ADN基液體空間發(fā)動機的實驗研究與在軌驗證

姚兆普，張 偉，王 夢，陳 君，沈 巖

(北京控制工程研究所，北京 100190)

0 引言

無水肼和肼類液體推進(jìn)劑廣泛地應(yīng)用于單組元空間發(fā)動機，這類推進(jìn)劑往往具有較高的性能指標(biāo)以及易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)點，極大地簡化了空間發(fā)動機的機械結(jié)構(gòu)，提高了其可靠性，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但同時，肼類推進(jìn)劑具有很高的毒性，對人體和環(huán)境都具有明顯的健康風(fēng)險，進(jìn)而使得發(fā)射的準(zhǔn)備工作較為復(fù)雜，因此也需要更長的發(fā)射準(zhǔn)備時間。二硝酰胺銨(ADN，NH4[N(NO2)2])作為一種高能量密度、不含氯元素的綠色無毒無機鹽類物質(zhì)，可以作為固體推進(jìn)劑或液體推進(jìn)劑中的氧化劑，代表了空間化學(xué)推進(jìn)技術(shù)的一個新的研究方向和發(fā)展趨勢。

ADN在常溫常壓下，為白色鹽類固體，于1971年在前蘇聯(lián)首次合成成功。之前針對ADN的研究工作，大多數(shù)集中于它作為一種固體推進(jìn)劑時的熱分解和燃燒特性，國際上已有很多學(xué)者發(fā)表了相應(yīng)的研究成果。Yang等人[1]綜述了ADN熱分解及燃燒反應(yīng)的發(fā)展現(xiàn)狀，他們主要著眼于不同工況下，ADN的基本熱物理性質(zhì)、可能的化學(xué)反應(yīng)路徑、以及相應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物。Park等人[2]通過理論計算的方法，研究了低壓條件下ADN熱分解的化學(xué)動力學(xué)模型，得到了相應(yīng)的關(guān)鍵步反應(yīng)機理。Sinditskii等人[3-4]結(jié)合理論分析和實驗驗證，研究了ADN發(fā)生熱分解及燃燒反應(yīng)時的反應(yīng)特性表征以及燃燒機理；一方面，他們詳細(xì)分析了添加劑、推進(jìn)劑表面殼體材料、以及試樣尺寸的變化對于ADN化學(xué)反應(yīng)特性的影響；另一方面，在較寬的壓力范圍內(nèi)，精確測量了ADN熱分解及燃燒反應(yīng)的軸向溫度分布。測量結(jié)果表明，軸向溫度分布呈現(xiàn)出明顯的階梯狀分布特性。Korobeinichev等人[5]基于實驗研究和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)研，發(fā)展了一個包含31種組分、172步基元反應(yīng)的ADN熱分解及燃燒反應(yīng)的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理。基于這個機理的計算結(jié)果和相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)吻合良好。Thakre等人[6]研究了包括凝相反應(yīng)在內(nèi)的ADN熱分解的特征物理過程。

由于ADN具有較強的氧化性及水溶性，ADN也可以組成ADN-燃料-水三元液體混合推進(jìn)劑。其中的燃料可以是甲醇、乙醇或丙酮等溶于水、又可以與ADN熱分解后的中間產(chǎn)物進(jìn)一步燃燒的化學(xué)物質(zhì)。世界上第一種ADN基液體推進(jìn)劑是由瑞典空間公司(SSC)在1997年研制的[7]。他們針對此種推進(jìn)劑的特性進(jìn)行了大量實驗研究。瑞典國防研究機構(gòu)(FOI)主持開發(fā)并測試了滿足不用使用需求的FLP系列ADN基液體推進(jìn)劑[8]。北京控制工程研究所針對ADN基液體推進(jìn)劑的理化性質(zhì)和燃燒反應(yīng)特性，開展了大量基礎(chǔ)研究工作。例如，開發(fā)了適用于ADN基液體推進(jìn)劑基礎(chǔ)燃燒特性實驗的模型發(fā)動機及實驗系統(tǒng)，針對反應(yīng)過程中的燃燒室溫度、CO及N2O組分濃度等特征參數(shù)進(jìn)行了瞬態(tài)測量[9-10]。通過熱重質(zhì)譜分析和居里點裂解實驗，針對ADN基液體推進(jìn)劑的蒸發(fā)和熱分解特性進(jìn)行了詳細(xì)測量[11]。到目前為止，世界上已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)次ADN基液體空間發(fā)動機的在軌飛行驗證。世界上第一次ADN基液體空間發(fā)動機的在軌點火試驗是由瑞典完成的[12]。在2016年10月，北京控制工程研究所也順利完成了中國首次ADN基液體空間發(fā)動機的在軌試驗。

本文分為兩個主要部分。首先，通過模型發(fā)動機上的光學(xué)窗口，基于TDLAS的研究方法，針對ADN基液體推進(jìn)劑的催化反應(yīng)及高壓燃燒的特征過程，進(jìn)行了量化測量，獲得了穩(wěn)態(tài)工作條件下燃燒室內(nèi)流場特征參數(shù)與噴注壓力之間的量化關(guān)系。文章的第二部分主要介紹了北京控制工程研究所研制的ADN基液體空間發(fā)動機產(chǎn)品的地面高空模擬熱試車試驗和在軌飛行驗證情況，介紹了發(fā)動機產(chǎn)品的主要性能參數(shù)。最后，給出了文章的結(jié)論。

1 基于可調(diào)諧二極管紅外吸收光譜(TDLAS)的實驗研究

1.1 模型發(fā)動機與實驗測量系統(tǒng)

首先，設(shè)計和制造了一種推力為1 N的ADN基液體空間發(fā)動機，用以評價催化劑、推進(jìn)劑及發(fā)動機幾何結(jié)構(gòu)對于燃燒物理過程的影響。其中，發(fā)動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)動機實物照片如圖1和圖2所示。發(fā)動機可以分為電磁閥、噴注器、催化床及燃燒室3個主要部分?？梢钥吹?，在燃燒室的壁面上，沿水平方向分布著一對藍(lán)寶石玻璃制成的光學(xué)窗口。光學(xué)窗口呈圓形，直徑6 mm。

圖1 帶光學(xué)觀測窗口的模型發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of thruster model with optical windows

圖2 帶光學(xué)觀測窗口的模型發(fā)動機實物Fig.2 Picture of model thruster with optical windows

實驗中使用的推進(jìn)劑由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%的ADN，27%的水，以及12%的甲醇組成。屬于北京控制工程研究所研制的中能配方推進(jìn)劑，理論比沖220 s。實驗中使用的模型發(fā)動機的燃燒室直徑和長度均為10 mm。TDLAS系統(tǒng)的光學(xué)測量中心位于燃燒室的幾何中心位置。在穩(wěn)態(tài)工作下將1.2 MPa的推進(jìn)劑噴注壓力設(shè)為額定噴注壓力，對應(yīng)0.48 g/s的推進(jìn)劑流量。經(jīng)由毛細(xì)管式噴注器噴注，在發(fā)動機內(nèi)部霧化、蒸發(fā)。催化床內(nèi)填充表面活性成分為銥的顆粒狀催化劑。當(dāng)推進(jìn)劑流經(jīng)預(yù)熱后的催化床時，其中的ADN組分開始發(fā)生催化分解反應(yīng)。催化劑的存在可以有效降低反應(yīng)活化能的能壘，使得ADN可以在相比于熱分解更低的溫度下發(fā)生分解反應(yīng)。然后ADN分解產(chǎn)生的大量具有氧化性的中間產(chǎn)物，和推進(jìn)劑中的甲醇在催化床后端的燃燒室進(jìn)一步發(fā)生燃燒反應(yīng)釋放熱量。通過燃燒室周向分布的光學(xué)窗口，基于光譜學(xué)診斷方法對燃燒室內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行瞬態(tài)測量。

非接觸式測量技術(shù)已經(jīng)在發(fā)動機工作過程流場特征參數(shù)的測量中得到了廣泛應(yīng)用[13]。

為了研究ADN基液體推進(jìn)劑的化學(xué)反應(yīng)特性，搭建了基于TDLAS方法的實驗測量裝置。TDLAS測量方法基于Beer-Lambert定律的基礎(chǔ)之上[14]，當(dāng)一束頻率為υ，光強為Iυ，0的單頻光束通過長度為L的均勻待測氣流，透射光強Iυ與入射光強Iυ，0滿足Beer-Lambert關(guān)系式。實驗測量系統(tǒng)如圖3所示，主要分為3個部分：激光發(fā)生器和控制器、模型發(fā)動機和推進(jìn)劑儲供系統(tǒng)、吸收光譜探測器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。關(guān)于TDLAS測量方法和實驗平臺的更多細(xì)節(jié)可以參閱文獻(xiàn)[9-10]。在本文中，通過TDLAS測量方法，針對ADN基模型發(fā)動機燃燒室內(nèi)的燃?xì)鉁囟?、CO摩爾濃度及N2O摩爾濃度進(jìn)行了瞬態(tài)測量。其中，CO是ADN基液體推進(jìn)劑催化分解及燃燒反應(yīng)過程中的標(biāo)志性特征組分，CO來源于推進(jìn)劑中甲醇組分的氧化，且具有還原性，可以與ADN催化分解后的氧化性中間產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)，生產(chǎn)CO2。N2O是ADN催化分解后的典型中間產(chǎn)物，具有氧化性，可以與甲醇及其中間產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步反應(yīng)。TDLAS測量過程中，吸收譜線的選擇是實驗過程中的一個關(guān)鍵點。在燃燒室內(nèi)燃?xì)鉁囟鹊臏y量過程中，采用雙線法，選取水蒸氣在7 185.60 cm-1和7 444.35 cm-1中心頻率附近的吸收線進(jìn)行測量。針對CO摩爾濃度的測量，選取2 193.36 cm-1中心頻率附近的特征吸收線進(jìn)行測量。針對N2O摩爾濃度的測量，選取2193.54 cm-1中心頻率附近的特征吸收線進(jìn)行測量。同時，在測量過程中通過一支壓力傳感器實時測量燃燒室壓力。

1.2 實驗結(jié)果與討論

在實驗過程中，發(fā)動機點火前先將催化床預(yù)熱至200 ℃。在穩(wěn)態(tài)工作條件下，研究了不同噴注壓力對ADN基液體推進(jìn)劑催化分解及燃燒反應(yīng)過程的影響。

圖4給出了10 s穩(wěn)態(tài)點火過程中，1.2 MPa,0.8 MPa和0.5 MPa噴前壓下發(fā)動機燃燒室內(nèi)的燃?xì)鉁囟葴y量結(jié)果。在1.2 MPa時，點火啟動后燃?xì)鉁囟妊杆偕仙s1s后燃?xì)鉁囟群芸爝_(dá)到平衡溫度(約1 500 K)。在0.8 MPa時，點火啟動后燃?xì)鉁囟冉⑵胶庾兟阅苓_(dá)到平衡，平衡溫度與噴前壓1.2 MPa點火工況接近，說明此噴前壓范圍內(nèi)推進(jìn)劑燃燒穩(wěn)定，釋熱完全，發(fā)動機屬于正常工作狀態(tài)。在較低的噴前壓點火工況(0.5 MPa)，燃燒室燃?xì)鉁囟瘸尸F(xiàn)較為明顯的波動性，且燃?xì)鉁囟容^低，均維持在1 200 K以下。說明在低壓工作條件下，ADN基液體推進(jìn)劑催化分解及燃燒反應(yīng)的反應(yīng)完全程度受到比較明顯的影響，燃燒不穩(wěn)定，釋熱不完全。

圖3 TDLAS測量系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of TDLAS measurement system

圖5給出了1.2 MPa,0.8 MPa和0.5 MPa噴前壓下燃燒室內(nèi)CO摩爾濃度的瞬態(tài)測量結(jié)果?？梢钥吹絻蓚€比較明顯的趨勢：首先，隨著噴注壓力的升高，反應(yīng)平衡后CO摩爾濃度的均值在下降。這是因為大噴注壓力下，推進(jìn)劑質(zhì)量流量相應(yīng)增加，產(chǎn)生了更高的燃燒溫度，如圖4結(jié)果所示。較高的燃燒溫度促進(jìn)了CO在燃燒室內(nèi)的氧化過程，使得較高噴注壓力下CO在燃燒室內(nèi)的殘余濃度較小。第二，當(dāng)噴注壓力下降時，CO摩爾濃度的瞬態(tài)值的波動隨之劇烈。而這與低噴前壓下(0.5 MPa)燃?xì)鉁囟鹊牟▌优c下降是一致的，都是反應(yīng)進(jìn)行不完全和不穩(wěn)定的表現(xiàn)。

圖4 穩(wěn)態(tài)工況下的氣相溫度瞬態(tài)測量結(jié)果Fig.4 Measurement results of instantaneous gaseous phase temperature under steady-state condition

圖5 穩(wěn)態(tài)工況下的CO摩爾分?jǐn)?shù)瞬態(tài)測量結(jié)果Fig.5 Instantaneous measurement results of CO mole fraction under steady-state condition

N2O的測量結(jié)果如圖6所示?？傮w來說，N2O濃度的瞬態(tài)變化曲線呈現(xiàn)拋物線型。當(dāng)點火開始時，燃燒室內(nèi)的N2O摩爾濃度迅速上升，到達(dá)一個峰值。然后又迅速下降，最終達(dá)到0.3%左右的一個平衡值。當(dāng)發(fā)動機噴注壓力從1.2 MPa下降到0.5 MPa時，N2O摩爾濃度的峰值從10.6%上升到14.2%，而達(dá)到峰值的時間也隨之變長。

N2O是ADN催化分解過程中的一個典型的氧化性中間產(chǎn)物，結(jié)合燃?xì)鉁囟取O摩爾濃度的測量結(jié)果可知：在ADN基發(fā)動機的工作過程中，較高的噴注壓力下推進(jìn)劑反應(yīng)過程會在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生較高的燃燒溫度、較低的CO平衡摩爾濃度及較低的N2O峰值摩爾濃度。說明高噴注壓力更加有利于在ADN基液體推進(jìn)劑能量的釋放，有利于提高發(fā)動機的整體性能。由于在較高的噴注壓力下可以獲得較高的燃燒室壓力，而高壓條件可以促進(jìn)ADN基液體推進(jìn)劑的反應(yīng)完全程度，而這也與文獻(xiàn)[11]中燃燒動力學(xué)理論模型的計算結(jié)果是一致的。

圖6 穩(wěn)態(tài)工況下的N2O摩爾分?jǐn)?shù)瞬態(tài)測量結(jié)果Fig.6 Instantaneous measurement results of N2O mole fraction under steady-state condition

2 ADN基液體空間發(fā)動機的高空模擬熱試車試驗研究

基于針對1 N的ADN基液體發(fā)動機開展的基礎(chǔ)研究及相關(guān)成果，北京控制工程研究所開發(fā)了推力量級從0.2 N，1 N，5 N，20 N的ADN基液體發(fā)動機產(chǎn)品。開發(fā)出了2種型號的針對不同使用需求的ADN基液體推進(jìn)劑：分別為理論比沖為220 s的中能推進(jìn)劑以和理論比沖為245 s的高能推進(jìn)劑。同時，也提高了催化劑與不同推進(jìn)劑之間的匹配性。

針對不同推力量級的ADN基液體發(fā)動機產(chǎn)品，開展了系列化的真空艙內(nèi)高空模擬熱試車試驗研究。在1.6 MPa的額定工作壓力下，獲得了發(fā)動機推力、比沖等關(guān)鍵性能指標(biāo)。通過20 s穩(wěn)態(tài)下的穩(wěn)態(tài)工況，考核了發(fā)動機的工作性能。其中，圖7(a)～7(d)給出了不同發(fā)動機熱試車時的試驗情況，表1給出了相應(yīng)的試驗結(jié)果。

圖7 不同推力量級ADN基液體空間發(fā)動機的熱試車試驗Fig.7 Hot fire tests of ADN-based liquid thrusters with different thrust levels

推力量級/N推進(jìn)劑種類真空比沖/s02中能配方推進(jìn)劑1961中能配方推進(jìn)劑2101高能配方推進(jìn)劑2265中能配方推進(jìn)劑2145高能配方推進(jìn)劑23520中能配方推進(jìn)劑21820高能配方推進(jìn)劑241

3 ADN基液體空間發(fā)動機的在軌試驗驗證

在北京控制工程研究所的1 N ADN基液體空間發(fā)動機完成所有研制工作和地面驗證試驗后，進(jìn)行了一次在軌飛行試驗，用以驗證1 N ADN基液體空間發(fā)動機的在軌工作性能和可靠性。衛(wèi)星上搭載了2臺1 N ADN基液體空間發(fā)動機，在2016年11月發(fā)射升空后，在兩天的時間里共進(jìn)行了5組不同工況的在軌點火試驗。在試驗過程中，通過星上動量輪轉(zhuǎn)速的變化率、以及整星推進(jìn)分系統(tǒng)所使用的雙組元10 N推力器來對搭載的2臺1 N ADN基液體空間發(fā)動機進(jìn)行在軌標(biāo)定。表2總結(jié)了星上標(biāo)定試驗的工況和推進(jìn)劑消耗量。在軌試驗的過程中，選取1.6 MPa的噴注壓力為發(fā)動機的額定工作壓力，對應(yīng)0.5 g/s的推進(jìn)劑額定質(zhì)量流量。在穩(wěn)態(tài)工況下，實測獲得1 N ADN基液體空間發(fā)動機的推力為1.03 N，比沖210.2 s，發(fā)動機滿足性能指標(biāo)要求。

表2 1 N ADN基液體空間發(fā)動機在軌試驗驗證情況Tab.2 On-orbit flying validation of the 1 NADN-based liquid thruster

4 結(jié)束語

本文介紹了北京控制工程研究所研制的ADN基液體空間發(fā)動機的地面實驗研究和在軌驗證情況。針對1 N推力的ADN基模型發(fā)動機，通過TDLAS的光譜學(xué)測量方法，實現(xiàn)了發(fā)動機燃燒室內(nèi)燃?xì)鉁囟?、CO及N2O組分摩爾濃度的瞬態(tài)測量。研究了發(fā)動機噴注壓力與燃燒室內(nèi)流場特征參數(shù)之間的物理關(guān)系。通過實驗研究可以發(fā)現(xiàn)，在ADN基液體空間發(fā)動機的工作過程中，較高的噴注壓力可以獲得較高的燃燒溫度、較低的CO殘余濃度、以及較低的N2O峰值濃度。針對0.2 N，1 N，5 N及20 N的不同推力量級的ADN基液體空間發(fā)動機，開展了系列化的高空模擬熱試車試驗研究，獲得了發(fā)動機的主要性能指標(biāo)。最后介紹了2臺1 N ADN基液體空間發(fā)動機的在軌搭載試驗驗證情況，給出了發(fā)動機的實測性能指標(biāo)。本文中的內(nèi)容有利于綠色空間推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。

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