HAN基綠色推進劑點火技術(shù)研究進展

王新強，鄧康清，李洪旭，余小波

（湖北航天化學技術(shù)研究所，湖北襄陽，441003）

HAN基綠色推進劑點火技術(shù)研究進展

王新強，鄧康清，李洪旭，余小波

（湖北航天化學技術(shù)研究所，湖北襄陽，441003）

針對HAN基綠色推進劑普遍存在點火困難的問題，總結(jié)了國內(nèi)外HAN基綠色推進劑點火技術(shù)的研究和應(yīng)用情況。HAN基液體推進劑的點火方式主要包括催化分解點火、電火花點火、無弧點火、電解點火和激光點火。HAN基凝膠推進劑仍采用傳統(tǒng)煙火藥方式，難以實現(xiàn)點火。HAN基固體推進劑采用電極電解點火方式，在電壓的控制下實現(xiàn)了點火、燃燒和熄火可控。分析認為，采用電解方式能夠顯著提高HAN推進劑的點火效率，是HAN基推進劑點火技術(shù)的發(fā)展方向。

硝酸羥胺；催化點火；電點火；電解點火

0 引言

硝酸羥胺（hydroxy lammonium nitrate，HAN）一般以水溶液形式存在。HAN基推進劑由于其具有綠色無毒，能量水平高等特征，目前被作為綠色推進劑的首要選擇。傳統(tǒng)的HAN基推進劑主要是HAN基液體推進劑[1-2]。但近年來，國內(nèi)外學者陸續(xù)探索研制了HAN基凝膠推進劑和HAN基固體推進劑，擴展了HAN基推進劑的應(yīng)用范圍。但HAN基推進劑仍然存在點火和燃燒困難的技術(shù)問題，限制了HAN基發(fā)動機的廣泛應(yīng)用[3]。本文具體介紹了HAN基液體推進劑、HAN基凝膠推進劑和HAN基固體推進劑的點火技術(shù)，指出了電解點火是HAN基推進劑點火方式的發(fā)展方向。

1 HAN基液體推進劑點火技術(shù)

HAN基液體推進劑主要由氧化劑HAN、其他燃料和水復配形成的氧燃共存體系，是一種新型離子液體推進劑，具有蒸汽無毒、冰點低、密度高、比沖高等特點。典型的HAN基液體推進劑主要有：以 TEAN為燃料的 LP1845和LP1846，以HEHN為燃料的AF-315系列單元推進劑。

采用傳統(tǒng)的煙火藥點火方式無法實現(xiàn)HAN基液體單元推進劑的可靠點火。Comer采用密閉爆發(fā)器研究了HAN基液體推進劑在0.1～100 MPa壓力下的點火以及燃燒特性[4]。研究發(fā)現(xiàn)：在低壓下，HAN基液體推進劑只能進行分解燃燒，不能形成可見的火焰；當環(huán)境壓力超過26 MPa之后，液體推進劑燃燒時會發(fā)出明亮的火焰。

目前，關(guān)于HAN基液體推進劑點火方式的研究主要集中于催化分解點火、電點火和激光點火，而電點火主要包括電火花點火、無弧點火和直流電解點火。

1.1 催化分解點火

HAN基液體推進劑最初主要采用催化分解點火方式，HAN基液體推進劑的催化分解與肼類單組元推進劑有本質(zhì)的區(qū)別。肼類推進劑的催化分解是肼在催化劑的作用下發(fā)生化學鍵的斷裂，分解成小分子的N2，H2和NH3的過程，催化劑床溫度較低。而HAN基液體推進劑首先是HAN在催化劑的作用下催化分解成氧化性組分放出熱量，同時，氧化性組分又與燃料進一步發(fā)生二次分解燃燒，提高了推進劑的能量，催化床溫度高達1 200℃以上。

最早用于HAN基液體推進劑催化點火的催化劑主要是銥、鉑貴金屬催化劑，但是，點火前需要將催化床預熱至200℃，較低溫度下的點火延遲期長，甚至無法實現(xiàn)點火。推進劑在催化床上積存較多，限制了發(fā)動機的啟動性能。Schmidt以氧化鋁為載體的鉑族貴金屬催化劑，通過改變不同催化劑配比，催化劑點火溫度最低為113℃；Pt/Ta合金片催化劑點火預熱溫度為250℃[5]。催化劑點火啟動溫度過高，無法實現(xiàn)室溫或低溫條件下的催化點火。實現(xiàn)HAN基液體推進劑催化分解點火的關(guān)鍵是必須找到一種能在室溫條件下催化HAN分解的高活性催化劑。

任曉光制備了以SiO2為載體的負載型貴金屬催化劑[6]。用熱重法考察了催化劑對80%HAN液體推進劑的分解活性。結(jié)果表明，Ir/SiO2催化劑能夠在20.7℃實現(xiàn)催化分解，驗證了HAN基液體推進劑實現(xiàn)室溫條件下催化點火的可能性。

近年來，在美國空軍的主導下，F(xiàn)okema等研制了一系列高性能的熱穩(wěn)定催化劑和非貴金屬催化劑[7]，與傳統(tǒng)銥、鉑貴金屬催化劑相比具有更低的點火溫度。

預熱溫度過高是限制HAN基推進劑催化點火的主要瓶頸之一，因此，降低反應(yīng)溫度，提高催化劑活性，是HAN基推進劑催化點火的研究方向。2007年，Aerojet公司和雷聲公司在兩級空射武器系統(tǒng)NCADE上采用AF-315E推進劑，通過催化點火方式進行了飛行驗證試驗，可提供680 N的推力。

1.2 電點火點火方式

由于HAN基液體推進劑燃燒溫度高，采用傳統(tǒng)的催化分解點火方式，易于破壞催化床，會嚴重縮短發(fā)動機的壽命。Yetter等提出了HAN基液體推進劑電點火方式[8]。關(guān)于HAN基液體推進劑電點火技術(shù)的研究主要有電火花點火、無弧點火和低壓電解點火。電點火比催化分解點火耗能少，延遲時間短，適合于微小型推進器使用。

1）電火花點火方式

Despirito采用高壓脈沖放電方式，研究了微量HAN基液體推進劑的電點火特性[9]。余永剛設(shè)計了一種周期性序列脈沖放電火花的模擬點火裝置，研究了HAN基液體推進劑LP1846液霧在不同條件下電點火特性[10]。結(jié)果表明，電火花在圓周放電空間的分布越密集，電能時空分布越均勻，LP1846液霧點火效果越好。噴霧場流速、液霧細度與周向放電火花能量分布存在一個最佳匹配關(guān)系。

2）無弧點火方式

針對HAN基液體推進劑具有較高電導率的特性，Despirito提出了利用加載電壓下電流的熱效應(yīng)點燃推進劑，并給出了點火裝置的優(yōu)化方案，指出無弧點火方式可以減小點火能量，提高點火裝置的重復利用率[11]。

余永剛等針對HAN基液體推進劑LP1846設(shè)計了一種電加熱點火試驗裝置，研究低壓（6～140 V）不同電加熱速率條件下，LP1846單滴無弧點火燃燒特性，分析了點火延遲時間和點火能量的定性關(guān)系，證明了無弧點火的可能性[12]。研究發(fā)現(xiàn)，單脈沖點火時放電能量很大，在液體推進劑霧化效果較好的情況下，容易出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象。如果點火能量不足，同樣會使點火狀況受到影響。電壓加載速率從80 V·s-1增大到140 V·s-1過程中，液滴點火延遲時間從0.82 s變?yōu)?.62 s，呈線性減小關(guān)系，且燃燒時火焰越明亮。

劉焜等研究了 HAN基單元液體推進劑LP1846單滴無弧電點火的機理，基于兩步不可逆化學反應(yīng)機理，同時考慮物性參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，結(jié)合相關(guān)實驗，對HAN基液體推進劑LP1846液滴在大氣環(huán)境下的無弧電點火過程進行了數(shù)值模擬[13]。結(jié)果表明：根據(jù)化學反應(yīng)速率和溫度分布變化，將最大加載電壓80 V的無弧點電火過程分為預熱、熱分解及燃燒三個特征階段。預熱階段，液滴保持球形，中心溫度緩慢上升；熱分解階段，反應(yīng)在液滴中心產(chǎn)生向外發(fā)展，液滴膨脹變大，內(nèi)部出現(xiàn)傘形溫度梯度分布；燃燒階段，火焰在液滴內(nèi)部生成，LP1846劇烈燃燒生成大量產(chǎn)物，流場溫度先升后降。液滴著火延遲期隨著最大加載電壓的增大而減小，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)變化趨勢一致，最大誤差為2.9%。

3）電解點火方式

采用電火花點火方式，存在能量損耗大、重復性差等缺點。考慮到化學微小型推進器的特點，G.A.Risha等提出了一種直流低壓（2～30 V）電解點火方式，并對懸掛的HAN基液滴進行了電解點火試驗[14]。電解點火比催化床點火耗電少，延遲時間短，適合于微小型推進器使用。

Hua Meng等研究了HAN基推進劑電解點火性能，研究了電流、電壓及初溫與HAN基推進劑點火延遲時間之間的關(guān)系[15]，研究發(fā)現(xiàn)，隨著電流、電壓和初溫的增加，點火延遲時間減小。

Kai SengKoh等運用直流電壓分別以銅絲、鋁和石墨作為電極研究了HAN溶液的電解點火特性[16]，研究發(fā)現(xiàn)，這種犧牲電極的電解點火方式非常有效，在300 W能量條件下，以銅絲為電極有效縮短了HAN水溶液的分解過程，在10 s內(nèi)溶液達到100℃；以鋁片為電極HAN水溶液組分達到了320℃；但是以石墨為電極其分解緩慢，效率低。電解能量在100～300 W之間，其電解分解效率最高。

1.3 激光點火

近年來，在HAN基液體推進劑的激光點火方面也有學者進行了研究。Alfano等使用激光諧振的方式快速加熱推進劑來點火，其在點火方式上具有一定的優(yōu)勢，但并不適用與小型推進器，目前仍處于試驗研究階段[17]。

Carleton等研究了HAN基推進劑的激光點火[18]。在鉑網(wǎng)上加入一滴液體推進劑，通過激光在液滴的不同位置聚焦點火，試驗前采用諸如電解、電熱等方式對液滴進行不同程度的預處理，對生成的氣體進行在線分析以便監(jiān)測分解程度。結(jié)果表明硝酸再分解在反應(yīng)過程中的作用非常重要，這與目前公認的機理一致。

2 HAN基凝膠推進劑點火技術(shù)

HAN水溶液具有良好的物理化學特性，且分解產(chǎn)生的氣體潔凈，為安全氣囊高效率氣體發(fā)生劑的研制提供了嶄新的思路。HAN須以水溶液形態(tài)才能穩(wěn)定存在，這給氣體發(fā)生器的裝藥帶來了困難。Michael把HAN水溶液凝膠化制得一種HAN基水凝膠氣體發(fā)生劑應(yīng)用于安全氣囊中[19]。HAN基凝膠推進劑的點火方式主要還是傳統(tǒng)的煙火藥點火方式。

馬忠亮等以HAN為主氧化劑，AN為輔助氧化劑，PVA為凝膠劑，在水介質(zhì)中通過“冷凍-解凍-冷凍”工藝制備HAN基凝膠發(fā)射藥[20]。在密閉燃燒器通過煙火藥點火方式對該推進劑進行了點火試驗，試驗結(jié)果表明：HAN凝膠發(fā)射藥點火延遲時間長，點火困難。采用單基發(fā)射藥薄片包裹凝膠有利于點火。

曲艷斌制備了HAN/PVA凝膠推進劑，研究了不同含水量HAN凝膠體的燃燒性能[21]，此HAN凝膠體仍具有較高的能量及較少的燃燒時間，并且產(chǎn)氣量較大，但此種凝膠體點火較難。此種凝膠體隨著含水量的增加，能量及燃燒速度有所降低，因此可以通過調(diào)節(jié)含水量來調(diào)節(jié)其能量水平。

3 HAN基固體推進劑點火技術(shù)

Katzakian等研制了一種燃燒可控的HAN基固體推進劑[22]，這種推進劑與傳統(tǒng)固體推進劑不同，它具有較好的導電性能，能夠通過電壓控制推進劑的燃燒狀態(tài)。在電極兩端加載一定電壓，推進劑能夠?qū)崿F(xiàn)點火，燃燒過程中通過改變電壓大小能夠調(diào)節(jié)推進劑的燃速，斷電推進劑能夠自動熄火。對直徑6.350 mm的HAN基固體推進劑微型推進器進行了直流電解點火測試，點火電壓為直流300 V，電極為金屬惰性電極。結(jié)果表明這種HAN基固體推進劑可以通過直流電壓引燃，燃速可以通過電壓調(diào)控，當切斷電壓時，推進劑立即熄火。

4 結(jié)束語

HAN基綠色推進劑普遍存在難以點火的問題，由于HAN基液體推進劑燃燒溫度高，采用催化分解點火方式，易于破壞催化床，嚴重縮短了發(fā)動機壽命，同時，催化分解的預熱溫度過高也限制了其在發(fā)動機中的應(yīng)用。采用電火花點火方式，存在著能量損耗大、重復性差的缺點。分析認為，直流電解點火方式能在較低電壓條件下實現(xiàn)點火，耗能少，在HAN基液體推進劑和HAN基固體推進劑中的點火試驗中都驗證了其點火的可靠性，是HAN基推進劑點火技術(shù)的發(fā)展方向。

[1]禹天福.空間化學推進技術(shù)的發(fā)展[J].火箭推進,2005, 12(3):23-29. YU Tianfu.Development of space chemical propulsion technology[J].Journal of rocket propulsion,2005,12(3): 23-29.

[2]張蒙正.凝膠燃料單滴燃燒的建模、實驗及應(yīng)用[J].火箭推進,2010,36(3):1-9. ZHANG Mengzheng.Modeling,experimental and application of single droplet combustion for gel fuel[J].Journal of rocket propulsion,2010,36(3):1-9.

[3]KATSUM I T,INOUE T,NAKATSUKA J,et al.HAN-based green propellant,application,and its combustion mechanism[J].Combustion,explosion,and shock waves, 2012,48(5):536-543.

[4]COMER H.Ignition and combustion of liquid mono-propellants at high pressures[J].Symposium on combustion, 1977,16(1):1211-1219.

[5]SCHM IDT E W,GAVIN D F.Catalytic decomposition of hydroxylammonium nitrate-based monopropellants:US-5485722[P].1996-11-12.

[6]任曉光,李明慧,王愛琴,等.室溫條件下硝酸羥胺的催化分解[J].催化學報,2007,28(1):1-2.

[7]FOKEMA M D,TORKELSON J E.Thermally stable catalysts and process for the decomposition liquid propellant: US20080064914[P].2008-06-05.

[8]YETTER R A,YANG V.Development of meso and m icro scale liquid propellant thruster:AIAA 2003-0676[R].USA:AIAA,2003.

[9]DESPIRTO J,KNAPTON J D.Electrical ignition of HAN-based liquid propellants:ADA1950 94[R].US:ADA, 1988.

[10]余永剛,王玉強,周彥煌,等.周期性序列脈沖放電火花點火特性研究[J].工程熱物理學報,2010,10(31): 1793-1796.

[11]DESPIRTO J,REEVES G P,KNAPTON J D.Two-stage igniter test results:electrical ignition of LGP 1846[R]. Maryland:BRL,1991.

[12]余永剛,李明,周彥煌,等.液體推進劑液滴電點火特性的實驗研究[J].含能材料,2008,16(5):625-628.

[13]劉焜,余永剛,倪彬.HAN基液體推進劑單滴無弧點火過程的數(shù)值模擬[J].含能材料,2014,22(2):155-160.

[14]RISHA G A,YETTER R A,YANG V.Electrolytic-induced decomposition and ignition of HAN-based liquid monopro pellants[J].Proceedings of 6th International Symposiumin Chemical Propulsion.Santiago,USA:[s. n.],2005:8-11.

[15]HUA M,PRASHANT K,GRANT A.Decomposition and ignition of HAN-Based monopropellants by electrolysis: AIAA 2009-451[R].USA:AIAA,2009.

[16]KAI S,JITKAI C,TENGKU F.Role of electrodes in ambient electrolytic decomposition of hydroxylammonium nitrate(HAN)solutions[J].Propulsion and power research, 2013,2(3):194-200.

[17]ALFANO A J,M ILLS J D,VAGHJIANI G L.Resonant laser ignition study of HAN-Hehn propellant mixture: AFRL-RZ-ED-JA-2008-333[R].[S.l.:s.n.],2008.

[18]CARLETON F B,KLEIN N,KRALLIS K,et al.Initiation reaction in liquid propellants by focused laser beams [J].Combustion science and technology，1992,88:33-41.

[19]M ICHAEL W B,BRADLEY D H,JOHNSON L.Hydroxyl ammonium nitrate/water/self-deflagrating fuels as gas generating pyrotechnics for use in automotive passive restraint system:US5684269[P].1997-07-11.

[20]馬忠亮,吳昊,何利明,等.HAN基凝膠發(fā)射藥的性能[J].四川兵工學報,2008,29(3):3-5.

[21]曲艷斌,肖忠良.硝酸羥胺(HAN)水凝膠性能研究[J].含能材料,2004,12(3):168-170.

[22]KATZAKIAN,A,GRIX C,SAWKA W N.Electrically controlled extinguishable solid propellants a safe,broadly scalable propulsion technology[C]//53rd JANNAF Propulsion M tg.Monterey,CA,USA:2005:11-19.

(編輯：王建喜)

Research progress on ignition of HAN-based green propellant

WANG Xinqiang,DENG Kangqing,LI Hongxu,YU Xiaobo
（Hubei Institute of Aerospace Chemo-technology,Xiangyang 441003,China）

The recent research and application of the ignition technology of HAN-based green propellants at home and abroad is reviewed to solve the difficulty commonly existing in ignition of HAN-based green propellants.Several ignition methods of the HAN-based liquid propellants includes catalytic decomposition ignition method,electric spark ignition method,electrolytic ignition method and laser ignition method.The HAN-based jel propellant still uses conventional ignition methods, which is difficult to achieve ignition.The electrolytic ignition method can achieve ignition,combustion and flameout control ofa novel HAN-based solid propellant under the condition of voltage control.The analysis results indicate that the electrolytic ignition method can improve the ignition effectiveness of HAN-based propellant obviously,and is the development direction ofHAN-based propellants.

HAN;catalytic ignition;electrical ignition;electrolytic ignition

V434-34

A

1672-9374(2017)02-0072-05

2016-10-10；

2016-10-31

王新強（1993—），男，碩士研究生，研究領(lǐng)域為特種推進劑火箭發(fā)動機技術(shù)