本发明涉及一种低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂及其制备方法和应用，属于含能材料领域。
背景技术：
1、液体推进剂具有燃烧热值高、比冲大、推力易调节、可多次点火启动等优势，在卫星、飞船、火箭等各种航天器中得到广泛应用。现在使用的单组元液体推进剂仍然主要是肼类化合物（无水肼、单推-3等），至今已有六十余年，虽然表现出良好的燃烧效率和应用性能，但是，它们均具有易致癌、强腐蚀、安全差的缺陷，“跑、冒、滴、漏”若处置不当，就会严重危及工作人员的生命安全，还会造成环境污染，需要复杂的地面支持和维护系统，影响装备响应性能（瑞典adn 基单组元液体绿色推进器的研究进展， 姜小存，刘肖，司燕，刘继方，推进技术，2012，6，79-83）。据美国报道，因有毒肼液体推进剂造成伤亡的技术专家超过200人，近年来航天航空领域所有的人员伤亡事故大都涉及到有毒肼推进剂。随着航天航空技术的持续发展及人们对环保要求的不断提高，研发无毒无污染、高能量密度的绿色液体推进剂以替代传统肼类推进剂成为各国竞相发展的前沿技术领域。
2、二硝酰胺铵（ammonium dinitramide，缩写为adn）是一种高能量密度材料，具有无毒无污染、低特征信号等优势，用于替代固体推进剂中的高氯酸铵，已应用于白杨系列装备（adn 的制备及其在单元推进剂中的应用，化学推进剂与高分子材料，2017，15，39-53）。adn分子式为nh4n(no2)2，氧平衡为+25.79%，生成热为-148kj/mol，20℃时溶解度为355g/110g水，小白鼠半数致死量ld50为823 mg/kg，远高于肼的60 mg/kg，为一种低毒类物质，有望替代肼推进剂应用于飞行器的姿态和轨道控制动力系统。2010年，采用lmp-103s型adn 液体推进剂的prisma 卫星成功首飞，在轨运行五年完成相关测试项目，充分展示了adn液体推进剂取代有毒肼的巨大潜力（flight demonstration of new thruster and greenpropellant technology on the prisma satellite, k. anflo, r. möllerberg, actaastronautica, 2009, 65, 1238-1249; lab-scale ballistic and safety propertyinvestigations of lmp-103s, j. c. thomas, f. a. rodriguez, combustion andflame, 2023, 253, 112810）。截止2024年8月，adn液体推进剂已推广应用于skysat星座、elsa-d卫星、nrol-111、argomoon等多颗卫星（new technologies for ammoniumdinitramide based monopropellant thrusters-the project rheform, m. negri, m.wilhelm, c. hendrich, acta astronautica 2018, 143, 105-117, research progresson the catalytic and thermal decomposition of ammonium dinitramide, rscadvances, 2024, 3636-3646）；目前主要围绕欧洲空间局的阿丽亚娜-5号运载火箭上面级任务需求，开展200n-600n大推力adn推进剂技术研制工作。
3、2006年，中国科学院大连化学物理研究所在国内率先开展adn液体推进剂研究，自主发展了adn 高纯化制备技术（cn202111293742.4，cn202111291952.x），建立模拟空间环境条件下推进剂综合使用性能测试与分析方法；研制的adn液体推进剂（amp-112-i型）于2016年11月随实践十七号卫星成功发射，圆满完成在轨试验，标志着我国卫星姿轨控动力从传统的有毒肼向可持续的无毒推进剂的跨越（adn 基液体空间发动机的实验研究与在轨验证，姚兆普，张伟，王梦，陈君，沈岩，火箭推进，2018，44（1），8-14）。目前，研制的adn液体推进剂已装备于宁夏一号、齐鲁一号、遥感三十五/三十六/三十九号等20余颗国家重点卫星星座，取得了显著的经济与社会效益。
4、无论是国外发展的lmp-103s型或flp-106型adn液体推进剂，还是国内研制的amp-112-i型adn液体推进剂，均使用甲醇或n-甲基甲酰胺作为燃料，adn作为氧化剂，通过分子间的氧化还原反应，产生高温高压氮气、二氧化碳、水等气体，实现化学能到动能转换。然而，甲醇含碳量高达37.49%，n-甲基甲酰胺含碳量高达40.67%，在发动机受限空间（毫秒时间和厘米空间）内很难与adn中的氧元素完全反应，实现高效燃烧，催化剂容易出现积碳现象，覆盖活性中心，导致发动机工作性能衰减。目前，国内外研制的adn液体推进剂脉冲工作次数均小于20万次，仅能满足小型卫星在轨工作5年的要求（green space propulsion:opportunities and prospects，progress in aerospace sciences, 2014, 71, 128-149; 绿色高性能adn 基推力器关键组件测试及点火性能研究, 兵器装备工程学报,2017, 38(12), 163-166）。然而，携带更多有效载荷，功能更加强大，用途更加广泛的大型卫星工作寿命通常要求10-15年以上，推进剂须具有大于40万次脉冲工作特性，对于建立长期在轨的国家空间基础设施体系至关重要。因此，研制一种可数十万次脉冲工作的adn液体推进剂，满足大型卫星在轨长寿命要求具有重要的科学意义和应用价值。
技术实现思路
1、本发明针对目前adn液体推进剂脉冲工作次数不足以及现有技术存在的缺陷，通过改变传统的adn液体推进剂配方及其制备方法（见图6），引入低碳富氮离子盐替代甲醇，作为推进剂的燃料，提供一种可数十万次脉冲工作adn液体推进剂及其制备方法和应用。
2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
3、一种低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂的制备方法，所述的制备方法通过设计低碳富氮离子盐，提升adn液体推进剂能量密度的同时，降低推进剂碳含量，从分子水平改善氧化还原反应，基本消除催化剂积碳现象，实现推进剂数十万次脉冲工作。具体制备方法包括以下步骤：
4、第一步，在反应器中加入二硝酰胺铵、水，室温搅拌半小时，得到二硝酰胺铵水溶液；
5、第二步，向二硝酰胺铵水溶液中分批缓慢加入低碳富氮离子盐得到混合溶液，加料完毕后，升温至50℃-70℃，继续搅拌，活化1-2小时至体系全部溶解为透明液体，即可得到低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂。
6、进一步的，所述的第二步混合溶液中，二硝酰胺铵的质量分数为35-70%，水的质量分数为10-30%，富氮离子盐的质量分数为10-40%，三者加和是100%，构成推进剂配方。
7、进一步的，所述的第二步中，所述低碳富氮离子盐为卡巴肼二硝酸盐、二硝酰胺二甲胺、硝酸胍、5-氨基四氮唑硝酸盐、5-氨基四氮唑胍盐、5-氨基四氮唑肼盐中的一种，优选卡巴肼二硝酸盐。
8、本发明的低碳富氮adn液体推进剂能够提高现有推进剂脉冲工作次数、工艺性能和燃烧效率。本发明的低碳富氮adn液体推进剂在催化剂或其它点火剂的存在下，于发动机内可进行自维持燃烧，产生高温高压气体，从推力器喷管喷出，即在相反方向产生推力，实现飞行器姿态和轨道控制。
9、一种低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂，采用上述方法制备得到，其配方及质量分数配比为：35-70%二硝酰胺铵，10-40%低碳富氮化合物，10-30%水。
10、一种低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂的应用，所述低碳富氮adn液体推进剂可用作卫星、飞船、火箭的燃料，满足各类飞行器对先进空间动力无毒化高能化的迫切需求；具体的：所述推进剂在300℃预热条件下，可实现脉冲点火工作42万次，特别适用于大型卫星的姿态和轨道控制系统，满足空间飞行器长期在轨工作寿命要求。
11、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
12、（1）本发明的推进剂采用低碳富氮离子盐作为一种燃料，代替高碳含量的甲醇、n-甲基甲酰胺等溶剂，adn作为氧化剂，得到一种新的可长寿命脉冲工作adn液体推进剂，脉冲工作次数可达42万次。
13、（2）本发明使用低碳富氮离子盐作为燃料，具有较高的能量密度和燃烧热值，将传统的adn与甲醇、n-甲基甲酰胺分子间氧化还原反应部分转换为分子内氧化还原反应，有效削弱了催化剂表界面因积碳现象导致的活性中心数量减少，提高了推进剂的长寿命脉冲工作能力。
14、（3）本发明的原料来源丰富，制备工艺简单，适于工业化应用。
1.一种低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂，其特征在于，所述的低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂由二硝酰胺铵、低碳富氮化合物、水组成，其中各组分的质量分数为：35-70%二硝酰胺铵，10-40%低碳富氮化合物，10-30%水，三者加和是100%。
2.一种权利要求1所述的低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂的制备方法，其特征在于，所述的第二步中，所述低碳富氮离子盐为卡巴肼二硝酸盐、二硝酰胺二甲胺、硝酸胍、5-氨基四氮唑硝酸盐、5-氨基四氮唑胍盐、5-氨基四氮唑肼盐中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂的制备方法，其特征在于，所述的第二步中，所述低碳富氮离子盐为卡巴肼二硝酸盐。
5.一种权利要求1所述的低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂的应用，其特征在于，所述低碳富氮adn液体推进剂作为各类飞行器的燃料。
6.根据权利要求5所述的一种低碳富氮二硝酰胺铵液体推进剂的应用，其特征在于，所述推进剂在300℃预热条件下，能够实现脉冲点火工作42万次，适用于大型卫星的姿态和轨道控制系统，满足空间飞行器长期在轨工作寿命要求。
