hydrogen Peroxide Power Technology

SHAN Ji-hong, WANG Xiao-dong, ZHANG Tao

(Dalian Institute of Chemical Physics, State Key Laboratory of Catalysis, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China)

Hydrogen peroxide is a typical non-cryogenic green propellant. This paper outlines the intrinsic characteristics of hydrogen peroxide and the characteristics of its power technology for the mission requirements of equipment power nontoxicity, multi-tasking, and high efficiency, analyzes the current technical status and development trend of hydrogen peroxide power technology in Europe and America, and summarizes the development of hydrogen peroxide power technology in China since the “10th Five-Year Plan”. Combined with the advanced aerospace combined power, new solid-liquid hybrid power, reusable liquid-liquid rocket power, and other emerging technology development directions, this paper presents a breakthrough in the research of advanced power of hydrogen peroxide, and expounds the progress and existing problems of key hydrogen peroxide power technologies such as catalytic decomposition and gelation.

hydrogen peroxide; combined power; solid-liquid hybrid power

TJ630.32

R

2096-3920(2021)06-0667-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.004

單繼宏, 王曉東, 張濤. 常溫綠色過氧化氫動力技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(6): 667-673.

2021-10-21;

2021-11-05.

單繼宏(1973-), 男, 碩士, 正高級工程師, 主要研究方向?yàn)榫G色推進(jìn)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)