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(上?？臻g推進(jìn)研究所，上海空間發(fā)動機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

目前，我國主要運(yùn)載火箭的輔助動力系統(tǒng)均采用有毒肼類推進(jìn)劑。肼類推進(jìn)劑具有很強(qiáng)的毒性和致癌性，后處理困難，發(fā)生泄漏還可能對環(huán)境造成污染甚至損害周圍人員的身體健康。隨著社會的不斷進(jìn)步和航天技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對人員健康和環(huán)境保護(hù)的要求更為嚴(yán)格，采用無毒無污染的推進(jìn)技術(shù)替代現(xiàn)有毒肼類推進(jìn)技術(shù)正成為目前國內(nèi)外航天推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方向[1]。

與肼類推進(jìn)劑相比，硝酸羥胺 (Hydroxyl Ammonium Nitrate, 簡稱HAN)基推進(jìn)劑具有無毒無污染、高密度比沖的特點，有助于減小貯箱推進(jìn)劑質(zhì)量，減小推進(jìn)系統(tǒng)體積，提高航天器的使用壽命[2]。此外，推進(jìn)系統(tǒng)采用HAN基推進(jìn)技術(shù)還可以提高其使用維護(hù)性，簡化加注流程，降低操作成本，縮短發(fā)射周期。

由于HAN基推進(jìn)劑在相同條件下催化反應(yīng)速率比肼類推進(jìn)劑慢得多，因此目前世界各國研制的HAN發(fā)動機(jī)啟動工作前均需對發(fā)動機(jī)催化床進(jìn)行預(yù)先加熱，該要求對在軌運(yùn)行的衛(wèi)星動力系統(tǒng)而言影響較小，但對于運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈武器甚至飛船返回艙等，通常要求發(fā)動機(jī)能夠常溫啟動，在一定程度上限制了HAN基發(fā)動機(jī)的應(yīng)用。

相對于催化床預(yù)熱啟動，無毒HAN基發(fā)動機(jī)的常溫啟動具有明顯優(yōu)勢，例如無需為HAN基發(fā)動機(jī)配備加熱系統(tǒng)，簡化了HAN基推進(jìn)系統(tǒng)，減小系統(tǒng)質(zhì)量；簡化發(fā)動機(jī)工作流程，減少發(fā)動機(jī)工作前的準(zhǔn)備時間，提高了系統(tǒng)的可靠性；可原位替代現(xiàn)有毒類推進(jìn)系統(tǒng)，應(yīng)用于我國新一代載人運(yùn)載火箭輔助動力系統(tǒng)實現(xiàn)“全箭無毒化”，應(yīng)用于導(dǎo)彈武器姿控動力系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)急發(fā)射，應(yīng)用于載人飛船增加有效載荷等。

1 國內(nèi)外HAN基推進(jìn)技術(shù)概況

美國自20世紀(jì)90年代就開始了HAN基推進(jìn)技術(shù)的研究。2012年8月，NASA 啟動了綠色推進(jìn)劑飛行演示任務(wù)，由Ball空間技術(shù)公司負(fù)責(zé)，主要演示AF-M315E推進(jìn)劑和Aerojet公司研制的HAN基發(fā)動機(jī)，計劃2018年飛行，但目前沒有公開報道飛行情況[3-7]。發(fā)動機(jī)如圖 1所示，發(fā)動機(jī)預(yù)熱啟動溫度為315℃。

2017年，美國Busek公司報道了1U立方體衛(wèi)星綠色推進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)展[8-10]。該項目也被稱為立方體衛(wèi)星的先進(jìn)單元技術(shù)應(yīng)用(Advanced Monopropellant Application for CubeSats，AMAC)，其系統(tǒng)使用HAN基無毒單組元推進(jìn)劑AF-M315E，目前已完成工程樣機(jī)研制。該系統(tǒng)濕重1.5kg，能提供0.1N～0.5N的可變推力以及565N·s的總沖，換算下來可為3U/4kg的立方體衛(wèi)星提供146m/s的速度增量，系統(tǒng)需求的功率為20W。AMAC系統(tǒng)已經(jīng)完成系統(tǒng)集成并成功完成了系統(tǒng)級的熱點火測試，目前已成飛行產(chǎn)品。0.5N發(fā)動機(jī)是AMAC項目的關(guān)鍵單機(jī)，發(fā)動機(jī)采用催化點火方式進(jìn)行工作。BUSEK公司為了解決傳統(tǒng)顆粒催化劑磨損的問題，發(fā)動機(jī)催化床采用了整裝式催化劑的設(shè)計。該設(shè)計首先在0.5N發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了驗證，并形成了系列化，推力包括0.1N、0.5N、5N和22N，如圖2所示。

圖1 Aerojet公司研制的HAN基單元發(fā)動機(jī)Fig.1 HAN-based green monopropellant thruster of the Aerojet company

圖2 Busek公司研制的無毒單元發(fā)動機(jī)系列Fig.2 HAN-based green monopropellant thruster of the Busek company

Kappenstein研究小組報道了一種將Pt負(fù)載在Si改性氧化鋁載體上的催化劑[9]，由于Si-Al2O3載體酸性表面對降低催化分解溫度具有促進(jìn)作用，該催化劑可以將79%HAN水溶液的催化預(yù)熱溫度從115℃降到40℃，其中10%Pt/Si-Al2O3催化劑在40℃預(yù)熱溫度下，連續(xù)完成79%HAN水溶液15次穩(wěn)定啟動。

在BMDO/NASA、空軍SBIR計劃的支持下，美國開展了AMCAT(advanced monolithic catalyst)研究計劃，催化劑為鉑組金屬及其氧化物，11種催化劑啟動溫度低于60℃，2種催化劑在室溫可以啟動，但使用的催化劑和推進(jìn)劑配方未見報道。

近年來，俄羅斯也開始著手HAN基無毒推進(jìn)技術(shù)的研究。2017年，俄羅斯的法克爾實驗設(shè)計局(Experimental Design Bureau Fakel)對HAN基發(fā)動機(jī)進(jìn)行了研制[10-11]，該發(fā)動機(jī)主要包括一個帶特殊保護(hù)涂層的高溫合金燃燒室，其中有加熱器、催化床、噴注器、熱控系統(tǒng)、安裝板等。設(shè)計的樣機(jī)是可拆解的，便于分解與優(yōu)化設(shè)計。地面試驗進(jìn)行了100個連續(xù)脈沖點火試驗，單脈沖重復(fù)性很好。

國內(nèi)對HAN基推進(jìn)技術(shù)也進(jìn)行了研究，上?？臻g推進(jìn)研究所牽頭聯(lián)合多家科研單位進(jìn)行新型無毒單組元推進(jìn)劑及發(fā)動機(jī)工程應(yīng)用的可行性研究工作。通過前期的研究工作，在無毒空間單元發(fā)動機(jī)技術(shù)研究方面獲得了較大的成果，發(fā)動機(jī)與推進(jìn)劑、催化劑的匹配性得到進(jìn)一步提升，發(fā)動機(jī)壽命也顯著增加，目前研制的推力品種包括1N、5N、25N、60N、150N、250N和400N。本文針對無毒單元5N和60N發(fā)動機(jī)，介紹了發(fā)動機(jī)常溫啟動技術(shù)、試驗結(jié)果分析及后續(xù)工作等。

2 發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑催化劑簡介

2.1 發(fā)動機(jī)簡介

HAN基無毒單元5N和60N發(fā)動機(jī)實物圖如3所示，發(fā)動機(jī)由閥門、噴注器、催化床和噴管等組成。其中噴注器包括帶法蘭的集合器、支架、噴注管和噴注板，催化床包括圓筒、隔板、擋板和催化劑等。

圖3 無毒單元發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of green monopropellant thruster

2.2 推進(jìn)劑簡介

HAN基推進(jìn)劑主要由硝酸羥胺HAN(分子式為NH3OHNO3)、相容的燃料、添加劑和適量的水組成，是一種新型綠色單組元推進(jìn)劑，由于具有密度大、能量高、冰點低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點而成為肼類單組元推進(jìn)劑的優(yōu)良替代品種。

2.3 催化劑簡介

HAN基催化劑主要包括高活性催化劑和耐高溫催化劑。高活性催化劑基體主要采用改性氧化鋁，耐高溫催化劑主要采用硅鋁粉體燒結(jié)法制備莫來石陶瓷載體催化劑。HAN基發(fā)動機(jī)前床的催化劑以催化分解為主，而后床以燃燒為主，所以前床溫度較低，后床溫度較高。為了保證推進(jìn)劑在前床快速分解，前床催化劑需要較高活性，而后床燃燒溫度較高，需要裝填耐高溫催化劑。

3 發(fā)動機(jī)常溫啟動試車結(jié)果及分析

本次進(jìn)了3臺5N、2臺60N和1臺150N共6臺發(fā)動機(jī)試車，發(fā)動機(jī)試車編號分別為S18-01、S18-02、S18-03、S18-04、S18-05和S18-06。發(fā)動機(jī)試車原理如圖4所示，發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 HAN基無毒發(fā)動機(jī)試車系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of HAN-based green monopropellant thruster test system

試車編號推力/N額定室壓/MPa床載荷/(g/cm2)毛細(xì)管數(shù)量啟動溫度啟動程序長穩(wěn)態(tài)壽命/sS18-0150.92.5425℃(0.1s/1s)×10400S18-0250.92.54120℃(0.1s/1s)×10768(推進(jìn)劑耗光)S18-0350.92.5425℃(0.04s/2s)×101200S18-04600.92.230120℃(0.2s/2s)×101200S18-05600.92.23025℃-168S18-061501.12.23525℃-500

S18-01次試車情況：在室溫條件下，發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10個0.1s/1s的脈沖啟動，前床溫度約為120℃，中床溫度約為140℃，后床溫度約為80℃，隨后發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10s穩(wěn)態(tài)工作和長穩(wěn)態(tài)工作，400s時室壓明顯下降，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，發(fā)動機(jī)啟動特性及長穩(wěn)態(tài)曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，在室溫條件下，發(fā)動機(jī)前5個脈沖無室壓，催化床溫度緩慢增加，表明推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生了緩慢的催化分解反應(yīng)；發(fā)動機(jī)從第6個脈沖開始建壓，表明推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生了較劇烈的催化燃燒反應(yīng)。發(fā)動機(jī)長穩(wěn)態(tài)工作了400s后性能快速下降，說明發(fā)動機(jī)的工作壽命較低。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 脈沖啟動催化床溫度

(c) 長穩(wěn)態(tài)室壓圖5 5N發(fā)動機(jī)常溫脈沖啟動及長穩(wěn)態(tài)特性曲線Fig.5 Pulse and long steady state curves of 5N green monopropellant thruster under normal temperature

S18-02次試車情況：在120℃條件下，發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10個0.1s/1s的脈沖啟動，前床溫度約為300℃，中床溫度約為400℃，后床溫度約為230℃，隨后發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10s穩(wěn)態(tài)工作和長穩(wěn)態(tài)工作，768s時推進(jìn)劑耗完，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，發(fā)動機(jī)啟動特性及長穩(wěn)態(tài)曲線如圖6所示。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 脈沖啟動催化床溫度

(c) 長穩(wěn)態(tài)室壓圖6 5N發(fā)動機(jī)120℃脈沖啟動及長穩(wěn)態(tài)特性曲線Fig.6 Pulse and long steady state curves of 5N green monopropellant thruster at 120℃

從圖6可以看出，在120℃條件下，發(fā)動機(jī)第1個脈沖開始建壓，催化床溫度迅速上升，表明推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生了較劇烈的催化燃燒反應(yīng)，且脈沖的一致性良好，表明發(fā)動機(jī)能夠快速脈沖啟動。發(fā)動機(jī)連續(xù)工作768s后推進(jìn)劑耗完，且發(fā)動機(jī)性能無下降趨勢，表明發(fā)動機(jī)長穩(wěn)態(tài)壽命較長。

與S18-01次試車對比表明：在120℃條件下，發(fā)動機(jī)第1個脈沖開始建壓，常溫條件下，發(fā)動機(jī)第6個脈開始建壓，說明發(fā)動機(jī)120℃脈沖啟動性能明顯高于常溫啟動性能，120℃時推進(jìn)劑的催化反應(yīng)活性遠(yuǎn)高于常溫時推進(jìn)劑的催化反應(yīng)活性；發(fā)動機(jī)120℃條件下啟動，長穩(wěn)態(tài)壽命比常溫脈沖啟動時長1倍以上，說明常溫脈沖啟動對發(fā)動機(jī)的壽命影響較大。

S18-03次試車情況：在室溫條件下，發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10個0.04s/2s的脈沖啟動，前床溫度約為170℃，中床溫度約為120℃，后床溫度約為80℃。隨后發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10s穩(wěn)態(tài)工作和長穩(wěn)態(tài)工作和脈沖程序，發(fā)動機(jī)性能良好。發(fā)動機(jī)啟動特性及長穩(wěn)態(tài)曲線如圖7所示。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 脈沖啟動催化床溫度

(c) 長穩(wěn)態(tài)室壓圖7 5N發(fā)動機(jī)常溫脈沖啟動及長穩(wěn)態(tài)特性曲線Fig.7 Pulse and long steady state curves of 5N green monopropellant thruster under normal temperature

從圖7可以看出，在室溫條件下，發(fā)動機(jī)前2個脈沖無室壓，催化床溫度緩慢增加，表明推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生了緩慢的催化分解反應(yīng)；發(fā)動機(jī)第3個脈沖開始建壓，表明推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生了較劇烈的催化燃燒反應(yīng)。發(fā)動機(jī)長穩(wěn)態(tài)工作了1200s，且發(fā)動機(jī)性能無下降趨勢，表明發(fā)動機(jī)長穩(wěn)態(tài)壽命較長。

與S18-01次試車對比表明：發(fā)動機(jī)常溫脈沖啟動時，S18-03試車第3個脈沖開始建壓，而S18-01試車第6個脈沖開始建壓，說明脈沖工作時間和脈沖間隔時間直接影響著發(fā)動機(jī)啟動快慢，脈沖工作時間較短，間隔時間較大時，推進(jìn)劑催化分解環(huán)境更好，發(fā)動機(jī)啟動較快。對比催化床溫度可以看出：S18-03次試車比S18-01次試車催化床溫度更高，但總的脈沖時間更短，消耗推進(jìn)劑更少，說明短脈沖工作時間長脈沖間隔推進(jìn)劑催化分解效率更高。對比兩次試車長穩(wěn)態(tài)工作可以看出：S18-03次試車發(fā)動機(jī)壽命更長，且性能無下降趨勢，說明短脈沖工作時間、長脈沖間隔有利于提高發(fā)動機(jī)的長穩(wěn)態(tài)壽命。

S18-04次試車情況：在120℃條件下，發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10個0.2s/2s的脈沖啟動，隨后發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10s穩(wěn)態(tài)工作和1200s長穩(wěn)態(tài)工作，發(fā)動機(jī)性能良好，發(fā)動機(jī)啟動特性及1200s長穩(wěn)態(tài)曲線如圖8所示。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 長穩(wěn)態(tài)室壓圖8 60N發(fā)動機(jī)120℃脈沖啟動及長穩(wěn)態(tài)特性曲線Fig.8 Pulse and long steady state curves of 60N green monopropellant thruster at 120℃

從圖8可以看出，在120℃條件下，發(fā)動機(jī)第1個脈沖開始建壓，催化床溫度快速上升，隨著催化床溫度的上升，脈沖室壓逐漸上升，第6個脈沖已接近額定室壓。發(fā)動機(jī)長穩(wěn)態(tài)工作了1200s，室壓稍有下降，表明發(fā)動機(jī)長穩(wěn)態(tài)壽命較長。

與S18-02次試車對比表明：S18-02次試車脈沖啟動時脈沖一致性很好，室壓接近額定室壓，S18-04次試車脈沖啟動時前兩個脈沖室壓較低，之后緩慢升高，說明60N發(fā)動機(jī)啟動性能相對5N發(fā)動機(jī)較差。

S18-05次試車情況：在常溫條件下，發(fā)動機(jī)進(jìn)行了脈沖啟動，脈沖分別為10個0.02/4s、10個0.02/3s、10個0.02/2s、10個0.04/2s和10個0.08/2s，隨后發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10s穩(wěn)態(tài)工作和1200s長穩(wěn)態(tài)工作，發(fā)動機(jī)長穩(wěn)態(tài)工作160s后性能大幅下降，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)。發(fā)動機(jī)啟動特性及長穩(wěn)態(tài)曲線如圖9所示。

從圖9可以看出，在常溫條件下，發(fā)動機(jī)前3組脈沖無室壓，催化床溫度緩慢增加，表明推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生了緩慢的催化分解反應(yīng)；發(fā)動機(jī)從第4組脈沖開始建壓，表明推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生了較劇烈的催化燃燒反應(yīng)。發(fā)動機(jī)長穩(wěn)態(tài)工作了160s后性能快速下降，說明發(fā)動機(jī)的工作壽命較低。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 脈沖啟動催化床溫度

(c) 長穩(wěn)態(tài)室壓圖9 60N發(fā)動機(jī)常溫脈沖啟動及長穩(wěn)態(tài)特性曲線Fig.9 Pulse and long steady state curves of 60N green monopropellant thruster under normal temperature

與S18-02次試車對比表明：在120℃條件下，發(fā)動機(jī)第1個脈沖開始建壓，常溫條件下，發(fā)動機(jī)第4組開始建壓，說明發(fā)動機(jī)120℃脈沖啟動性能明顯高于常溫啟動性能，120℃時推進(jìn)劑的催化反應(yīng)活性遠(yuǎn)高于常溫時推進(jìn)劑的催化反應(yīng)活性；發(fā)動機(jī)常溫條件下啟動，長穩(wěn)態(tài)壽命僅有160s，說明常溫脈沖啟動對發(fā)動機(jī)的壽命影響較大。

S18-06次試車情況：在常溫條件下，發(fā)動機(jī)進(jìn)行了脈沖啟動，脈沖分別為10個0.02/5s、10個0.02/4s、10個0.02/3s、10個0.04/3s和10個0.08/3s，隨后發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10s穩(wěn)態(tài)工作和長穩(wěn)態(tài)工作，長穩(wěn)態(tài)工作室壓平穩(wěn)，無下降趨勢，表明發(fā)動機(jī)長穩(wěn)態(tài)壽命較長。發(fā)動機(jī)啟動特性及長穩(wěn)態(tài)曲線如圖10所示。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 脈沖啟動催化床溫度

(c) 長穩(wěn)態(tài)室壓圖10 150N發(fā)動機(jī)常溫脈沖啟動及長穩(wěn)態(tài)特性曲線Fig.10 Pulse and long steady state curves of 150N green monopropellant thruster under normal temperature

從圖10可以看出，在常溫條件下，發(fā)動機(jī)前4組脈沖基本無室壓，催化床溫度緩慢增加，表明推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生了緩慢的催化分解反應(yīng)；發(fā)動機(jī)從第5組脈沖開始建壓，表明推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生了較劇烈的催化燃燒反應(yīng)。發(fā)動機(jī)長穩(wěn)態(tài)工作了500s，性能無下降趨勢，說明發(fā)動機(jī)的工作壽命較長。

與S18-03次和S18-05次試車對比表明：常溫條件下，5N發(fā)動機(jī)第3個脈沖開始建壓，60N發(fā)動機(jī)第4組脈沖開始建壓，150N發(fā)動機(jī)第4組脈沖開始建壓，說明發(fā)動機(jī)推力越大，發(fā)動機(jī)的常溫啟動越緩慢。

4 結(jié)論與展望

通過對3臺5N發(fā)動機(jī)、2臺60N發(fā)動機(jī)和1臺150N發(fā)動機(jī)的對比試驗，對發(fā)動機(jī)常溫啟動有了更清晰的認(rèn)識：

1)發(fā)動機(jī)120℃條件下脈沖啟動時，啟動性能明顯高于常溫啟動，說明120℃時推進(jìn)劑的催化反應(yīng)活性遠(yuǎn)高于常溫時，相對于120℃啟動，常溫啟動會縮短發(fā)動機(jī)的長穩(wěn)態(tài)工作壽命；

2)脈沖工作時間和脈沖間隔時間直接影響著推進(jìn)劑的催化反應(yīng)活性，脈沖工作時間較短，間隔時間較長時，推進(jìn)劑催化分解活性和催化分解效率更高，發(fā)動機(jī)啟動更快，長穩(wěn)態(tài)工作壽命更長；

3)發(fā)動機(jī)隨推力增大，發(fā)動機(jī)啟動變慢，長穩(wěn)態(tài)壽命變短。

近年來，HAN基無毒單元發(fā)動機(jī)技術(shù)取得了較大的突破，實現(xiàn)了較小推力發(fā)動機(jī)的常溫啟動技術(shù)和長穩(wěn)態(tài)工作，后續(xù)擬開展常溫啟動發(fā)動機(jī)的長壽命技術(shù)研究和大推力發(fā)動機(jī)的常溫啟動技術(shù)研究，以達(dá)到現(xiàn)役肼類發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)，實現(xiàn)姿軌控動力系統(tǒng)發(fā)動機(jī)的更新?lián)Q代。