過氧化氫鋁冰火箭藥柱性能分析:過氧化氫/水比例與奈米/微米鋁粉比例對退縮率之影響

Translated title of the thesis: A Study of H2O2 Aluminum-Ice Rocket Propellant Performance : The Influence of H2O2/H2O Ratio and Nano/Micro-Aluminum Powder Ratio
  • 陳 明德

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

利用鋁與水反應做為推進系統已在先前廣泛應用於水底推進器,近年來,開始用其做為產氫反應,甚至新型火箭推進劑上。在實驗中,一般不同粒徑大小鋁粉,都會有不同程度比例的氧化層厚度,雖其可防止人員操作時發生爆炸,但此一氧化層會阻礙鋁粉氧化反應的進行;而在微米等級鋁粉中,氧化層厚度雖遠比奈米鋁粉厚,但優點為所含純鋁比例高,在氧化劑的擴散反應機制下,可以提供受保護的純鋁燃燒,以維持燃面穩定;另文獻提及,奈米鋁粉具有低燃點(約930 K)、較大的比燃燒面積,並因減少鋁粉間質傳尺度,燃燒時艙壓會較穩定,但其易造成鋁粉群聚、燒結及操作使用困難等缺點;而在氧化劑方面,由於水吸熱分解,再與部分純鋁反應釋出的熱量,不夠使剩餘鋁粉外氧化層融化或撕裂,但搭配實驗室發展的高濃度過氧化氫製備技術製備過氧化氫,可有效提供反應所需的高含量氧氣與熱,可以有效加速反應,降低點燃溫度與點火延遲時間(ignition delay),並且兼顧安全及綠色環保。本研究欲結合奈米/微米鋁粉及過氧化氫進行搭配,以提升反應速率及燃燒效率,另因水或過氧化氫分子帶有極性,與不帶極性鋁粉在溶液中會沉澱,因此藥柱製作時須搭以介面活性增稠劑,讓鋁粉有效分散於藥柱中。 本研究目的在調配不同等級的微米與奈米鋁粉,並規畫調整混以不同濃度的過氧化氫,改變以往用水與鋁粉之反應途徑,以改善整體性能效率與穩定性,減少鋁粉因燒結或未反應完全而造成的燃燒與推進效率損失,同時建置具燃燒觀測窗之高壓推進劑束燃燒器(high pressure strand burner),搭配使用Matlab影像偵測處理,分析拍攝之推進劑速燃燒圖像並轉換成火焰在推進劑中燃燒速率(burning rate)或推進劑退縮率(propellant regression rate)數值,同時改變不同艙壓條件,紀錄對應之退縮率、燃燒穩定度,分析其產物燒結情形,實驗結果(實際退縮率及產物結果)可顯示奈/微米鋁粉搭配過氧化氫,與單純使用微米鋁粉搭配過氧化氫上,前者在點火延遲時間縮短上有較高助益,但在燃燒後氧化鋁粉均勻度上,後者則較為平均。
Date of Award2015 Aug 27
Original languageChinese
SupervisorYei-Chin Chao (Supervisor)

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