姚天亮，郭曼麗，戴 佳，林慶國

(1. 上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112；2. 上?？臻g發(fā)動機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引 言

目前航天器單元推進(jìn)系統(tǒng)主要采用肼類推進(jìn)劑。肼類推進(jìn)劑具有很大的吸入致癌毒性，且易燃易爆，在產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗及使用過程中，不僅會對人員的生命和健康造成嚴(yán)重的危害，而且會對環(huán)境造成污染，同時還增加了生產(chǎn)、發(fā)射和使用維護(hù)的成本[1]。近年來，隨著社會不斷進(jìn)步和航天技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對環(huán)境保護(hù)和人員健康的要求更為嚴(yán)格，發(fā)展無毒推進(jìn)技術(shù)以代替肼類有毒推進(jìn)技術(shù)勢在必行[2-5]。

HAN基推進(jìn)劑主要由硝酸羥胺(Hydroxyla-mmonium nitrate，HAN[6])、相容的燃料、添加劑和適量的水組成。與無水肼相比，HAN不會致癌，毒性也低得多，比肼的毒性小13.6倍[7]，其蒸氣主要是水蒸氣。因此，操作和維護(hù)人員只需要普通的防護(hù)設(shè)備，推進(jìn)劑如沾到皮膚上用水沖洗即可[8]。該類推進(jìn)劑具有冰點低、密度高、安全、無毒等特點，常壓下不敏感，貯存安全，無著火爆炸危險，可以顯著改善單組元推進(jìn)系統(tǒng)的使用維護(hù)性。

由于HAN基推進(jìn)劑的諸多顯著優(yōu)點，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作。

20世紀(jì)70年代，美國陸軍開始研究用于液體火炮發(fā)射藥的硝酸羥胺基單組元推進(jìn)劑，所研制的推進(jìn)劑密度在1.4 g/cm3左右，理論比沖在2500 m/s以上。NASA在此基礎(chǔ)之上，對肼類推進(jìn)劑和HAN基推進(jìn)劑進(jìn)行了系統(tǒng)的對比研究。研究結(jié)果表明，與肼類推進(jìn)劑相比，在相同比沖條件下，HAN基推進(jìn)劑燃料質(zhì)量可降低17.5%，燃料體積可減少41.8%，推進(jìn)劑貯箱體積減少38%，推進(jìn)劑貯箱質(zhì)量減少35%，可大大降低推進(jìn)系統(tǒng)的重量[9]。2012年8月，NASA啟動了綠色推進(jìn)劑飛行演示任務(wù)(Green propellant infusion mission, GPIM)，由Ball空間技術(shù)公司負(fù)責(zé)，主要演示AF-M315E推進(jìn)劑[10]和Aerojet公司研制的HAN基發(fā)動機(jī)，2017年完成飛行。

2017年，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[11]。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)，其推進(jìn)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1.5 kg，能提供0.1～0.5 N的可變推力以及565 N·s的總沖，系統(tǒng)需求的功率為20 W。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。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0.5 N發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了驗證，并形成了系列化，推力包括0.1 N、0.5 N、5 N和22 N。

三菱重工還研制了GPRCS (Green propellant reaction control system)推進(jìn)系統(tǒng)用于微小衛(wèi)星上，系統(tǒng)采用了HAN基1 N發(fā)動機(jī)[13]，已經(jīng)通過振動測試，GPRCS的1 N綠色推力器比沖200 s，累積工作時長5000 s，脈沖10000個。

從1998年開始，上?？臻g推進(jìn)研究針對載人航天工程的返回艙開展了無毒推進(jìn)技術(shù)的研究。通過十多年不間斷地研究，近期取得了較大的技術(shù)進(jìn)展，突破了HAN基發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑配方、催化劑制備和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)，完成了多型發(fā)動機(jī)設(shè)計，并進(jìn)行了多輪次熱試車考核[14-17]。其中，HAN基1N發(fā)動機(jī)成功應(yīng)用于某微納衛(wèi)星，于2018年1月25日搭載長征二號丙運載火箭順利進(jìn)入預(yù)定軌道。隨后于2月5日首次點火工作，發(fā)動機(jī)工作正常，性能達(dá)到預(yù)期水平，標(biāo)志著我國成為世界上首個掌握并在軌驗證HAN推進(jìn)技術(shù)的國家。

與肼類推進(jìn)劑相比，HAN基推進(jìn)劑的催化反應(yīng)速率要比肼類推進(jìn)劑慢1～2個數(shù)量級，溫度低的推進(jìn)劑與催化劑接觸后不能瞬間完成化學(xué)反應(yīng)，必然有一部分未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的推進(jìn)劑由于毛細(xì)作用以液態(tài)形式滲入多孔催化劑顆粒內(nèi)部微孔中，液體推進(jìn)劑在微孔中分解為氣體膨脹升壓，在催化劑顆粒內(nèi)外產(chǎn)生很大的壓力梯度[3]。當(dāng)壓力超過催化劑顆粒強(qiáng)度時，催化劑便爆炸破碎，國外HAN基發(fā)動機(jī)研制過程中也出現(xiàn)了該現(xiàn)象[18]。催化劑破碎后，發(fā)動機(jī)催化床就可能出現(xiàn)空穴，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作性能下降、壽命縮短。Masse等[19]指出，長壽命的HAN基發(fā)動機(jī)必須滿足兩個必要條件：(1)催化劑具有長時間分解HAN基推進(jìn)劑的能力，(2)發(fā)動機(jī)需要有容忍或消除催化床空穴的能力。

本文將研究消除HAN基發(fā)動機(jī)催化床空穴的方法，設(shè)計了一種彈簧床結(jié)構(gòu)能有效消除催化劑破損后出現(xiàn)的空穴，保證發(fā)動機(jī)長壽命可靠工作。

1 彈簧床結(jié)構(gòu)的1N發(fā)動機(jī)工作原理簡介

本文以HAN基1N發(fā)動機(jī)為載體，開展彈簧床結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)研究工作。使用彈簧床結(jié)構(gòu)的HAN基1N發(fā)動機(jī)示意圖如圖1所示。發(fā)動機(jī)主要由噴注器、前催化床、分隔板、后催化床、彈簧床、噴管和測壓管嘴等組成，其中，彈簧床包括可移動支撐桶、氧化鋯陶瓷(用于隔熱)和彈簧等結(jié)構(gòu)。

圖1 HAN基1N彈簧床結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)示意圖Fig.1 Schematic of HAN-based 1N thruster with spring bed structure

彈簧床結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)的工作原理為：HAN基推進(jìn)劑經(jīng)噴注器流入催化床，推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生催化分解(主要在前床)和催化燃燒(主要在后床)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫高壓的氣體，氣體經(jīng)噴管加速至超音速狀態(tài)噴出，產(chǎn)生反作用推力。隨著發(fā)動機(jī)工作時間的增加，發(fā)動機(jī)催化床內(nèi)(主要是前催化床)的催化劑會因發(fā)生破碎現(xiàn)象而產(chǎn)生空穴。此時，可移動支撐桶在彈簧的推力作用下，向催化床方向移動，通過擠壓催化劑的方式消除催化床內(nèi)的空穴，從而保證發(fā)動機(jī)長壽命可靠穩(wěn)定工作。

對彈簧床結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)而言，除了發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計以外，彈簧的設(shè)計最為關(guān)鍵。設(shè)計彈簧時，一方面要求彈簧能提供足夠的彈力保證可移動支撐桶的自由移動;另一方面還要保證彈簧提供的彈力不足以壓碎催化劑。即，要求所設(shè)計的彈簧提供的彈力在合適的范圍之內(nèi)，否則彈簧結(jié)構(gòu)將失效，對發(fā)動機(jī)可靠穩(wěn)定工作產(chǎn)生十分不利的影響。

“正常人”做人行事有一定之規(guī)?！罢Ｈ恕弊鋈说牡拙€是：有違良心的話不說，有背善心的事不做，不可告人之事斷然不為！互聯(lián)網(wǎng)世界輿情沸反盈天，他依然秉持一貫的清醒與理性，絕不人云亦云。他相信“世界自有其原則”，事實總歸勝于雄辯，真相早晚大白于天下。

2 彈簧設(shè)計計算

2.1 彈簧參數(shù)設(shè)計要求

對于彈簧床結(jié)構(gòu)的單元發(fā)動機(jī)而言，發(fā)動機(jī)完成裝配時，彈簧的形變量最大，而且是常溫環(huán)境，因此提供的彈力最大。隨著發(fā)動機(jī)試車的進(jìn)行，催化劑逐漸破碎，催化床向噴注器方向移動，彈簧形變量減小，而且試車時，彈簧結(jié)構(gòu)處于高溫環(huán)境，此時彈簧彈力受高溫環(huán)境的影響而明顯減小。根據(jù)HAN基1N發(fā)動機(jī)試車結(jié)果，發(fā)動機(jī)試車后催化床的空腔高度一般不超過6 mm，因此彈簧形變量比試車前減小6 mm且處于高溫環(huán)境時提供的彈力最小。

為了使設(shè)計的彈簧床在各種環(huán)境下均能使用，設(shè)計的彈簧至少需要滿足如下兩個條件：

(1)在常溫條件下，試車前彈簧的形變量最大，記為ΔxM，要求此時彈簧提供的最大彈力不足以壓碎催化劑，即

K常溫·ΔxM

(1)

(2)在高溫條件下，接近試車后期彈簧的形變量最小，記為Δxm，根據(jù)試車結(jié)果，可知Δxm≈ΔxM-6，要求此時彈簧提供的最小彈力足以克服催化床受到的流動阻力，即

K高溫·Δxm>Fb

(2)

因此，為了對彈簧進(jìn)行設(shè)計計算，首先需要確定催化劑破碎壓力F碎和催化床受到的流動阻力Fb。

圖2 測量催化劑壓碎力示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring the catalyst crushing force

F碎可通過試驗測得，設(shè)計的試驗裝置示意圖如圖2所示。結(jié)果表明，當(dāng)F=81N時，催化劑出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。因此，為了保證催化劑不破碎，可得

K常溫·ΔxM

(3)

根據(jù)1N發(fā)動機(jī)試車結(jié)果可知，催化床流阻約Pb=0.2 MPa，因此流阻產(chǎn)生的反作用力為

(4)

為了使高溫下彈簧提供的彈力足以克服催化床受到的流動阻力，可得

K高溫·Δxm=K高溫·(ΔxM-6)>12.7

(5)

2.2 彈簧設(shè)計計算

本文設(shè)計的彈簧鋼絲材料選用GH141高溫合金，選取的彈簧鋼絲直徑為d=1.4 mm。根據(jù)圖1所示的彈簧床結(jié)構(gòu)，設(shè)計的彈簧床裝配時彈簧的高度為14 mm，彈簧內(nèi)徑Di應(yīng)滿足Di>9.9 mm，選取Di=10.2 mm，因此彈簧的外徑Do=13 mm，彈簧中徑D=11.6 mm。不同溫度下GH141合金的性質(zhì)如表1所示。根據(jù)GH141材料的參數(shù)，在常溫下對彈簧進(jìn)行設(shè)計計算，詳細(xì)計算過程和計算結(jié)果如表2所示。

從表2中的第12條可以看出，設(shè)計的彈簧壓縮的最短長度為Hj=13.9 mm，實際設(shè)計時，彈簧床裝配時彈簧的高度為14 mm，滿足最短長度要求。

表1 GH141材料參數(shù)Table 1 GH141 material parameters

注：G=E/[2*(1+v)]

表2 常溫條件的彈簧設(shè)計計算Table 2 Calculation of spring design at room temperature

發(fā)動機(jī)裝配時，彈簧壓縮到14 mm，此時彈簧提供的彈力為

F=K常溫·ΔxM=4.11×(27.5-14)=

55.5

(6)

因此，設(shè)計的彈簧不會使催化劑壓碎，滿足彈簧設(shè)計第一條件。

根據(jù)相同的計算方法，可得在600 ℃下，彈簧的剛度為

K高溫=3.11

(7)

根據(jù)1N發(fā)動機(jī)試車結(jié)果，試車后期，催化床空穴高度一般不超過6 mm，此時彈簧的長度為20 mm，則在高溫下彈簧提供的彈力為

F=K高溫·ΔxM=3.11×(27.5-20)=

23.3>Fb=12.7

(8)

因此，設(shè)計的彈簧在高溫下提供的彈力足以抵抗催化床流阻產(chǎn)生的反作用力，可以保證可移動支撐桶的自由移動，滿足彈簧設(shè)計第二條件。理論計算表明，設(shè)計的彈簧滿足彈簧床要求。

3 對比試驗校驗

為了驗證本文所提出的新型彈簧床結(jié)構(gòu)的有效性，分別對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)HAN基1N發(fā)動機(jī)與新型彈簧床結(jié)構(gòu)HAN基1N發(fā)動機(jī)進(jìn)行了溫啟動壽命對比試驗校驗。新型彈簧床結(jié)構(gòu)的HAN基1N發(fā)動機(jī)除使用了新型彈簧床外，其它試驗條件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的HAN基1N發(fā)動機(jī)試驗工況保持一致。

通過地面熱試車試驗可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的HAN基1N發(fā)動機(jī)溫啟動次數(shù)不超過150次，試驗曲線如圖3-圖6所示?？梢钥闯?，初始階段(如第10次溫啟動)，室壓在1 s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，室壓曲線平穩(wěn)，發(fā)動機(jī)性能穩(wěn)定，至第101次溫啟動時，室壓曲線在前5 s內(nèi)出現(xiàn)較大波動，5 s之后波動幅度降低，但仍存在震蕩現(xiàn)象，出現(xiàn)了不穩(wěn)定的波峰波谷狀態(tài)，說明發(fā)動機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，至第142次溫啟動時，發(fā)動機(jī)室壓上升緩慢，2.5 s左右才到達(dá)室壓峰值，但室壓在10 s之后開始逐漸下降，20 s時發(fā)動機(jī)停止工作，室壓曲線的不穩(wěn)定充分說明了發(fā)動機(jī)性能已經(jīng)下降，到第149次溫啟動時，發(fā)動機(jī)室壓僅在前5 s內(nèi)震蕩上升，但5 s之后發(fā)動機(jī)室壓下降到初始狀態(tài)，發(fā)動機(jī)已經(jīng)完全失效，無法正常啟動工作。

圖3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)1 N發(fā)動機(jī)溫啟動性能曲線(第10次溫啟動)Fig.3 Hot-starting performance curve of 1N thruster with traditional structure (10th hot-starting)

圖4 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)1N發(fā)動機(jī)溫啟動性能曲線(第101次溫啟動)Fig.4 Hot-starting performance curve of 1N thruster with traditional structure (101st hot-starting)

圖5 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)1N發(fā)動機(jī)溫啟動性能曲線(第142次溫啟動)Fig.5 Hot-starting performance curve of 1N thruster with traditional structure (142nd hot-starting)

圖6 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)1N發(fā)動機(jī)溫啟動性能曲線(第149次溫啟動)Fig.6 Hot-starting performance curve of 1N thruster with traditional structure (149th hot-starting)

相比而言，使用彈簧床結(jié)構(gòu)的1N發(fā)動機(jī)溫啟動次數(shù)超過500次，試驗曲線如圖7-圖10所示?？梢钥闯?，初始階段(如第10次溫啟動)，室壓迅速上升到峰值，并保持穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)性能與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)HAN基1N發(fā)動機(jī)性能相當(dāng)；之后(如第101次溫啟動和第350次溫啟動)的室壓一直保持在平穩(wěn)狀態(tài)，室壓性能曲線的粗糙度更低；至第505次溫啟動時發(fā)動機(jī)工作性能曲線依然非常平穩(wěn)，表明基于新型彈簧床結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)性能依然保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

從試車溫啟動性能數(shù)據(jù)分析可知，基于新型彈簧床結(jié)構(gòu)的HAN基1N發(fā)動機(jī)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)HAN基1N發(fā)動機(jī)溫啟動壽命提高了3倍以上，試驗結(jié)果充分驗證了本文所提新型彈簧床結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)溫啟動壽命提升的有效性。

圖7 彈簧床結(jié)構(gòu)1N發(fā)動機(jī)溫啟動性能曲線(第10次溫啟動)Fig.7 Hot-starting performance curve of 1N thruster with traditional structure (10th hot-starting)

圖8 彈簧床結(jié)構(gòu)1N發(fā)動機(jī)溫啟動性能曲線(第101次溫啟動)Fig.8 Hot-starting performance curve of 1N thruster with traditional structure (101st hot-starting)

圖9 彈簧床結(jié)構(gòu)1N發(fā)動機(jī)溫啟動性能曲線(第350次溫啟動)Fig.9 Hot-starting performance curve of 1N thruster with traditional structure (350th hot-starting)

圖10 彈簧床結(jié)構(gòu)1N發(fā)動機(jī)溫啟動性能曲線(第505次溫啟動)Fig.10 Hot-starting performance curve of 1N thruster with traditional structure (505th hot-starting)

圖11 彈簧床結(jié)構(gòu)1N發(fā)動機(jī)20 s穩(wěn)態(tài)的室壓粗糙度與試驗次數(shù)的統(tǒng)計圖Fig.11 20 s steady state ranghness curve of 1N thruster with spring bed

為了進(jìn)一步說明本文所設(shè)計的新型彈簧床結(jié)構(gòu)的有效性及彈簧結(jié)構(gòu)的工作可靠性，對新型彈簧床結(jié)構(gòu)的HAN基1N發(fā)動機(jī)室壓曲線的粗糙度進(jìn)行了統(tǒng)計。圖11是基于新型彈簧床結(jié)構(gòu)的1N發(fā)動機(jī)20 s穩(wěn)態(tài)的室壓曲線粗糙度的統(tǒng)計圖，可以看出隨著發(fā)動機(jī)工作次數(shù)的增加，前床溫度逐漸上升，室壓曲線粗糙度逐漸下降，特別是在發(fā)動機(jī)工作200次以后，室壓粗糙度是初始工作時室壓曲線粗糙度的1/4。說明隨時間的推移，前床在彈簧推力作用下破碎的細(xì)顆粒催化劑填充更密實，與推進(jìn)劑接觸面積增大，使推進(jìn)劑反應(yīng)更加完全，室壓曲線粗糙度的下降，使發(fā)動機(jī)性能得到優(yōu)化。

為了更加直觀說明本文所設(shè)計新型彈簧床結(jié)構(gòu)的工作可靠性，對試驗后的基于新型彈簧床結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)進(jìn)行CT掃描。掃描結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，可移動支撐桶向噴注器方向移動了4.5 mm，發(fā)動機(jī)內(nèi)部幾乎沒有空腔。該現(xiàn)象充分說明采用本文所提出的新型彈簧床結(jié)構(gòu)，可有效消除發(fā)動機(jī)長時間工作狀態(tài)下催化床內(nèi)因催化劑破碎而產(chǎn)生的4.5 mm的空腔，對發(fā)動機(jī)的溫啟動壽命產(chǎn)生了十分有利的影響，可有效提升HAN基發(fā)動機(jī)的長壽命可靠工作性能。

圖12 試車后彈簧床結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)的CT掃描結(jié)果Fig.12 CT scan results of spring bed structure thruster after tests

4 結(jié) 論

針對HAN基發(fā)動機(jī)在長時間工作下催化劑容易發(fā)生破碎而產(chǎn)生空穴的問題，本文提出一種新型彈簧床結(jié)構(gòu)的催化床設(shè)計方法用以消除空穴現(xiàn)象。并以HAN基1N發(fā)動機(jī)為載體，開展新型彈簧床結(jié)構(gòu)的HAN基1N發(fā)動機(jī)及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的HAN基1N發(fā)動機(jī)溫啟動壽命試驗對比。試驗結(jié)果表明基于新型彈簧床結(jié)構(gòu)的HAN基1N發(fā)動機(jī)的溫啟動次數(shù)可由之前的不超過150次，提高到500次，充分說明了該設(shè)計方法的有效性。CT掃描更直觀地驗證了新型彈簧床結(jié)構(gòu)的長壽命工作的可靠性。上述研究表明，本文所提的新型彈簧床設(shè)計方法可有效提高HAN基發(fā)動機(jī)的工作壽命，具有良好的工程應(yīng)用前景。