張 偉， 王 夢(mèng)， 陳 陽， 付拓取， 劉旭輝， 楊 蕊， 姚兆普*

1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院, 北京 100094 2. 北京控制工程研究所, 北京 100090

0 引 言

單組元推進(jìn)技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等特點(diǎn)[1]，在小衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用.在單組元類推進(jìn)系統(tǒng)中無水肼推進(jìn)劑應(yīng)用最為廣泛，但因其具有很高的毒性，使得制備、貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)、加注等工作比較復(fù)雜，增加了使用和維護(hù)的成本.二硝酰胺銨(ammonium dinitramide，ADN)推進(jìn)技術(shù)作為一種新興的綠色無毒推進(jìn)技術(shù)，以其高性能、低風(fēng)險(xiǎn)、可存貯等優(yōu)點(diǎn)[2]，已在國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)中多次得到應(yīng)用，被視為未來肼推進(jìn)的良好替代品之一.

ADN最早于1971年由蘇聯(lián)研制成功并作為固體推進(jìn)劑應(yīng)用在武器的推進(jìn)系統(tǒng)中.由于ADN具有良好的水溶性和較強(qiáng)的氧化性，ADN可以與甲醇、乙醇等水溶性燃料以及水組成三元混合推進(jìn)劑.最早的ADN基推進(jìn)劑于1994年由瑞典人研制成功，代號(hào)為L(zhǎng)MP-101，由61%ADN、26%水和13%丙三醇組合而成[3].隨后瑞典防務(wù)局(FOI)研發(fā)并測(cè)試了能夠滿足多種使用需求的FLP系列ADN基液體推進(jìn)劑，該系列推進(jìn)劑的主要成分為ADN、甲基甲酰胺和水.

國(guó)內(nèi)最早研究ADN是基于固體形態(tài)的推進(jìn)劑，主要研究其熱分解及其燃燒反應(yīng)特性.對(duì)于ADN基液體推進(jìn)劑的研究，北京控制工程研究所對(duì)其理化特性和燃燒反應(yīng)特性作了大量的基礎(chǔ)工作，主要包括ADN基推進(jìn)劑蒸發(fā)及熱分解特性測(cè)量、瞬態(tài)燃燒溫度及CO、N2O組分濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量等方面的工作，為ADN基液體推進(jìn)的工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐.中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理所在ADN基液體推進(jìn)劑與催化劑的匹配方面也作了大量的試驗(yàn)研究工作.

在ADN基液體推進(jìn)劑工程應(yīng)用方面，2010年瑞典首次在“棱鏡”衛(wèi)星系統(tǒng)上對(duì)1N ADN 基推力器進(jìn)行在軌技術(shù)演示驗(yàn)證.2016年至2017年底，美國(guó)Planet Labs 公司發(fā)射的SkySat(天空衛(wèi)星)星座中12顆衛(wèi)星均采用了瑞典 ECAPS公司研制的1N ADN基推進(jìn)系統(tǒng)，用于衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整[4].

2016年，由北京控制工程研究所研制的1N ADN基推力器搭載衛(wèi)星完成了首次飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，經(jīng)在軌試驗(yàn)證明，在額定工作壓力下，1N ADN基推力器穩(wěn)態(tài)工況下，實(shí)際推力為1.03N，工作比沖210.2 s[5].目前，改進(jìn)后的1N ADN基推力器產(chǎn)品通過了長(zhǎng)壽命驗(yàn)證，已達(dá)到20萬次脈沖壽命，可滿足型號(hào)使用要求.2021年，該產(chǎn)品將交付于30多顆衛(wèi)星使用.

1N ADN基推力器作為一種新型產(chǎn)品，其在軌使用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，有必要對(duì)其特性規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析.本文針對(duì)1N ADN基推力器瞬態(tài)啟動(dòng)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲取不同條件下1N ADN基推力器的開機(jī)加速性t90指標(biāo)，為未來推力器在軌使用提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及工作原理

1N ADN基推力器由電磁閥、噴注器、催化床、燃燒室、噴管及溫控裝置組成[5].與傳統(tǒng)的1N無水肼推力器不同，1N ADN基推力器在催化床下游增加了燃燒室，目的是促進(jìn)ADN基推進(jìn)劑能夠進(jìn)一步反應(yīng).其工作過程為：當(dāng)推力器工作時(shí)，電磁閥接到激勵(lì)信號(hào)，閥口打開，ADN基推進(jìn)劑流入噴注器，經(jīng)過霧化，噴入到催化床前端開始部分預(yù)蒸發(fā)，同時(shí)ADN基推進(jìn)劑與預(yù)熱后的催化劑接觸后開始熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生N2、NH3、H2O、NO、N2O、NO2等，并放出大量熱量，這些中間產(chǎn)物中以強(qiáng)氧化性的小分子產(chǎn)物為主，在到達(dá)燃燒室后與ADN基推進(jìn)劑中所包含的燃料甲醇進(jìn)一步摻混燃燒，生成H2O、CO2，進(jìn)一步放出大量反應(yīng)熱.這些高溫高壓的最終反應(yīng)產(chǎn)物通過噴管，最后高溫高壓氣體經(jīng)噴管排出，產(chǎn)生推力[7-8].圖1是1N ADN推力器外形示意圖.

圖1 1N ADN基推力器外型示意圖Fig.1 Schematic of the 1N ADN-based thruster

開機(jī)加速性t90是衡量推力器啟動(dòng)快慢的一個(gè)重要參數(shù)，通常以電磁閥收到啟動(dòng)指令到室壓(推力)增長(zhǎng)到穩(wěn)定壓力值(推力)的90%所需要的時(shí)間來表征[9].t90數(shù)值小意味著響應(yīng)快速、延遲低，是推力器瞬態(tài)性能的重要指標(biāo).

試驗(yàn)過程中t90的計(jì)算如公式(1)所示，取值為從推力器啟動(dòng)起到推力器燃燒室壓力瞬時(shí)值pi是達(dá)到穩(wěn)定壓力平均值的0.9倍時(shí)的時(shí)間.

(1)

圖2 1N ADN基推力器t90Fig.2 The definition of the 1N ADN-based thruster t90

2 1N ADN基推力器熱試車試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分為4部分：1N ADN 基推力器、推進(jìn)劑供給系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、高空環(huán)境模擬設(shè)備.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如3示.

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of the experiment system

1N ADN基實(shí)驗(yàn)推力器安裝在高空環(huán)境模擬設(shè)備內(nèi)的推力架上，推力架可用來測(cè)量實(shí)驗(yàn)推力器推力推力架響應(yīng)頻率100 Hz.推力器上布有測(cè)溫?zé)崤?，用于測(cè)量推力器催化床溫度，同時(shí)試驗(yàn)推力器裝有測(cè)壓管并與壓力傳感器相連接，用于測(cè)量燃燒室壓力，壓力傳感器響應(yīng)時(shí)間小于1 ms.實(shí)驗(yàn)推力器與推進(jìn)劑供給系統(tǒng)連接，ADN基推進(jìn)劑在高壓氮?dú)獾臄D壓下，從貯罐中經(jīng)過濾后，通過閥門、流量計(jì)、過濾器到達(dá)推力器入口[10].實(shí)驗(yàn)推力器的電磁閥、加熱裝置、壓力傳感器、測(cè)溫?zé)崤纪ㄟ^穿艙接口與外部的控制采集模塊連接.推力器入口的壓力傳感器用來測(cè)量推力器的噴注壓力，流量計(jì)、電子稱用于測(cè)量和計(jì)算推進(jìn)劑的流量.測(cè)量系統(tǒng)采集頻率為10 kHz.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 催化床預(yù)熱溫度對(duì)t90的影響

為了提高1N ADN基推力器的壽命和性能，推力器采用溫啟動(dòng)方式工作，即在1N ADN基推力器在點(diǎn)火前，需要對(duì)催化劑進(jìn)行預(yù)熱，以提高催化劑活性，保證推力器安全穩(wěn)定工作.為研究預(yù)熱溫度對(duì)推力器瞬態(tài)啟動(dòng)性能的影響，對(duì)不同預(yù)熱溫度下推力器熱試車試驗(yàn)燃燒壓力進(jìn)行分析，通過計(jì)算獲得不同預(yù)熱溫度下推力器t90.試驗(yàn)過程預(yù)熱溫度變化區(qū)間為200～600℃，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次.圖4(a)是噴注壓力為1.1 MPa時(shí)，不同催化床預(yù)熱溫度下，1N ADN基推力器穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火時(shí)燃燒室壓力曲線，圖4(b)是圖(a)推力器穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火時(shí)0～1 s燃燒室內(nèi)壓力曲線.

圖4 不同預(yù)熱溫度下，1N ADN基推力器燃燒壓力曲線Fig.4 Combustion pressure of 1N ADN-based thruster under different preheating temperature

圖5是噴注壓力為1.1 MPa下，1N ADN基推力器10 s穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火時(shí)，不同預(yù)熱溫度下推力器t90統(tǒng)計(jì)結(jié)果.在溫度200～450℃范圍內(nèi)，隨著預(yù)熱溫度的升高，推力器的t90不斷降低，當(dāng)溫度超過450℃時(shí)，推力器的t90又開始上升.這是因?yàn)?，在一定預(yù)熱溫度范圍內(nèi)，預(yù)熱溫度的提高，促進(jìn)了ADN基推進(jìn)劑的催化分解及燃燒反應(yīng)，推力器t90變小.但當(dāng)催化床預(yù)熱溫度過高時(shí)，意味著向推力器上游噴注器傳遞熱量變多，ADN基推進(jìn)劑在運(yùn)輸通道內(nèi)出現(xiàn)相變產(chǎn)生氣泡[11]，遲滯了推進(jìn)劑輸送至催化床的時(shí)間，減緩了推進(jìn)劑的催化分解，推力器t90變大.

圖5 不同預(yù)熱溫度下1N ADN基推力器t90Fig.5 1N ADN-based thruster t90 under different preheating temperature

3.2 噴注壓力對(duì)t90影響

在軌工作時(shí)，單組元推進(jìn)系統(tǒng)一般采用落壓式工作方式，隨著推進(jìn)劑的減少，推力器噴注壓力也隨之降低.1N ADN基推力器工作壓力設(shè)計(jì)指標(biāo)為1.7 MPa～0.5 MPa.為研究噴注壓力對(duì)1N ADN基推力器瞬態(tài)啟動(dòng)性能的影響，分別對(duì)1.7 MPa、1.4 MPa、1.2 MPa、0.9 MPa噴注壓力下，推力器預(yù)熱溫度為350℃時(shí)，10 s穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得推力器t90結(jié)果.圖6是不同噴注壓力下，1N ADN基推力器穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火時(shí)燃燒室壓力曲線.圖7是不同噴注壓力下，1N ADN基推力器穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火時(shí)，t90統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著噴注壓力下降，推力器t90不斷變大.隨著噴注壓力的下降，引起推進(jìn)劑質(zhì)量流量相應(yīng)減少，產(chǎn)生燃燒溫度相應(yīng)降低，進(jìn)一步減弱了推進(jìn)劑的催化分解與燃燒過程，推力器的瞬態(tài)啟動(dòng)性能降低.

3.3 推力器壽命初末期對(duì)t90影響

催化劑對(duì)ADN基推力器的性能起著關(guān)鍵作用，催化劑的活性影響推力器的開機(jī)加速性、推力穩(wěn)定性、工作安全性等.當(dāng)前1N ADN基推力器工作脈沖次數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)為10萬次.為研究壽命初末期推力器瞬態(tài)啟動(dòng)性能，本文對(duì)1N ADN基推力器工作初期及10萬次脈沖工作后的10s穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比.圖8是1N ADN基推力器壽命初期與10萬次脈沖工作后的推力曲線對(duì)比，經(jīng)歷10萬次脈沖工作后，推力器的平均推力下降，推力波動(dòng)較大.圖9是1N ADN基推力器壽命初期與啟動(dòng)10萬次后的t90對(duì)比.圖中顯示的是相鄰的三次同等條件下(預(yù)熱溫度300℃、噴注壓力1.2 MPa、穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火10 s)點(diǎn)火時(shí)推力器的t90，結(jié)果顯示在壽命末期，推力器的t90變大，同一實(shí)驗(yàn)條件下t90一致性較差，推力器的啟動(dòng)加速性變差.

圖6 不同噴注壓力下，1N ADN基推力器0～1 s內(nèi)燃燒壓力曲線Fig.6 Combustion pressure of 1N ADN-based thruster under different injection pressure

圖7 不同噴注壓力下1N ADN基推力器t90Fig.7 1N ADN-based thruster t90under different injection pressure

3.4 推進(jìn)劑貯存時(shí)間對(duì)t90影響

1N ADN基推力器要求在軌壽命為5年，因ADN基推進(jìn)劑是一種混合推進(jìn)劑，長(zhǎng)時(shí)間的貯存可能會(huì)影響推力器的性能.本文對(duì)地面存貯了4年的ADN基推進(jìn)劑進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，以驗(yàn)證推進(jìn)劑貯存時(shí)間對(duì)推力器工作的影響.推進(jìn)劑存放條件為室溫，避光密閉貯存.圖10是在噴注壓力1.2 MPa，預(yù)熱溫度300℃時(shí)，2臺(tái)加注不同推進(jìn)劑的1N ADN基推力器10 s穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火的推力曲線對(duì)比圖.

圖8 1N ADN基推力器壽命初、末期推力曲線對(duì)比Fig.8 Thrust comparison of the thruster initial and final lifetime

圖9 1N ADN基推力器壽命初、末期，t90對(duì)比Fig.9 t90comparison of the thruster initial and final lifetime

圖10 不同推進(jìn)劑貯存條件下1N ADN基推力器推力曲線對(duì)比Fig.10 1 N ADN-based thrust comparison of the thruster under different propellant storage time conditions

表1是不同貯存時(shí)間下，推力器點(diǎn)火試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)推力平均值及t90統(tǒng)計(jì).可以看出，存貯時(shí)間對(duì)推力器瞬態(tài)啟動(dòng)性能影響不大.

表1 不同推進(jìn)劑貯存條件下1N ADN基推力器推力推力及t90Tab.1 The thruster and t90under different propellant storage time conditions

4 結(jié) 論

本文以1N ADN基推力器為研究對(duì)象，以星載ADN基液體推進(jìn)劑為工質(zhì)，對(duì)1N ADN基推力器的瞬態(tài)啟動(dòng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.在一定溫度范圍內(nèi)，提高催化床預(yù)熱溫度有助于提升1N ADN基推力器的瞬態(tài)啟動(dòng)性能，當(dāng)啟動(dòng)溫度超過450℃左右，推力器瞬態(tài)啟動(dòng)性能降低；1N ADN基推力器瞬態(tài)啟動(dòng)性能隨著噴注壓力的降低而下降；推力器溫啟動(dòng)次數(shù)會(huì)影響推力器的瞬態(tài)啟動(dòng)性能，隨著溫啟動(dòng)次數(shù)的累加，瞬態(tài)啟動(dòng)性能降低.與推力器壽命初期的推力相比，壽命末期相同工況下，推力器推力下降且不穩(wěn)定；試驗(yàn)研究表明，地面存貯4年的推進(jìn)劑對(duì)推力器的瞬態(tài)啟動(dòng)性及推力穩(wěn)定性影響不大.本文可對(duì)未來1N ADN基推力器的在軌使用提供參考.