氧化亚氮燃料掺混物单元推进剂 发明人 ： 格雷格· 蒙加斯 (Greg Mungas)， 戴维· 费希尔 (DavidFisher)， 克里 斯·蒙加斯 (Chris Mungas)， 本杰明·卡里耶 (BenjaminCarryer)。
相关申请的参考
本 申 请 要 求 于 2007 年 11 月 9 日 提 交 的 题 为 “Nitrous OxideFuelBlend and Monopropellants” 的美国临时专利申请第 60/986,991 号的优先权， 将其全部披露内容和 教导以引用方式明确地结合于本文。有关资金资助的研究或开发的陈述
本 发 明 部 分 受 到 来 自 California Institute of Technology JetPropulsion Laboratory/NASA 的分包合同号 1265181 的资助。美国政府可以享有本发明的某些权益。
背景技术 液体燃料火箭比固体燃料火箭具有更好的比冲量 (Isp)， 并能够节流、 关闭和重启。 液体推进剂的主要性能优点是氧化剂。几种实际的液体氧化剂 ( 液态氧， 四氧化二氮和过 氧化氢 ) 都是可以利用的， 其当与相当燃料搭配时比在固体燃料火箭助推器中所用的高氯 酸铵具有更好的 Isp。然而， 采用液体推进剂的主要困难也伴随氧化剂。氧化剂通常至少 适度地难以储存和处理， 这是由于极度的毒性 ( 硝酸 )， 中等低温性 ( 液态氧 ) 或两者 ( 液 氟 )。几种已经提出的氧化剂 ( 例如， O 3、 ClF3、 ClF5) 都是不稳定的、 高能的和有毒的。
第一个液态燃料火箭——在 1920 年代发射——使用了汽油和液态氧作为推进剂。 液态氢在 1950 年代使用， 而到 60 年代中期， 液态氢和液态氧一直使用。现今使用的常见液 体单元推进剂 (monopropellant) 包括肼和硝酸羟铵。常见的液体二元推进剂包括液态氧 和煤油、 液态氧和液态氢， 以及四氧化二氮和肼或单甲基肼。 推进剂设计的一个目标曾经是 开发具有二元推进剂的高性能特征的单元推进剂。由于单元推进剂系统的简化系统结构， 因此发现提供类似二元推进剂的 Isp 性能的单元推进剂化学很长时间都被认为是单元推进 剂开发中的 “圣杯” 。在 “绿色” 单元推进剂领域中的研究正在进行以寻找肼的无毒单元推 进剂替代物。一种这样的候选物是氧化亚氮 ( 一氧化二氮 )。氧化亚氮可以通过以下放热 反应而分解 ：
在标准条件下， 该反应每单位氧化亚氮产生 82kJ/mol(515Whr/kg) 的热量。为了 液化储存的单元推进剂需要 16.5kJ/mol(104Whr/kg) 或约 20％的反应焓。该反应的最大 理论 Isp 为 205s。N2O 由于其高活化能能垒 -250kJ/mol， 而是高度稳定的分子。结果， 热分 解需要预热温度＞ 1000℃。可替换地， 催化剂可以用于显著降低该活化能。然而， 热(＞ 1500℃ ) 的高度氧化反应产物对于催化剂床和反应室设计成为挑战。
通过在以上方程中将烃燃料加入到反应中， 液体单元推进剂的比能量密度可以提 并且超过 300s 的 Isp 性能变得可行。 高高达约 1500Whr/kg( 纯 N2O 能量密度的约 3 倍 )， 而且， 在排气流中热的有害氧可以被消耗， 并且相比于纯 N2O 分解， 更高的燃烧反应温度导
致更快的反应动力学。更快的动力学容许快速的火花点火。在这种情况下， 催化剂床并不 会成为发动机设计的材料限制， 并且采用传统材料的再生冷却式发动机 (regeneratively cooled engine) 设计方法可以采用低成本发动机制作技术而适合于更高的 Isp 性能。
曾经在火箭发动机中点火测试的最高 Isp 化学品是锂和氟， 其中加入氢以改善排 气热力学。该组合在真空中递送了 542s 的比冲量。然而， 这种化学品的不切实际性突出了 为什么在实践中没有使用外来推进剂， 尤其是二元推进剂。 为了使所有三种组分变成液体， 氢必须保持低于 -252℃， 而锂必须保持高于 180℃。该实例有力证实二元推进剂的主要缺 点——它们必须储存在独立的箱体内 ( 并且经常在不同的温度和 / 或压力条件下 )， 并且它 们典型地在高压和高流速下必须以预定的和特定的混合比递送至燃烧室。 发明内容 本文中描述和要求的实施方式解决了与含有与氧化亚氮 (N2O) 混合的有机燃料的 氧化亚氮燃料掺混物 (NOFB) 单元推进剂 (monopropellant) 家族的前述问题。当燃烧时， 氧化亚氮提供热分解能并用作燃烧燃料的氧化剂。示例性有机燃料包括乙烷 (C2H6)、 乙烯 (C2H4)、 乙炔 (C2H2) 以及它们的混合物。这些基于氧化剂 - 燃料比 (O/F) 的燃料的混合物 产生了期望的单元推进剂特性， 包括但不限于， Isp， 在很宽温度和压力范围内的可混合性，
有利的流体处理性能， 低凝固点， 快速发动机响应时间的快速燃烧动力学， 相对高的热分解 限， 低机械冲击敏感性和冲击引起的爆震， 相对高的储存密度， 以及并不产生碳垢或热氧化 环境的排气 (exhaust gas) 化学， 如果不是不可能的， 则这将很难向燃烧室或反应室提供 设计材料。另外， 成为一种非常稳定的氧化剂的氧化亚氮是近室温临界点为 36.4℃的非常 良好的溶剂。因此， 可以将燃料溶解到 N2O 中以产生氧化亚氮燃料掺混物 (NOFB)。在设计 NOFB 单元推进剂中必须小心以确保混合物安全处理， 并确保 NOFB 单元推进剂在其中其可 以使用的温度和箱体降深分布 (tank drawdown profile) 的宽范围内保持所有 NOFB 组分 的平衡脱气。
本文的实施方式提供了一种氧化亚氮燃料掺混物 (NOFB) 单元推进剂， 包括以约 2.5 至约 11.0 的氧化剂 - 燃料比的氧化亚氮和有机化合物。优选地， 有机化合物包括 C2 烃， 或 C2 烃的混合物作为主要组分。具体而言， 这些实施方式提供了一种单元推进剂， 包含 以约 2.5 至约 11.0、 或约 3.0 至约 9.0、 或约 4.0 至约 8.0、 或约 4.5 至约 7.5、 或约 2.5 至 约 6.0、 或约 3.0 至约 5.0、 或约 6.0 至约 11.0、 或约 8.0 至约 10.0 的氧化剂 - 燃料比的氧 化亚氮和乙炔。其它实施方式提供了 NOFB 单元推进剂， 包含以约 2.5 至约 11.0、 或约 3.0 至约 9.0、 或约 4.0 至约 8.0、 或约 4.5 至约 7.5、 或约 2.5 至约 6.0、 或约 3.0 至约 5.0、 或 约 6.0 至约 11.0、 或约 8.0 至约 10.0 的氧化剂 - 燃料比的氧化亚氮和乙烷。还有的其它 实施方式提供了 NOFB 单元推进剂， 包含以约 2.5 至约 11.0、 或约 3.0 至约 9.0、 或约 4.0 至约 8.0、 或约 4.5 至约 7.5、 或约 2.5 至约 6.0、 或约 3.0 至约 5.0、 或约 6.0 至约 11.0、 或约 8.0 至约 10.0 的氧化剂 - 燃料比的氧化亚氮和乙烯。比率针对于特定用途选择。例 如， NOFB34 是对于小型火箭发动机进行优化 ( 快速燃烧动力学和具有喉部凝固燃烧动力学 (frozen-at-the-throat combustion kinetics) 的优化峰值 I sp)， 而 NOFB37 是对于大型火 箭发动机进行优化 ( 更高密度的单元推进剂， 其中 Isp 在更大的火箭扩散排气喷管中对于较 慢燃烧动力学进行优化 )。在其它实施方式中， NOFB 单元推进剂可以包含其它成分或添加剂， 高达单元推进剂的约 50％， 或高达单元推进剂的约 40％， 或高达单元推进剂的约 30％， 或高达单元推进剂的约 20％。
其它成分包括烃燃料或其混合物， 其中所得的单元推进剂具有这样的性质 ： 随着 单元推进剂被消耗或温度变化， 由于液体单元推进剂在这些条件下沸腾蒸发而产生耗损气 体 (ullage gas)， 平衡的掺混物在液态和损耗气体混合物 - 比率化学方面具有最小变化。 另外的烃燃料可以引起火箭 I sp 性能＜ 10％的变化， 这是由于对于不同 NOFB 组分在气化速 率方面的这些变化。对于一些应用， 加入少量的洗涤剂、 乳化剂或其它添加剂可以是有利 的。
本技术的另外的实施方式提供了 NOFB 单元推进剂， 包含以约 2.5 至约 11.0、 或约 3.0 至约 9.0、 或约 4.0 至约 8.0、 或约 4.5 至约 7.5、 或约 2.5 至约 6.0、 或约 3.0 至约 5.0、 或约 6.0 至约 11.0、 或约 8.0 至约 10.0 的氧化剂 - 燃料比的氧化亚氮以及乙炔、 乙烷或乙 烯中的两种或多种。 在其它实施方式中， 单元推进剂可以包含其它成分或添加剂， 高达单元 推进剂的约 50％， 或高达单元推进剂的约 40％， 或高达单元推进剂的约 30％， 或高达单元 推进剂的约 20％。
在某些实施方式中， 当在生产期间与燃料混合时， 氧化亚氮处于气相之中 ； 在其它 实施方式中， 当在生产期间与燃料混合时， 氧化亚氮处于液相之中 ； 并且在还有的其它实施 方式中， 当在生产期间与燃料混合时， 氧化亚氮处于混合的气 / 液相之中。混合如实施例 1 中所描述的进行。提供该发明内容用于以简化的形式介绍概念的选择， 其在以下具体实施 例方式中进行更详细地描述。该发明内容并不旨在鉴别所要求的主题的关键或实质特征， 也非旨在用于限制所要求的主题的保护范围。 附图说明
图 1 是 NOFB 单元推进剂制剂的理论和实际 Isp 性能的曲线图。
图 2 示出了制备本发明的氧化亚氮燃料掺混物的方法。
图 3 是总结相对于单元推进剂肼和二元推进剂四氧化二氮 / 单甲基肼， NOFB 单元 推进剂特性的图表。
图 4 是示出了对于一种 NOFB 单元推进剂制剂的储存特性 ( 相对温度的储存箱液 体和气体压力和密度 ) 的曲线图 ( 也称为相图 )。在图 4 中， NOFB 单元推进剂储存特性也 与纯氧化亚氮液体和包含肼的典型氦压力加注的箱储存的肼单元推进剂进行比较。
图 5A 是在不同的箱体温度 ( 并在 1/4 箱体快速液体排出之后与剩余气体比较 ) 取样的 NOFB 单元推进剂的 FTIR 光谱图， 示出了 NOFB 化学混合物在极端温度比率对偏压组 分脱气 (outgassing) 的稳定性。图 5B 类似地示出了在快速排出之后三种 NOFB 掺混物的 液体和耗损气体 ( 具有液体的箱体中的气体 ) 中 NOFB O/F 比率的变化。在该图的右手侧， Isp 性能的相应变化在非常迅速的燃料箱液体排出 ( 以～秒计 80％的 NOFB 液体放出 ) 期间 也显示为掺混物微小变化。
图 6 是示出了使用真空等价 Isp 计算 (vacuum equivalent Ispcalculation) 的示 例性喷管系数值的曲线图。
图 7A 是示出了对于一个示例性 NOFB 单元推进剂制剂的热分解数据的曲线图。图 7B 是对于示例性 NOFB 单元推进剂的分解测试与 NOFB 压力的总结。图 8A 是示出了一个示例性 NOFB 单元推进剂相对于氧化亚氮的比汽化焓的曲线 图并比较于将典型量的二元推进剂燃料从相同的温度加热至约 300℃的比能量 (specific energy)。图 8B 示出了温 度随着 NOFB 单 元推 进剂 节流 或通 过迫 使其 通过 压降 “闪冷 (flash-cooled)” 而迅速降低。
图 9 是示出了纯氧化亚氮在 418V 的最小氧化亚氮火花电压下最大火花传播距离 作为气体压力函数的曲线图。在该最小电压点 ( 也称为帕申曲线最小值 (Paschen curve minimum))， 对于给定的间隙距离， 更高和更低的气体压力都需要迅速提高火花电压。
图 10 是 对 于 一 种 NOFB 单 元 推 进 剂 制 剂 基 于 氧 化 剂 - 燃 料 比 的 淬 灭 距 离 (quenching distance) 的曲线图。
图 11 示出了将高挥发性 NOFB 单元推进剂用于 “快速冷却” 燃烧室的示例性 NOFB 再生冷却式推进器。
图 12 示出了在利用示例性 NOFB 单元推进剂的发动机中低推进、 未优化的发动机 运行测试。
图 13 是示出示例性 NOFB 单元推进系统 (monopropulsionsystem) 的总湿质量火 箭推进系统性能的递送有效负载质量相对于肼系统的对比曲线图。
图 14 总结了 NOFB 可展开翼梁 (deployable wing spar) 的特性。具体实施方式
本文中描述的技术提供了一种氧化亚氮燃料掺混物 (NOFB) 单元推进剂， 包含氧 化亚氮和有机化合物， 如乙炔、 乙烷或乙烯中的一种或多种， 除了其它期望的特性外， 所得 的单元推进剂还具有高比冲量、 低毒性， 并使得易于储存和处理。 该单元推进剂可以用于火 箭推进、 工作流体生成、 或者能量或气体产生的一些实施方式中。
在描述本制剂和方法之前， 应该理解到， 本发明并不限于所描述的具体制剂或方 法学， 同样地， 制剂和方法当然可以进行变化。也应该理解到， 本文中所用的术语是仅用于 描述具体的实施方式的目的， 而并不用于限制本发明的范围， 本发明的范围仅受所附的权 利要求的限制。
必须注意到， 除非上下文中另外清楚地指出， 否则如本文中和所附的权利要求中 所使用的， 单数形式 “一个” 、 “一种” 和 “该” 包括复数个所指的对象。因此， 例如， 所提及的 “试剂” 是指一种试剂或试剂的混合物， 而所提及的 “该生产方法” 包括本领域技术人员已知 的所提及的等同步骤和方法， 等等。
除非另外指出， 否则本文中所用的所有技术和科学术语都具有与本发明所属的领 域内的普通技术人员通常所理解的相同的含义。 所有本文中提及的出版物都是用于描述和 公开在出版物中描述的并可以结合所要求的本发明使用的装置、 制剂和方法学的目的而结 合于本文中作为参考， 包括 12/4/06 提交的题为 “Injector Head” 的有关美国专利申请序 列号 60/868,523。
在提供值的范围的情况下， 应该理解到， 在该范围的上下限之间的每个中介值 (intervening value) 以及在所陈述的范围内的任何其它所陈述或中介值都涵盖在本发明 内。这些更小范围的上下限可以独立地包括在更小的范围内并且也涵盖在本发明之内， 受 所陈述范围内的任何具体排除限制。在所陈述的范围包括一个或两个限制的情况下， 排除那些包括的限制中的任一个或两个的范围也包括在本发明之内。
化学火箭推进的技术利用了化学性反应的或未反应的流体的受控释放以在所需 方向实现推力 (thrust)。 推力起到改变本体的线动量或角动量的作用。 类似于已经在其它 工作流体生成和能量产生应用中发现应用的火箭推进剂， 所要求的本发明也可以用于许多 可替换类型的应用， 包括用于充气系统和可充气配置的气体产生， 在用于将热排气中的热 能转化成机械和电能的系统中， 以及在用于抛射物、 弹药和爆炸物的高能储存介质中。 可以 采用所要求的技术的实例具体地包括地球轨道航天器和导弹推进系统 ； 运载火箭上级推进 系统和助推器阶段 ； 深空探测器推进系统和动力系统 ； 深空航天器上升和返回地球阶段 ； 精密控制航天器空间站管理推进系统 ； 人用级反应控制推进系统 (human-rated reaction control propulsionsystem) ； 航天器着陆器降落推进、 供电和挖掘气动系统 (NOFB 单元推 进剂可以用于提供机械能以在外星钻井应用中推动钻井并提供气体以从开挖表面的区域 除去碎片 )， 航天器气动科学样品采集和处理系统 ； 微型航天器高性能推进系统 ； 军事转向 和杀伤拦截器 ； 高空航空器发动机 ； 航空器备用能源系统 ； 远程低温供电系统 ( 例如， 北极 发电机 ) ； 包括高温焊接和切割焊炬以及驱动机构的可再装填装料的燃烧供能的地面工具 ( 例如钉枪， 定位螺栓枪 )， 等等。在地面应用中， NOFB 单元推进剂可以在其中大气氧量不 足以提供用于燃烧反应的氧化剂 ( 如高空航空器动力装置或水下设备 ) 的情况下供能。而 且， 存在许多与采用燃烧储能有关的衍生应用。 单元推进剂是一种典型地用于产生推力、 气体生成和 / 或能量 ( 机械和 / 或电 ) 产生的单一流体。单元推进剂通常通过催化、 自燃或火花点火机制而进行放热化学反应以 便释放附加的热能 ( 通常也提供理想地低摩尔质量的排气 ) 从而增加产生推力和供能的质 量效率。例如， 单元推进剂可以用于液体或气体火箭发动机。单元推进剂的常见实例是肼， 经常用于运载平移机动飞行 ( 线性动量变化 ) 和姿态控制 ( 角动量变化 ) 的航天器推进。 单元推进剂的另一实例是硝酸羟氨 (HAN)， 其目前正作为肼的低毒性单元推进剂替代物进 行研究。
另 外， 在其与周围环境之间具有压力梯度的工作流体能够产生机械功 (mechanical work)/ 功率。这种机械功 / 功率可以随后被转化成可替换的能量形式 ( 例 如， 产生电功率， 机械轴功率可以用于对发电机或交流发电机供能以提供电能 )。来自 NOFB 单元推进剂的自然蒸气压和 / 或通过 NOFB 单元推进剂分解 / 燃烧过程结合 NOFB 单元推进 剂 - 衍生的工作流体的压力可以有策略地用于产生简单推力以外的有用功 (work)。可以 实施 NOFB 单元推进剂的示例性功提取循环 (work extracting cycle) 可以包括但不限于， 气体涡轮循环 ( 例如， 布雷顿 (Brayton) 或类似循环 )， 燃烧的单元推进剂的恒压膨胀 ( 类 似于气动机 )， 和各种活塞循环发动机， 包括但不限于火花点火四冲程循环 (Otto cycle)， 和压缩点火的狄塞尔循环 (Diesel cycle)。可以从化学介质中提取的最大能量与其比能 量密度 ( 每单位质量储存的化学能 ) 有关。如图 3 中所示， NOFB 液体单元推进剂的比能量 密度 ( ＞ 1300Whr/kg) 比肼大约 3.5 至 3.9 倍。相对而言， 现有最先进的锂离子电池储能 约 145Whr/kg。NOFB 推进系统将需要有效地降低 NOFB 单元推进剂比能量的其他物质。而 且， 对于许多并不需要能量再充的一次能源应用， 非常高比能量密度的 NOFB 单元推进剂是 期望的。
对于火箭推进的特定情况， 各种度量决定了具体火箭推进系统如何有效地实施。
在火箭推进中最重要的度量之一是比冲量 (Isp)。该度量基本上测量了由给定的推进系统 产生的总冲量或赋予的动量变化 ( 随时间力积分 ) 除以所消耗的推进剂的总质量的量。该 结果通过地球重力常数 (9.81m/s2) 归一化， 使得 Isp 具有秒的单位， 而不管国际单位系统是 用什么 ( 英制或系统国际 (SI) 单位 )。Isp 值越高， 表明对于给定量的所消耗推进剂赋予运 载工具的速度变化的能力越大。通过粗略的分析， Isp 性能含义上类似于在燃烧供能的汽车 发动机中的 “英里 / 加仑” ( 尽管本文中一个告诫是相比于航天器的火箭推进， 对于汽车更 多的发动机特定特性将会定义 “英里 / 加仑” )。因为 1) 质量对于发射是极度昂贵的， 和 2) 存在推进剂质量对 Isp 性能的指数依赖性 [ 推进剂质量＝航天器干重 ×exp[ 航天器速率的 变化 /Isp/ 地心引力 ]-1]， 高 Isp 推进剂对于苛刻的航空航天应用是非常具有吸引力的。在 化学推进系统中， 为了实现高 Isp 系统， 一般需要放热化学反应。 目前， 常见的工业标准商用 单元推进剂， 肼， 具有约 230s 的 Isp( 该数值的稍微偏差取决于特定推进器设计参数 )。本 文公开的 NOFB( 氧化亚氮燃料掺混物 ) 单元推进剂制剂可以实现高达 345s 的发动机 Isp 值 和潜在更大的 Isp 值。近来实验测量的发动机 Isp 值超过了 300s( 参见图 1)。图 13 对比了 NOFB 单元推进剂相比于肼的干航天器负载质量比相对于所需运载速度变化。
实施例 1 燃料和氧化剂的混合必须以可控、 测量方式 (measured manner) 进行以确保所得 的单元推进剂具有所需的性能特征。
图 2 图示说明了用于生产 NOFB 单元推进剂掺混物的装置的示例性示意图。推进 器性能取决于所燃烧的推进剂。 由于该原因， 通常精确混合单元推进剂掺混物是很重要的。 一种专用装置可以用于混合高蒸气压的单元推进剂。实际上， 这些组分可以在其蒸气相中 混合并在独立的容器中冷凝以形成高密度液体单元推进剂。 以下所列出的方法和装置都是 举例说明的目的， 并且其衍生情况是可以等同接受的生产方法。 在该实施方式中， SW-# 指示 一般性的开 / 关阀， REG-# 指示减压调节器， 而 IS-#s 是箱体分离阀。除非另外指出， 否则 所有的阀开始时关闭而调节器完全扳回 (back off)。压力传送器连接至打开的 SW-5 阀以 精确地监控系统压力。为了开始生产， 系统通过打开真空泵， 打开 IS-3、 IS-4、 SW-6 和 SW-8 而排空 (purge) 空气。一旦达到足够的真空， SW-8 关闭。接着， 向混合箱和冷凝箱中都加 入燃料。为完成此操作， 打开 IS-2， REG-2 增加至所需压力， 而 SW-7、 SW-2 和 SW-4 都打开。 取决于在先前的步骤中所抽出的真空， 排空净化 (purge) 可以是所需的。为了确定排空净 化的必要性， 可以通过采用所加燃料的绝对压力与箱体中的总绝对压力之比来计算纯度。 例如， 如果真空抽至 1psia， 而燃料装载至 100psia， 则装载的纯度将为 99psia/100psia 或 99％。如果需要， 排空净化能够将纯度提高超过初始装载。为了排空净化， 关闭 SW-4， 并且 打开 SW-8 以将混合物抽出系统。然而， 当通过机械泵系统驱动混合的可燃物时， 应该实施 足够的闪回缓解措施。一旦达到足够的真空度， 关闭 SW-8。排空净化序列能够按混合物所 需纯度的要求进行重复。 新的纯度通过每次装载的杂质水平一起相乘来计算。 例如， 如果加 入另一 99％纯的装载， 则 1％的杂质乘以新的 1％杂质从而得到初始流体的 0.01％的杂质 或 99.99％的纯度水平。然而， 如果初始流体仅为 98％纯度， 则排空净化的量不可能使纯度 水平提高超过初始的 98％流体纯度。一旦纯度和负载压力在该系统中实现， 关闭 SW-4。燃 料随后关闭并通过关闭 IS-2 和打开 SW-3 从该系统进行净化。足够的时间容许从管线上排 出燃料并退回 REG-2， 关闭 SW-7， 关闭 SW-2 和 SW-3。如果使用多种燃料， 则第二 / 第三燃料
在先前装载的顶点加入 ( 图 2 并未显示该选项 )。一旦实现燃料掺混物， 就加入氧化亚氮。 这里， 打开 IS-1， 增加 REG-1， 并且打开 SW-1 和 SW-4。一旦实现所需的混合物， 关闭 SW-4。 为了排出氧化亚氮， 关闭 IS-1， 打开 SW-3， 系统容时排干 (allowed time to drain)， 撤回 REG-1， 并且关闭 SW-1 和 SW-3。 在此点， 已经生产出恰当的 NOFB 掺混物， 因此冷凝箱置于足 以冷至混合物冷凝但足以超过掺混物凝固点的冷浴中。一个实施方式采用维持在约 -70℃ 的冷浴。足够的时间容许混合物冷凝， 并且关闭 IS-4 和 SW-6。如果利用一次冷凝来生产足 够的单元推进剂， 则冷凝液箱可以从系统中移出 ( 在 IS-4 和 SW-6 之间 ) 并容许平衡回室 温。 如果需要多种装载， 则可以重复先前的步骤， 除了气体仅仅在混合箱中混合而冷凝包括 打开 SW-6 和 IS-4 之外。
实施例 2
生产并测试候选燃料掺混物。最有前景的掺混物是基于以下标准进行选择 ： 燃烧 和理论发动机性能 ； 推进剂稳定性 ； 平衡和非平衡互溶性性能 ； 燃烧限， 火焰温度， 和发动 机设计的排气化学 ； 推进剂相图性质， 以及燃烧反应速率。
本发明的单元推进剂以以下方式进行命名。 “NOFB” 表示氧化亚氮燃料掺混物。接 着的数字表示在 C2 组中的位置， 1 是乙烷， 2 是乙烯， 而 3 是乙炔。接着的数字表示氧化剂 与燃料比。因此， “NOFB34” 是与乙炔掺混的氧化亚氮， 氧化剂 - 燃料比为 4。在氧化剂 - 燃 料比数字之后的附加字母 (a， b， c) 可以用于描述掺混物中的差别。例如， NOFB34 掺混物可 以包括少量的特定添加剂以改进混合物化学脱气特性。 对该掺混物超过基本的氧化亚氮和 燃料化学的第一显示的改变 (first discovered adaptation) 因此将会表示 NOFB34a。
图 1 示出了作为氧化剂 - 燃料 (O/F) 质量比的函数的氧化亚氮 / 乙炔 (N2O/C2H2) 单元推进剂掺混物的理论 Isp 性能， 以及示出了来自基于发动机运行期间测量集成室压力 和所消耗的推进剂质量的最近原型发动机测试结果的数据。( 关于用于获取实验测定结果 所使用的具体实验方法的另外的细节将在下面进行讨论 )。实验测定的 Isp 是对于 O/F 比 4 而获得的 ( 在地面测试期间基于实际喷管系数中不确定度的误差棒 )。两组理论曲线 ( 真 空和 200/1) 对于两种不同情况， 平衡和喉部凝固化学动力学而进行显示。这些都是实际火 箭发动机性能在空间应用中的典型约束情形 (bounding scenario)。
真 空 条 件 来 自 无 限 长 的 理 想 出 口 喷 管。200/1 喷 管 是 更 现 实 的 扩 散 喷 管 (diverging nozzle) 情形， 其中出口平面面积比喷管的最小喉部面积大 200 倍。平衡化学 动力学情形是一种约束情形， 其假设液流足够缓慢地流动以容许热气体一直维持排气组分 的化学平衡 ( 即， 匹配喷管中冷却条件的排气化学变化 )。 喉部凝固情形假设在紧接喉部下 游的扩散喷管中的气体迅速冷却以至于化学动力学 “凝固 (freeze)” ( 即， 气体的化学未变 化 )， 而使气体组分在喉部的下游的火箭推进器的扩散喷管中维持恒定。
另外， 当 O/F 比改变时， 化学燃烧性能在燃烧室中发生改变。通过改变在燃烧室中 发生的化学反应， 不同 Isp 性能得以实现。然而， 某些设计考虑因素对最佳 O/F 比设置了另 外的约束条件。更常见地描述为本文中描述的 NOFB 单元推进剂掺混物的氧化剂 - 燃料质 量比 (O/F) 的最佳 N2O- 燃料质量比通常覆盖 2.5 ＜ O/F ＜ 11 的范围。在较低的 O/F 比下， 碳垢成为一个问题。在较高的 O/F 比下， 由于在该类型的气体环境中会加速氧化几乎任何 类型的材料， 因此排气的热高度氧化环境使燃烧室和发动机设计非常困难。
对太空任务设计、 推进系统设计和实际应用的单元推进剂的选择需要大量的性能度量的知识， 以及除了仅有的发动机 Isp 性能之外的储存和地勤考虑因素。图 3 提供了示例 性 NOFB 单元推进剂制剂与肼和二元推进剂四氧化二氮 / 单甲基肼之间的发动机、 储存和地 勤多重性能度量的比较性总结。应当注意， 对于 NOFB 掺混物的 Isp 性能比得上二元推进剂 四氧化二氮 / 单甲基肼， 并且显著地高于肼单元推进剂。
最小冲量单位 (minimum impulse bit) 是推进系统可以赋予的最小推力 x 时间。 表征推进系统的最小冲量单位性能， 对于航空航天应用如航天器精确姿态控制和小型运载 工具的机动是很重要的。典型地， 预期的推进 Isp 性能随着推进系统尝试而降低， 并实现更 小的最小冲量单位。因此， 更多的航天器推进剂必须为在小冲量单位性能的状态中运行的 飞行任务飞行。许多因素影响性能方面的这种降低 ： 1) 在肼系统中， 用于分解单元推进剂 的催化剂床必须升高至最佳运行温度以实现单元推进剂的更完全分解。在许多情况下， 肼 的小冲量流动不可能容许实现最佳床温。 NOFB 单元推进剂对于火箭推进应用来说最常见的 是火花点火， 而不受这些类型的催化剂床的性能限制， 2) 能够实现的最小冲量单位直接与 能够排放的推进剂最小质量相关。 这种最小推进剂体积与单元推进剂的密度和阀门之间和 通过反应室的小硬件体积相关。NOFB 单元推进剂能够在非常低的压力 ( ＜＜ 100psia) 下 运行， 其中 NOFB 单元推进剂气体所具有的密度为＜液体肼的 1/100。我们已经进行了指示 在低压 ( 目前测试降至约 12psia) 下维持快速燃烧的燃烧实验。比肼显著更高的燃烧温度 ( 参见表绝热火焰温度 ) 表明， NOFB 化学动力学反应将比肼更加迅速， 尤其是在考虑受限于 表面积 ( 表面催化剂通常用于分解肼 ) 的催化反应时更是如此。无催化剂床的快速燃烧动 力学相比于肼将最终容许更小的燃烧室 / 反应器体积。给出的以上描述的这些各种属性， NOFB 单元推进剂比肼将具有更好的最小冲量单位性能。图 3 总结了相比于肼的 NOFB 单元 推进剂的预期最小冲量单位 Isp 性能。
实施例 3
除了 Isp 性能之外， 单元推进剂的许多其它特性一般被认为是期望的。 肼具有大约 50ppm 的 OSHA 人致命接触限 (exposure limit)。低毒和无毒的化学单元推进剂制剂需要 用于缓解采用有毒单元推进剂制剂的地勤和工作的相对较高的成本。 要求保护的本发明的 NOFB 单元推进剂制剂是无毒的并分类为窒息剂 - 在这方面 NOFB 类似于汽油， 仅仅在非常高 浓度下过度接触才会替代可呼吸的空气， 导致窒息或在更轻微的情况中能够导致暂时性接 触症状如头疼和 / 或神志不清。在任何情况下， 除去以供给新鲜空气就能缓解接触的症状。 NOFB 单元推进剂迅速挥发到空气中使得大浓度的液体易于从溅落液中除去。而且， 其中肼 和二元推进剂四氧化二氮 / 单甲基肼是腐蚀性并且可以吸收进入皮肤， NOFB 单元推进剂仅 仅会由于快速的推进剂排出而导致冻伤。另外， 其中肼和二元推进剂四氧化二氮 / 单甲基 肼可能被摄取， 导致腹部绞痛、 抽搐、 不省人事和呕吐， 并在大多数情况下导致死亡， NOFB 单 元推进剂的摄取由于其高度挥发性而未必如此。而且， NOFB 单元推进剂的排气产物是 N2、 CO、 H2O、 H2 和 CO2， 其中氨气是肼的排气产物。
对于航天器科学飞行任务， 氨是不期望的副产物， 因为其与土壤反应可能容易恶 化并污染敏感的土壤测量。
单元推进剂的箱储存特性对于最小化单元推进剂流体处理硬件和相对于单元推 进剂质量的箱质量来说是很重要的。理想地， 单元推进剂的储存密度非常高。NOFB 单元推 进剂密度具有相当于当包括在肼箱中的内部氦储罐的优化肼箱设计考虑在内时的肼 ( ～0.57g/cc) 的室温储存箱密度。这些氦储罐用于对肼加压以实现用于发动机和推进器运行 的反应室压力。NOFB 单元推进剂是自加压的并且不需要用于排出单元推进剂的额外的加 压剂系统硬件或无法利用的箱体积。 尽管单元推进剂和二元推进剂肼系统能够典型地具有 无法利用箱体内初始装载的约 1％ -3％的残余推进剂， 但是 NOFB 单元推进剂可以排放低至 非常低的压力 ( 其中它们是纯气体 )， 使得无法利用的单元推进剂＜＜初始单元推进剂装 载量的 1％。而且， 该残余气体相 NOFB 单元推进剂能够采用简单的压力传感装置进行精确 监控， 这与液体推进剂替代物不一样。这些推进剂残余物的 NOFB 属性对于具有大的湿质量 ( 大部分发射的飞行器装载推进剂 ) 的航天器是很重的， 它的主要飞行任务寿命持续期都 受限于小推进剂分数。 许多航天器飞行任务的大机动是在飞行任务的早期执行并消耗掉大 部分的推进剂 - 航天器飞行任务的寿命因此主要受限于可利用的残余推进剂和对于计划 目的精确认知该可利用的推进剂。
图 4 示出了一种 NOFB 单元推进剂制剂的储存特性， 其中单元推进剂液体和耗损气 体 ( 气体与液体在箱内达到平衡 ) 密度和相关单元推进剂蒸气压对温度作图。每一 NOFB 单元推进剂制剂表明独特的蒸气压和密度曲线。这些度量是相关， 因为单元推进剂箱的尺 寸以及箱体的密封强度将取决于诸如在图 4 中所包含的数据规定的值。通过指定总的航天 器速率变化或相同地， 在卫星的寿命期内和航天器的热环境所需的总赋予动量， 整个所需 的单元推进剂储存容量和压力定额 (pressure rating) 能够采用类似于图 4 中所示的信息 推演出。 对于低温运行和储存考虑因素， NOFB 单元推进剂密度在 -75℃下显著地增加至约 1g/cc， 并且在＜ -80℃下发生凝固。这些温度对于比地球更远离太阳和 / 或屏蔽于太阳的 深太空和行星表面飞行任务 ( 例如， 火星极地冰冠 ) 而言并非是不寻常的。尽管 NOFB 单元 推进剂密度性能随着更低温而改进， 但是肼约 0℃凝固需要另外的加热器硬件和航天器供 能以防止发生凝固。 相比于固态推进剂 ( 最常见的是结合预混的固态氧化剂和燃料 )， NOFB 单元推进剂通常具有更高的 Isp 性能， 并且对于优化推进剂在飞行轨道中的用途是易于可 节流的 ( 即， 能够控制和改变推力输出量 ) ； 然而， NOFB 单元推进剂倾向于具有较低的储存 密度。对于深太空环境， 固态推进剂必须小心地处理和绝缘以避免推进剂颗粒的热循环和 应力开裂。 在固体颗粒中结构缺陷和轻微开裂能够通过点火期间快速燃烧和热诱导的裂纹 扩展而易于导致灾难性发动机故障。 NOFB 单元推进剂已经证实对于包括大的暂时性燃料箱 降深的静态和动态条件期间的非常大的温度改变并不十分敏感 ( 图 5B)。 而且， 作为液体和 气体， NOFB 单元推进剂不容易发生与固体和固体复合物颗粒结构固有相关， 而因此可能会 发生无限热循环的故障模式。结果， NOFB 单元推进剂是低温不敏感的， 而肼及其衍生物和 固态推进剂当暴露于低温环境， 如在深太空飞行任务中发现的或， 例如， 对于在温度上具有 较大季节性变化的地面环境中的火箭发射应用， 都需要额外的资源以确保相对温暖稳定的 热条件。
图 5A 示出了在对于一个示例性 NOFB 单元推进剂掺混物在暴露的环境条件下混合 物化学中的最低变化。在该实验中， 对在推进剂箱内的耗损气体进行取样作为推进剂温度 的函数 ( 箱体浸没在低温冷浴中 )。获取损耗气体的傅里叶变换红外 (FTIR) 吸收光谱作 为不同单元推进剂温度的函数， 并与 NOFB 校正气体 “指纹” 比较以确定作为温度的函数的 NOFB 混合物改变的程度。类似的实验对于其中箱体用已知的 NOFB O/F 比装载的完全排出
进行实施。在完全排出后， 残余气体采用以上的相同技术进行分析以确定混合物改变的程 度。图 5B 示出了迅速完全排出 ( 在约 2s 内排出 75cc 箱体中的 80％液体装载 ) 之后三种 NOFB 掺混物的 O/F 比的变化。在测试型 Isp 性能中对于这些极端箱排出情况的两个约束情 形 ( 喉部凝固化学和整个喷管的平衡化学 ) 的变化为约 1％。这些数据证实了 NOFB 单元推 进剂混合物对于在迅速瞬变现象期间和暴露于宽温度范围混合物 - 比率化学中的变化的 内在坚固性。
一般而言， 单元推进剂， 包括具有预混的氧化剂和燃料的固体推进剂， 必须仔细赋 予特性并用心处理。 推进剂的上限温度需要用于防止包括非有意热点火的疏忽化学反应发 生。在许多情况下， 这些温度限可以低至约 10′ s℃。加热的毛细管测试已经证实示例性 NOFB 单元推进剂具有的热点火温度为约 400℃ ( 图 7A 和 7B) 并且在惰性材料 ( 即， 特定级 别的金属 ) 存在下可以高至 650℃。 这些都是非常高的温度限， 而且， 事实上， 再生性冷却的 ( 推进剂冷却燃烧室 )NOFB 单元推进剂发动机已经开发并进行测试 ( 以下进行讨论并在图 11 中示出 )， 其利用了 NOFB 单元推进剂高的典型热分解限， 以便提供用于开发长寿命循环 发动机的所需设计机制。
另外， 事故性干火花点火能够点燃环境暴露的固体推进剂， 并且因此必须极度小 心以避免事故性火花源和表面带电 / 放电环境条件。与固体推进剂不同， NOFB 单元推进 剂， 就其密闭的特性而言， 储存在密封的金属容器内， 该金属容器起到法拉第笼 ( 防止电荷 累积 ) 作用， 这基本上消除了干火花点火的可能性。在推进系统设计中， 例如， 对于可能中 断连续的法拉第笼如具有绝缘阀门座的阀门和管件界面 (plumbing interface) 的装置仍 然必须小心谨慎。而且， NOFB 单元推进剂已经证明在通常的地面箱储存温度下和相关的压 力下具有非常高的击穿电压 ( ＞＞ 10′ s kV)( 实际上， N2O 常见用作高压应用中的高压气 体绝缘体 )。N2O 在甚至约 100psia 的非常低的储存压力下的帕申曲线最小击穿电压间隔 ＜ 0.001mm( 参见图 9)。这种非常小的最大间隔距离显著地小于 NOFB 淬灭距离 ( 正如在 以下讨论和示例性地在图 10 中所示火焰不能传播的距离 )， 表明即使你能够直接将所储存 的 NOFB 单元推进剂暴露于高电压， 也将不太可能轻易地点燃。而且， 这些相关点火的体积 是如此小以至于它们不能引发持久的化学反应。 NOFB 单元推进剂的主要组分的这些属性表 明， NOFB 单元推进剂的无意识火花点火是不太可能的。有意地反复火花点火已经由小心设 计的喷射器和火花点火系统证实 ( 参见 06 年 12 月 4 日提交的题为″ Injector Head″的 相关美国序列号 60/868,523， 将其全文结合于本文中作为参考 ) 以确保在发生在帕申曲线 最小值 ( 其中需要在气体中传播火花的最小电压的点 ) 附近的启动处的发动机点火。
对在环境中切合实际的点火源其引发燃烧过程的潜在性进行了评价。 如以上简单 地讨论的， 阀门向流体流赋予机械能， 其能够很容易随着阀门部件横穿绝缘界面 ( 即阀门 座 ) 滑动而通过摩擦起电转换成放电。为了进行预备实验以确定阀门是否是实际的点火机 制， 已经实施了 NOFB 单元推进剂存在下的自动阀门循环测试。实际中， 将啮合的 DC 伺服马 达连接于具有电子触发器的阀门以计数阀门周期并控制伺服马达。
热电偶和压力转换器连接到数据采集系统中并且信号传递到监控所处理的信号 的计算机程序中。热电偶是露 1/16″ K 型热电偶 ( 以降低在事件检测中的时间滞后 )。压 力转换器用于确保系统中不存在缓慢泄漏因此降低了事故发生情况下的不确定性。 闪回制 动器 (flashback arrestor) 用于分离事故情况下的主阀门和压力转换器使得它们不会被毁坏。在这个实施方式中， 球阀系统与系统其余部分经由尼龙传动装置而电隔离。一个可 能的故障模式可以是阀杆放电导致火花在推进剂流中传播。利用该系统 ( 以及其细微变 化 )， 运行了 8000 次开 / 关循环而在 100psia 的压力 ( 阀门的常见进料系统管线压力 ) 下 一次事故也没有记录到。飞行阀 (Flight valves) 按照类似的实验设计采用阀门界面上的 预期 NOFB 流体性质的范围进行检定。
图 6 示出了用于以上描述的真空等价 Isp 发动机测试的示例性喷管系数值， Cf。 因为在真空室推力试验台内测试发动机并不一直是经济的或可能的， 因此能够进行定标计 算而估算基于在大气条件下采用在发动机最小直径处 ( 喉部 ) 达到声速的流动所观察到 的实验性能的真空等价 Isp 性能是什么情形。通过计算理论喷管系数， Cf， 采用平衡化学 分析软件如 NASA′ s CEA 程序 (Gordon and McBride(1994)，″ Computer Program for Calculation of Complex ChemicalEquilibrium Compositions and Applications ″， NASA ReferencePublication 131 1)( 如图 6 所示 ) 通过喷管扩展的排气化学确定， 相对 快速的实验观察的 Isp 测定结果能够通过测量实验发动机运行期间积分的室压和所消耗的 单元推进剂质量而在典型的紧误差线 (tight error bars) 内进行测定。基本上， 指示方程 为：
喷管系数也能够用于由以下方程确定真空中的发动机推力 ：
推力＝ ( 室压 )( 喉部面积 )( 喷管系数 )
图 7A 示出了一种 NOFB 单元推进剂制剂的热分解数据， 而图 7B 显示了不同示例性 NOFB 单元推进剂的分解通过 / 不通过 (Go/NoGo) 测试与 NOFB 压力的总结。这个度量对于 再生冷却式发动机设计和在确定安全温度处理限方面是特别有意义的。 再生冷却式发动机 采用流过燃烧室壁内的夹套的推进剂作为冷却剂以辅助维持燃烧室壁低于热故障限。在 壁冷却过程中所获得的该能量并未损失而是产生较热的推进剂而被喷射回到室内 ( 因此 命名为再生 )。同时大多数推进剂具有与推进剂的液体比热 ( 加热液体温度上的一定变化 所需的能量 ) 有关的受限冷却容量， NOFB 单元推进剂具有非常高的蒸气压。通过特意在再 生夹套内产生压降， NOFB 单元推进剂能够被迫 “闪蒸” 或挥发并通过发生相变 ( 液体挥发 成气体 ) 而基本上从燃烧室壁吸收更多能量。这就是一个冰箱如何工作的类似概念， 而在
冷却的燃烧室壁上更加有效。在其它再生冷却设计和应用中， 先进的夹套设计技术， 其通 过提高夹套表面积或增强边界层温度梯度而增强热量传输到 NOFB 单元推进剂中 ( 尤其对 于流动 NOFB 气体的情况 )， 可以用于再生冷却式发动机而无需 “闪冷 ( 快速冷却 )” 。在任 一情形下， 单元推进剂的最大冷却容量由单元推进剂的热分解限 (thermal decomposition limit) 进行限定。
图 8A 示出了 NOFB 单元推进剂的大的汽化焓 ( 在汽化期间吸收的能量 )， 其衍生自 图 4 中所示的相图并比较在从相同起始温度加热至约 300℃的典型冷却剂中吸收的能量。 图 8B( 衍生自图 4) 示出了以不同箱温度和相关箱密度并使推进剂流动通过任何产生压降 的设备和 / 或介质开始而随着推进剂 “闪冷” 而发生的快速温度降低 ( 注意 ： 在该图中所示的质量 (quality) 是在平衡气 / 液混合物中的气体质量百分数 )。图 8B 对于评价向发动机 供料的进料线推进剂密度， 当考虑以下描述的防闪回系统的设计， 以及单元推进剂供应系 统硬件必须运行其中的温度限时， 也是关键的。图 11 示出了证明 NOFB 闪冷发动机原理的 再生冷却式 NOFB 推进器的成功运行。这是产生非常高的燃烧室温度 ( 参见图 1) 的 NOFB 单元推进剂的一种重要特性， 其使得甚至异常高温燃烧室材料设计实施通常不太可行。相 比而言， 单元推进剂肼具有约 1600℃的排气温度。
图 9 示出了作为气体压力的函数的纯 N2O( 主要 NOFB 组分 ) 的示例性帕申曲线最 小 ( 最差情况的最佳压力 × 对于传播火花穿过两平行表面的间隙距离条件 ) 火花传播距 离。在室温储存压力下， 火花间隙距离必须＜ 0.0001mm。这样小的相关火花体积不可能容 许无意中的 NOFB 单元推进剂点火， 因为示例性的 NOFB 淬灭距离为如以下讨论和图 10 中所 示的大至少 10 倍。
单元推进剂对于冲击可以是敏感的， 这种冲击会引发快速的化学反应 ( 即， 引爆 ) 而导致灾难性系统故障。 5.5 米的冲击降落试验已经证实示例性 NOFB 单元推进剂对于冲击 引起的引爆是不敏感的。
因为液体单元推进剂包括组合的燃料和氧化剂， 因此它们能够形成潜在的点火机 制 ( 也称为 “闪回 (flashback” ) 而返回其储存箱。因此， 防止闪回的机构必须包括在发动 机和进料系统设计内。 设计发动机喷射器和闪回控制机构的非常重要的参数是单元推进剂 的淬灭距离。这是闪回火焰通过其能够传播的最小流路尺寸。实践中， 该尺寸受另外的参 数如迂曲度 ( 流路的弯曲度 ) 影响并且对于含流路的固体的温度影响程度较低。更小的流 路尺寸将会淬灭火焰， 并且一般能防止闪回， 但是通过固体向未反应的单元推进剂通过热 传递而发生的第二次点火， 最终也必须进行考虑。图 10 示出了烧结金属孔径足以淬灭特意 引爆而产生闪回的 NOFB 单元推进剂的实验数据。这些淬灭距离采用如图 10 中所示的不容 许火焰扩展的等价或更小的孔径而结合到防闪回系统的设计中。
一般而言， 推进剂能够与改变推进剂化学性质的储存和进料系统硬件随时间而发 生化学反应。候选 NOFB 混合物的初步长时间持续测试已经证明它们在常见的航空航天推 进系统材料 ( 例如， 不锈钢， 聚四氟乙烯 ) 存在下是化学稳定的。在这种情况下， 三种不同 单元推进剂掺混物暴露于聚四氟乙烯和不锈钢， 并在室温下保持 1.5 年。如傅里叶变换红 外 (FTIR) 吸收光谱所示， NOFB 单元推进剂没有观察到化学改变。
图 12 示出了在利用 NOFB( 氧化亚氮燃料掺混物 ) 单元推进剂的发动机中示例性 低推力、 未优化发动机运行测试数据。包括该图以证明利用 NOFB 单元推进剂掺混物在类飞 行构造中的成功推进器的性能。 推力基于喷管系数对于真空等价膨胀和发动机压力进行计 算。
图 13 示出了相对于肼系统例如 NOFB 单元推进系统， 递送的有效载荷质量 ( 减去 燃料箱 ) 比上总湿重质量 ( 装载燃料的运载工具 ) 相对赋予运载工具的速率变化的比较， 假设不同箱容量 (tankage)( 火箭推进干质量相对于总推进系统质量的百分数 ) 作为所需 的航天器速率变化的函数。
实施例 4
小 4 缸发动机 (160cc) 经修改用于本发明的 NOFB 单元推进剂， 以测试采用 NOFB 单元推进剂进行极端高空军事飞行器发动机运行和发射运载工具和人控航天器应用供能的设计 (NASA 的阿波罗 13 飞行任务几乎失败， 是因为缺乏由板载火箭推进剂就能够运行的 后备电源 )。为了在该类型的应用中利用 NOFB 单元推进剂， 有必要相对于在汽油 / 空气发 动机中所用的原始参数修改喷射歧管、 定时、 火花隙、 汽缸盖、 和启动器 / 点火系统。发动机 采用本发明的包含乙烯或者乙炔的氧化亚氮火箭燃料掺混物进行测试。 尽管与这些应用有 关的发动机硬件不同于已经检验的火箭发动机硬件， 但是 NOFB 单元推进剂仍然基本上与 火箭单元推进剂相同并且具有先前已经检验的相同优点 ： 燃烧性能、 无毒、 流体处理特性和 相对于肼的迅速燃烧动力学， 例如， 应用肼基发动机出口， 对于替代应用， 但是， 类似于火箭 应用， 在这些应用中相对于 NOFB 单元推进剂， 肼存推广使用的主要限制是肼更低的能量密 度和毒性。
实施例 5
本发明的单元推进剂能够用于展开系统构架。这在整个 NOFB 单元推进系统已经 为与展开应用有关的应用所需时是尤其有益的。本发明也对在可膨胀 / 可刚性加压推进 器的应用， 对于翼梁 (wingspar) 和维持翼气压， 以及对于可膨胀 / 可刚性化的月球车车轮 (roverwheel)， 都进行了研究。
基本系统将液体用于可燃气体发生器进行迅速展开， 以及维持翼和 / 或可展开物 的强劲长期展开的气压。 示例性的轻质可刚性化车轮被设计成提供尺寸约 1.5m 的车轮， 在侵蚀性 25％岩 石丰度的火星地貌上具有低于 1 次风险 /100m， 以及采用 30cm/ 像素轨道分辨率导航的能 力。而且， 车轮支撑超过了 100kg/ ＜ 10kg 车轮。该车轮采用了一套可膨胀壳， 并具有复合 轮圈。
示例性翼梁利用了本发明的单元推进剂， 对可膨胀 / 快速刚性化翼梁 ( 燃烧 / 闪 冷 ) 提供相对坚硬的翼以维持横穿该翼的稳定 CL 和 CD， 从而实现高的总 L/D。所获得的特 性示于图 14 中。
本发明的单元推进剂也用于展开系统中以提供可膨胀 / 可刚性化的螺旋桨。
本发明的可展开应用也可以包含对于运行后寿命的毁灭机制。 这个应急选项能够 用于深入敌后在不可能选择回收时的配置。
在这些应用中， 初始用于推进应用的 NOFB 火箭单元推进剂也可以用于运行这些 附加的附件配置和运行模式。
本发明的说明书提供了物质组成、 方法、 系统和 / 或结构以及在当前描述技术的 示例性实施方式中的用途的完整描述。尽管该技术的各种实施方式以一定程度的特性， 或 参照一个或多个单一实施方式在以上进行了描述， 但是在不偏离其技术的精神或范围的情 况下， 本领域的技术人员能够对这些公开的实施方式进行许多修改。由于许多实施方式能 够在不偏离当前描述的技术的精神和范围下作出， 并且合适的范围属于权利要求。其它实 施方式因此是可以设想的。而且， 应该理解到， 任何操作可以以任何次序进行实施， 除非明 确以其它方式要求， 或者通过权利要求语言本质上必须要求特定顺序。 可以想到， 在以上描 述中包含的和在附图中所示的所有内容都应该解释为仅仅是具体实施方式的举例说明， 并 且不应该限制于所示的实施方式。在不偏离如在随后的权利要求中所限定的本发明技术 的基本要素的情况下， 可以进行细节或结构上的变化。 在任何对应有用应用的权利要求中， 除非使用术语 “装置” ， 否则其中所引述的特性或要素不应该解释为 35U.S.C§112 的装
置 - 加 - 功能的限制。