1。1  铝冰推进剂简介

1。1。1  铝冰推进剂概述

铝冰固体燃料推进剂(Aluminum and Ice Solid Propellants)是一种由纳米级铝粉和水在超低温条件下混合而成一种具有高效能比冲的固体推进剂，可以有效的替代现有的一些固体或液体推进剂。纳米铝和水/冰完全反应时，可以得到比以往推进剂更高的比冲并释放出等量或高于普通推进剂的热量。并且其反应燃烧可以向之前最开始所提到的内容中通过添加添加剂来改善其整体的燃烧性能。从而成为一种新型的改进和提高空间推力系统性能的的一种新型技术手段和方式。对比于传统的双基推进剂，铝冰推进剂具有以下几种特点：

(1) 比冲基本在300s以上，较高于传统的推进剂配方；论文网

(2) 使用安全，意外点火率较低，可以忽略静电放电带来的影响；

(3) 制造工艺相较于传统推进剂来说工艺简单，制造地点不受限制，成本相对来说较低；

(4) 铝冰反应的燃烧产物为绿色无污染的水和铝的氧化物，相较于传统推进剂燃烧产生的盐酸等高毒性反应产物而言铝冰推进剂反应产物较为安全。

1。1。2  铝与水的燃烧反应

铝与水的反应是整体推进剂中的重要燃烧反应，因为在铝和水燃烧的过程中会放出大量等同于其他绿色排气装置等同的热量。其主要反应方程式如下：

通过相应的计算可以得出铝水燃料产生的能量可以达到15。43(KJ/g)。采用化学平衡法计算出的绝热温度可以到达2826K。根据目前的理论可以得出出铝和超高温水蒸气的反应过程如下。

表面反应[2]：  (1。2)

可以得到相应的反应表面的气相反应为：                   

是以采取高能量密度的铝水反应体系作为发动机推进系统，可以获得较好的推力。同时通过相关试验研究可以得出若引入其他性能更活跃的添加剂如过氧化氢或硼烷氨这种既能溶于水并且应用产物也为氧化铝的推进剂配方可以得到比原有推进剂配方更好的实验数据参数。 

1。1。3  铝水推进系统工作原理

金属/水基燃料是利用环境水作为氧化剂，具有高能量密度的金属作为燃烧剂的一种新型 的高性能燃料。它通过将外部的环境水导入至燃烧室中进而与内部的高能量的金属燃料反应，产生大量高温可燃性燃气，从而产生庞大的推力来推动整个系统的前进。因为这种新型推力系统完整的利用了环境水作为氧化剂，从而使得所携带的金属燃料的燃烧性能得到了大幅度的提高[3]。

理论上来说，金属Be、Al、B、Li、Na、Ca、Mg、K等都能作为铝冰推进系统的金属反应燃料。其与水反应的能量密度如图1。1所示。从图1。1中可以看出：镁与水燃烧较为容易发生，但反应所获得能量密度过低；虽然铍的能量密度较高但金属毒性太大并不适宜用作反应燃料；钙、钾、锂、钠容易与水反应，但由于自身化学性质过于活泼并不易于储存；硼虽然能量密度高，但与水反应不易发生；金属铝具有很高的能量密度，并且化学性质稳定无毒性，但缺点是与水反应生成的氧化物膜易附着在铝颗粒表面，阻止了铝与水的深入反应。如果可以降低铝与水的点火阈值并实时去除氧化物薄膜的干扰，金属铝可以成为最实用的推进系统的燃料[4]。

金属和水反应能量密度图

1。2  铝冰推进剂的发展历程

1。2。1  铝冰燃料研究历程

1。2。2  国内外相关研究进展

1。3  铝水推进剂需要克服的问题

由于金属铝的化学活性中等，同时与水反应的启动温度在1700℃左右，并且反应会在金属铝表面易生成致密的氧化膜，进而导致反应无法深入进行。针对该方面的问题，国内外科研学者做了大量的探索工作。2006年美国专利[13]介绍了利用密闭玻璃试管来通过快速提高冷却铝水解混合物的温度(温差在40--80K)的方法来提高金属铝的活性，使活化后的铝粉和水充分反应。