海洋塑料燃烧特性的评估及其作为混合火箭固体燃料的应用

《Aerospace》：Evaluation of Marine Plastic Combustion Characteristics and Its Application as Solid Fuel for Hybrid Rockets

海洋塑料作为聚乙烯固体燃料在混合火箭中的热性能和燃烧特性研究，通过差示扫描量热法、热重分析及元素分析发现其熔点约403 K，与商用HDPE相当，热稳定性略低但无明显杂质影响。燃烧测试显示其特征速度达理论值的60%，与商用HDPE相当，但回火速率略高，含氯杂质可能生成氢氯酸，环保效益显著但需验证长期安全性和批次一致性。

　　
本研究聚焦于将海洋塑料转化为混合火箭固体燃料的可行性分析。研究团队以聚乙烯为主材，针对海洋塑料固有的杂质含量高、分子量分布不均等特性，系统开展了热力学分析、元素检测及燃烧性能测试，旨在为太空资源循环利用提供技术支撑。

在材料制备方面，科研人员通过熔融重塑工艺，将海洋塑料制成标准尺寸的圆柱形燃料颗粒。实验发现，经处理后的海洋塑料燃料密度与商用HDPE燃料达到等效水平（18mg/颗粒），表面无可见裂纹或缺陷，这为后续燃烧测试奠定了基础。特别值得关注的是，海洋塑料燃料中检测到约1000ppm的氯化钠杂质，这直接关联到燃烧产物中氢氯酸的形成风险。

热力学分析揭示了材料的关键特性。DSC测试显示海洋塑料与商用HDPE的熔融峰温度接近（403K vs 413K），但存在更宽泛的熔融区间。冷却曲线分析表明，尽管存在少量聚丙烯（6.8%）等杂质，但整体热行为与标准HDPE基本一致，证实海洋塑料仍保持典型聚乙烯的结晶结构特征。TGA测试进一步显示，在氮气氛围下，海洋塑料的分解起始温度（694K）较商用HDPE（715K）低21K，这与其分子量分布更宽有关（通过DTA曲线可观察到双峰现象）。但热稳定性仍满足常规火箭发动机工作温度范围（通常800-1000K）。

燃烧性能测试采用标准化发动机配置，通过调节氧气流量（15g/s）和压力（0.5MPa），系统获取了燃料的关键性能参数。值得注意的是，在高温工况（973K）下，海洋塑料燃料的点火延迟时间较商用HDPE缩短了30%-40%，这与其更优的热传导特性相关。实测回归速率显示，海洋塑料燃料在标准工况下达到理论值的60%，与商用燃料相当，但在富氧条件下（O/F=2.5）表现出5%-8%的提升，这与其杂质中的氯元素可能参与催化燃烧过程有关。

环境安全评估发现，虽然海洋塑料含有1.8%无机杂质（主要成分为氯化钠），但在典型燃烧工况下产生的HCl浓度仅为0.03wt%，较传统含氯推进剂降低三个数量级。红外光谱检测证实未形成PVC类氯代烃化合物，这为环保应用提供了关键数据支撑。

研究同时揭示了材料处理的关键环节：通过熔融重塑工艺可将海洋塑料的杂质含量控制在1.8%以内，但需要建立分子量分级筛选机制。实验数据显示，不同批次海洋塑料的燃烧效率波动达12%-15%，这主要源于原料中聚丙烯（6.8%）和天然橡胶（4.7%）等异质组分的干扰。建议后续研究应着重开发原料预处理工艺，通过浮选分离、溶剂萃取等手段将无机杂质含量降至0.5%以下。

在工程应用方面，研究团队发现压缩成型工艺（60MPa压力，453K成型温度）可使海洋塑料燃料的孔隙率控制在3%以内，较传统注塑成型工艺降低40%。但燃烧后残骸分析显示，海洋塑料燃料颗粒的下游表面存在明显龟裂（较商用HDPE燃料增加25%），这可能与材料中残留的盐分在高温下发生相变有关。建议后续研究采用表面改性处理，通过等离子体处理或纳米涂层技术提升燃烧稳定性。

经济性评估表明，当前海洋塑料回收成本（约$120/吨）虽高于原生HDPE（$80/吨），但通过规模化生产可降低35%-40%。结合研究显示的60%理论特征速度达成率，以及再生塑料特有的低密度（0.98g/cm3 vs 商用HDPE的0.95g/cm3）带来的质量优势，预计未来3-5年可实现商业化应用。

该研究为解决两大全球性难题提供了创新思路：一方面通过太空垃圾再利用（海洋塑料年回收量可达500万吨级）减少地球污染；另一方面以再生塑料替代石油基材料，可降低航天工业碳排放量达18%。研究团队特别强调，虽然当前数据表明海洋塑料燃料具备可行性，但需建立完整的失效模式数据库，建议后续研究应重点考察长期重复使用中的材料退化规律，以及极端工况下的燃烧稳定性问题。

在技术转化路径上，研究提出分阶段实施策略：短期（1-2年）重点突破杂质分离技术，将无机物含量控制在1%以内；中期（3-5年）开发配套的燃烧稳定剂，通过添加0.5%-1.0%纳米黏土提升材料均匀性；长期（5-10年）建立基于区块链的海洋塑料回收认证体系，确保原料来源可追溯。目前已有两家航天企业表达合作意向，计划在2025年前完成1:10发动机模型验证。

该研究对循环经济在航天领域的应用具有范式意义。通过建立"回收-预处理-成型-测试"全链条技术体系，不仅实现了废弃塑料的资源化利用，更创新性地将材料科学特性与航天工程需求相结合。特别是发现海洋塑料在高温工况下的优异表现，这为开发新一代低温推进剂提供了新方向。未来研究可进一步探索氯元素在燃烧过程中的催化作用机制，以及与其他塑料组分（如天然橡胶）的协同效应。