高能铝基自燃燃料与火箭级过氧化氢的全面研究：点火延迟、能量特性及储存稳定性分析

本研究针对传统液体自燃燃料毒性高、储存复杂的问题，开发了新型铝基自燃燃料（HAF），通过NASA-CEA软件优化配方（HAF-7/HAF-8），系统评估其点火延迟时间（IDT）、机械性能及湿度敏感性。结果表明，HAF-8在70 wt.%高铝负载下密度比冲达4.0 MN-s/m3，IDT低于5 ms，且湿度暴露导致IDT与质量增益显著相关。该燃料兼具高能量密度（47.8 MJ/kg）和良好热导率（1.06 W/m·K），为绿色推进系统提供了安全高效的替代方案。

　　

研究背景与意义

传统液体自燃燃料如肼（N₂H₄）虽具有超低点火延迟（1–3 ms）和高比冲（I_sp,v >300 s），但其剧毒性和环境危害促使研究者寻找更安全的替代品。固体自燃燃料虽能规避液体系统的复杂性，但普遍存在能量密度低、湿度敏感性高的问题。火箭级过氧化氢（H₂O₂）因其绿色分解产物（H₂O和O₂）成为理想氧化剂，但现有固体燃料与之匹配时需高还原剂负载（如25 wt.% NaBH₄）才能实现10 ms级IDT，且长期稳定性不足。

研究设计与方法

印度理工学院的研究团队通过NASA-CEA软件筛选出两种铝基自燃燃料（HAF-7和HAF-8），含60–70 wt.%铝、10 wt.% NaBH₄及石蜡粘合剂。研究涵盖密度测量、热分析（TGA-DSC）、机械性能测试（Shore-A硬度>80），并通过高速摄像和红外热成像（FLIR A655）量化IDT及表面温度变化。SEM/EDS和PXRD用于分析湿度暴露后的微观结构与相变，同时评估了燃料在真空/湿度条件下的长期储存稳定性。

研究结果

1. 理论计算与燃料性能
NASA-CEA分析显示HAF-7在O/F=1.1时比冲达2735 N-s/kg，HAF-8密度比冲最高（4.0 MN-s/m³）。实际密度恢复率>98%，热导率（1.01–1.06 W/m·K）优于复合固体推进剂。

2. 点火特性
HAF-8在真空储存下IDT低至1.1 ms（打磨表面），但湿度暴露（72.5% RH，20 h）使IDT升至3.6 ms。质量增益与IDT呈正相关（R²>0.9），归因于NaBH₄降解（28.5%损失导致HHV下降29.5%）。

3. 结构稳定性
SEM显示湿度暴露后表面形成孔洞（R_a从2.11增至12.96 μm），EDS检测到氧原子分数从1.24%激增至53.88%。PXRD证实24周储存后生成硼砂水合物（Na₂B₄O₇·10H₂O），导致IDT升至8.8 ms。

结论与意义

HAF-8以70 wt.%铝负载实现高能量密度（47.8 MJ/kg）和超低IDT（<5 ms），其性能优于传统石蜡基燃料。尽管湿度敏感性限制了长期储存（安全期12周），但密封储存可缓解此问题。该研究为开发无毒、高密度固体推进剂提供了新思路，尤其适用于需多次重启的上面级发动机。未来需优化氧化剂渗透动力学及规模化制备工艺以推动实际应用。