材料燒蝕測試。圖片：NASA

科學家正在研究新式的固體推進劑，可作為煙火、採礦和太空推進的更安全的選擇，因為它們僅在電流下點燃。但是，由於所有這些應用都需要高熱量，因此了解高溫如何改變推進劑的化學性質非常重要。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校，密蘇里科技大學和NASA的研究人員使用計算機模型模擬高溫材料的熱化學性質，以預測新型高效能電固體推進劑的熱化學性質。

“在燒蝕脈衝等離子推進器（ablation pulsed plasma thruster）中，電固體推進劑的表面附近有高溫等離子體。熱量導致少量推進劑被從表面去除並蒸發。被燒蝕的材料被加速到非常高的速度來推動火箭。但是，高溫也改變了材料的化學成分。到目前為止，我們還沒有該化學成分資訊。”。伊利諾伊大學Grainger工程學院航空航天工程學系副教授約書亞·羅維（Joshua Rovey）說。

我們在談論的溫度有多熱？舉例來說，12000K是恆星表面的溫度。該模型模擬了500至40000K的溫度。

在這樣的高溫下，固體推進劑的化學性質發生變化。常規的特氟龍（聚四氟乙烯）材料由兩個碳和四個氟組成。當它燒蝕時，溫度很高，以至分子解體，碳和氟彼此分離。

羅維說：“溫度非常高，以至於電子從那些原子中脫出。帶負電的電子在周圍移動，帶正電的離子仍然保持流體狀態。熱氣以高速從推進器中噴出，從而產生推力並推動航天器。這項工作是一個數值模型，可預測這種推進劑在汽化時處於高溫狀態的熱力學和平衡。”

該研究始於先前開發的用於特氟龍材料的數值模型和資料，以提供基準。在確認他們正確模擬了特氟龍之後，研究人員使用了相同的模型，但是使用了高效能電推進劑 - 羥基硝酸銨 -來預測其在與聚四氟乙烯相同的溫度下的電導和電離。

該研究的一個主要結論是，在這些極端溫度下，高效能電推進劑具有更高的焓（儲存在氣體中的能量）。

羅維說：“與特氟龍相比，與這種材料有關的凍結流動損失（frozen flow losses）可能更多。高效能電動推進劑在氣體內部儲存了更多的能量。對於推進，我們希望該能量用於加速氣體。我們不想在氣體內部保留太多的能量。是的，它確實製造了熱氣，但我們需要高速氣體。

“這是使用它的缺點之一，在這些氣體內部儲存更多的能量會降低效率。這項研究表明，原因基本上是由於材料的熱化學性質 - 高效能電推進劑的原子和分子組成以及它們如何應對加熱和高溫。”

羅維說，這項工作的資訊可以應用於其他固體推進劑應用，例如煙火或鐳射燒蝕。

“無論是燒蝕脈衝等離子推進器，鐳射燒蝕表面還是其他能量沉積技術，我們都只是在研究這種材料在不同溫度下的行為 - 其化學成分如何變化。”

這項研究“基於羥基硝酸銨的電固體推進劑等離子體的熱力學性質”發表在《熱物理學和熱傳遞》雜誌上。