استفاده بالقوه از نانو پودرهای فعال به منظور احتراق و پیش رانش راکت

قیمت: 38,000 تومان

دانلود رایگان مقاله

خرید ترجمه مقاله

عنوان فارسی

استفاده بالقوه از نانو پودرهای فعال به منظور احتراق و پیش رانش راکت

عنوان لاتین

Potential Usage of Energetic Nano-sized Powders for Combustion and Rocket Propulsion

نانو فلزات فعال و ذرات بور (با ابعاد کمتر از 100 نانو متر) دارای خواص مطلوب احتراقی چون گرمای احتراق بالا و نرخ آزاد شدن سریع انرژی هستند. به دلیل قابلیت این مواد در بهبود عملکرد، فلزات مختلفی برای استفاده در فرمولاسیون پیشرانه های جامد، پیشرانه های ژل و سوخت های جامد معرفی شده اند. تلفیق موادی نانومتری با سوخت ها و پیشرانه ها مزایای عمده ای دارد که عبارتند از: 1) کوتاه شدن زمان تاخیر اشتعال ، 2) کوتاه شدن زمان سوختن، که منجر به احتراق کامل تر در سیستم های پیش رانشی در حجم محدود می گردد، 3) افزایش نرخ انتقال حرارت از سطح ویژه بزرگتر، 4) انعطاف بیشتر در طراحی سوخت/پیشرانه های فعال جدید با خواص فیزیکی مطلوب، 5) نانو ذرات می توانند به عنوان یک ژل عمل نمایند تا جایگزین عوامل ژله ای کم انرژی یا خنثی شوند، 6) همچنین نانو ذرات می توانند به منظور واکنش اکسیداسیون مستقیم و آزاد شدن سریع انرژی در ناحیه ای با درجه حرارت بالا پراکنده شوند و 7) افزایش عملکرد پیش رانشی با افزایش تکانش دانسیته. با توجه به این مزایا، از تکنیک های متنوعی برای سنتز نانو ذرات در ابعاد و اشکال مختلف بهره گرفته شده است. به منظور کاهش هرگونه خطرات احتمالی مرتبط با سر و کار داشتن با نانو ذرات مانند اکسیداسیون ناخواسته ذرات، روش های روکش گذاری مختلفی توسعه یافته است. برخی از این مواد پوششی می توانند رفتار اشتعال و احتراق را بهبود بخشند، برخی دیگر می توانند سازگاری ذرات با مواد اطراف را افزایش دهند. محققان بسیاری بصورت فعال برای مشخص کردن رفتار اشتعال و احتراق نانو ذرات و همچنین ارزیابی بهبود عملکرد پیشرانه ها و سوخت های حاوی نانو ذرات فعال به کار گرفته شده اند. برای مثال، سوخت های جامد می توانند شامل درصد قابل توجهی از نانو ذرات باشند که نرخ سوخت جرم در موتورهای هیبریدی راکت را افزایش می دهند، به طوری که نرخ برگشت پیشرانه های جامد هنگامی که نانو ذرات در فرمولاسیون آنها گنجانده شده است، می تواند چندین برابر افزایش یابد. به خصوص داده های موتور هیبریدی نشان می دهد که افزودن 13 درصد پودر آلومینیوم فعال می تواند نرخ برگشت HTPB را در مقایسه با سوخت HTPB آلومینایز نشده در یک نرخ جریان گازی اکسید کننده را تا 123 درصد افزایش می دهد. مطالعات استراند با دو فرمولاسیون پیشرانه جامد مشابه (یکی با 18 درصد پودر آلومینیوم معمولی و دیگری با 9 درصد آلومینیوم جایگزین شده با پودر الکس) نشان می دهد که نانو ذرات می توانند نرخ احتراق خطی پیشرانه های جامد را تا 100 درصد افزایش دهد، علاوه بر این در مورد سوخت های جامد و پیشرانه ها، احتراق اسپری پیشرانه های دو طرفه با استفاده از پیشرانه های ژل اشباع شده با نانو ذرات بور به عنوان سوخت در موتور راکت انجام شده است. راندمان احتراق بالا با استفاده از سوختن نانو ذرات بور موجود در اسپری سوخت مایع غیر سمی به دست آمده است. تعیین میزان آلومینیوم فعال و اندازه گیری دانیسته با استفاده از آنالیز شیمیایی، مشخصه یابی شده اند و تصویربرداری با استفاده یک میکروسکوپ الکترونی در هر دو مورد نانو ذرات و مخلوطی از مواد فعال انجام شده است. به طور کلی استفاده از نانو ذرات فعال به عنوان یک پارامتر طراحی جدید، عملکرد رانشی پیشرانه های آینده و سوخت ها را می تواند شدیدا افزایش دهد.

Nano-sized energetic metals and boron particles (with dimensions less than 100 nanometers) possess desirable combustion characteristics such as high heats of combustion and fast energy release rates. Because of their capability to enhance performance, various metals have been introduced in solid propellant formulations, gel propellants, and solid fuels. There are many advantages of incorporating nano-sized materials into fuels and propellants, such as: 1) shortened ignition delay; 2) shortened burn times, resulting in more complete combustion in volume-limited propulsion systems; 3) enhanced heat-transfer rates from higher specific surface area; 4) greater flexibility in designing new energetic fuel/propellants with desirable physical properties; 5) nano-particles can act as a gelling agent to replace inert or low-energy gellants; 6) nano-sized particles can also be dispersed into hightemperature zone for direct oxidation reaction and rapid energy release, and 7) enhanced propulsive performance with increased density impulse. In view of these advantages, numerous techniques have been developed for synthesizing nano-particles of different sizes and shapes. To reduce any possible hazards associated with the handling of nano-sized particles as well as unwanted particle oxidation, various passivation procedures have been developed. Some of these coating materials could enhance the ignition and combustion behavior, others could increase the compatibility of the particles with the surrounding material. Many researchers have been actively engaged in the characterization of the ignition and combustion behavior of nano-sized particles as well as the assessment of performance enhancement of propellants and fuels containing energetic nano-particles. For example, solid fuels could contain a significant percentage of nano-sized particles to increase the mass-burning rate in hybrid rocket motors, the regression rate of solid propellants can be increased by several times when nano-sized particles are incorporated into the formulation. Specifically, hybrid motor data showed that the addition of 13% energetic aluminum powders can increase the linear regression rate of solid HTPB-based fuel by 123% in comparison to the non-aluminized HTPB fuel at a moderate gaseous oxidizer mass flow rate. Strand burner studies of two identical solid propellant formulations (one with 18% regular aluminum powder and the other with 9% aluminum replaced by Alex® powder) showed that nano-sized particles can increase the linear burning rate of solid propellants by 100%. In addition to solid fuels and propellants, spray combustion of bipropellants has been conducted using gel propellants impregnated with nano-sized boron particles as the fuel in a rocket engine. High combustion efficiencies were obtained from burning nano-sized boron particles contained in a nontoxic liquid-fuel spray. Materials characterization such as chemical analyses to determine the active aluminum content, density measurements, and imaging using an electron microscope have been performed on both neat nano-sized particles and mixtures containing the energetic materials. In general, using energetic nano-sized particles as a new design parameter, propulsion performance of future propellants and fuels can be greatly enhanced.