硝酸羥胺基推進(jìn)系統(tǒng)研究與應(yīng)用進(jìn)展

陳 君,張 濤,劉瀛龍

(1.北京控制工程研究所， 北京 100190; 2.北京市高效能及綠色宇航推進(jìn)工程技術(shù)研究中心， 北京 100190)

伴隨著武器裝備技術(shù)和載人航天技術(shù)發(fā)展的不斷深入，高可靠性、高性能和無毒化的推進(jìn)系統(tǒng)一直是各國專家研究的重點(diǎn)。目前高性能無毒推進(jìn)劑主要包括二硝酰胺銨(ADN)和硝酸羥胺(HAN)[1-3]。21世紀(jì)初，北京控制工程研究所就開始進(jìn)行了基于高性能綠色無毒推進(jìn)劑ADN和HAN的快速響應(yīng)平臺(tái)推進(jìn)系統(tǒng)的研究工作，積累了豐富的研制經(jīng)驗(yàn)。2016年12月，北京控制工程研究所研制的ADN基推進(jìn)系統(tǒng)成功隨實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行了我國首次無毒推進(jìn)系統(tǒng)的在軌驗(yàn)證，并達(dá)到國際一流水平，部分性能處于國際領(lǐng)先[4]。而另一種HAN基推進(jìn)劑最大的特色是常溫啟動(dòng)，并同時(shí)具有綠色無毒、穩(wěn)定性好、冰點(diǎn)低、比沖高等優(yōu)點(diǎn)，這就大幅提高了武器系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。目前，美國、日本和中國等國家相繼開展了HAN基推進(jìn)劑的基礎(chǔ)研究和推進(jìn)系統(tǒng)地面點(diǎn)火的測試工作，也是目前認(rèn)為有望取代肼類推進(jìn)劑的一種新型推進(jìn)劑[5,6]。

基于前期的大量研究論證工作，HAN基單組元推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用將有利于適應(yīng)小型快速響應(yīng)平臺(tái)和低成本發(fā)展的需求，為提高我國武器裝備的戰(zhàn)略機(jī)動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)部署、行動(dòng)的快速化提供技術(shù)支撐。同時(shí)，亦可大幅提高戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈彈頭、運(yùn)載火箭上面級(jí)、臨近空間飛行器等武器裝備性能和工作的可靠性。

1 HAN基推進(jìn)劑概述

20世紀(jì)60年代以來，肼一直是運(yùn)載和武器裝備推進(jìn)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的單組元液體推進(jìn)劑。由于肼具有比沖低、易燃易爆、毒性大等缺點(diǎn)，因此，尋求更先進(jìn)的替代燃料一直是業(yè)界的奮斗目標(biāo)。HAN是一種固體燃料，最早應(yīng)用于魚雷，化學(xué)式為NH2OH·HNO3，分子量為96，屬于羥胺的硝酸鹽。之后研究人員發(fā)現(xiàn)其具有較高的吸濕性和溶解性，在添加一定燃料后，性能將會(huì)獲得大幅提升，同時(shí)絕熱火焰燃燒溫度也將逐漸降低[7-8]。隨著研究的深入，應(yīng)運(yùn)而生了多種型號(hào)的推進(jìn)劑，其中包括LP1845、LP1846、AF-315E和SHP163等。圖1為HAN推進(jìn)劑的分子結(jié)構(gòu)[9]。

2 HAN基推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)分解和燃燒過程研究現(xiàn)狀

2.1 HAN基推進(jìn)劑理化特性研究現(xiàn)狀

米向超等[10]介紹了HAN晶體溶于水形成HAN水溶液，無味且無有毒蒸汽產(chǎn)生。陳紅霞[11]總結(jié)了HAN基推進(jìn)劑具有冰點(diǎn)低，密度高等優(yōu)點(diǎn)。史良煜[12]通過熱重分析法，研究了不同升溫速率下，HAN基液體推進(jìn)劑的吸放熱特性，同時(shí)通過理論計(jì)算獲得了推進(jìn)劑熱分解反應(yīng)過程的活化能，并指出高溫?zé)嵩磳?duì)推進(jìn)劑的熱穩(wěn)定性影響較大。表1為不同推進(jìn)劑理化特性和性能[13]?？梢钥闯?，HAN基推進(jìn)劑表現(xiàn)出了良好的性能。具體表現(xiàn)為無毒、冰點(diǎn)低和密度比沖高等優(yōu)點(diǎn)。

表1 不同推進(jìn)劑的性能參數(shù)

2.2 HAN基推進(jìn)劑電點(diǎn)火和催化點(diǎn)火研究現(xiàn)狀

考慮到目前HAN基推進(jìn)劑含水量較高，對(duì)其點(diǎn)火性能存在著較大影響。HAN推進(jìn)劑通過電點(diǎn)火的方式測得了分解產(chǎn)物為NH2OH，HNO3，HONO，HNO，N2O，N2，NO，NO2，H2O，H2(g)和O2(g)，學(xué)者們得到了一個(gè)理論預(yù)測模型[14-16]，其可以有效預(yù)測物質(zhì)組分的生成和消耗。Koh等[17]通過理論模型，探討了推進(jìn)劑中的水含量和電壓對(duì)推進(jìn)劑分解特性的影響規(guī)律。同時(shí)得到HAN濃度的變化對(duì)于銅導(dǎo)線加熱的影響較小。當(dāng)加熱電壓為300 W時(shí)，將有效縮短分解反應(yīng)所需的時(shí)間。當(dāng)電壓超過300 W時(shí)，對(duì)于HAN分解反應(yīng)效率的影響較小。Wu等[18]采用電壓為45 V使微推力器點(diǎn)火成功，并產(chǎn)生200 mN的推力。同時(shí)，區(qū)別于傳統(tǒng)的火花塞點(diǎn)火方式，劉焜等[19]提出了一種無弧點(diǎn)火的方式，并基于單液滴進(jìn)行了點(diǎn)火研究，得到了液滴經(jīng)歷的預(yù)熱、分解和燃燒三個(gè)階段的特征現(xiàn)象。

而通過催化方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火依然是目前所采用的具有較高可靠性和穩(wěn)定性的方法。對(duì)于催化特性的研究，主要是集中于催化分解效率、反應(yīng)特征組分的獲取，以及對(duì)催化分解和燃燒反應(yīng)路徑的探討。Amrousse等[20]研究得到當(dāng)水完全蒸發(fā)后，HAN推進(jìn)劑開始分解。HAN95%推進(jìn)劑在152°開始分解，且HAN的熱分解過程的放熱峰值要高于ADN的放熱峰值。催化劑的添加有利于HAN推進(jìn)劑在更低的溫度下分解。同時(shí)，他們研究得到IR催化劑可以有效催化HAN分解過程，由于高溫的影響，催化劑逐漸失效。同時(shí)點(diǎn)火延遲，燃燒室壓力和催化床溫度變化對(duì)于HAN分解效率具有較好的預(yù)測效果[21]。LEE等[22]通過FTIR方法得到HAN/水熱分解產(chǎn)物為H2O，N2O，NO，NO2和HNO3。Chang等[23]介紹了兩種HAN基混合推進(jìn)劑的火焰?zhèn)鞑ニ俾?，并測量了反應(yīng)區(qū)溫度。Kappenstein等[15]證明了HAN/水可能在40°開始分解，同時(shí)得到在純HAN條件下，催化劑可提升HAN的分解速率。Amariei等[25]通過對(duì)比分析ADN、HNF和HAN的點(diǎn)火性能發(fā)現(xiàn)，HAN基推進(jìn)劑具有較高的催化分解效率，能夠在100°條件下開始分解反應(yīng)。Oommen等[26]通過實(shí)驗(yàn)證明，采用高性能催化劑可以實(shí)現(xiàn)在水未完全蒸發(fā)的條件下，HAN基推進(jìn)劑就開始分解。如圖2所示，學(xué)者們總結(jié)出了HAN的分解路徑，但是對(duì)于燃料的加入(如甲醇)，也只是提出了兩步的總包機(jī)理(3N2O+CH3OH=2H2O+CO2+3N2，6HNO3+5CH3OH=13H2O+5CO2+3N2)。因此，對(duì)于HAN基混合推進(jìn)劑的研究，仍將是今后研究的一個(gè)熱點(diǎn)[27]。

3 HAN基推進(jìn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

3.1 基于LP系列推進(jìn)劑的HAN基推進(jìn)系統(tǒng)

LP系列推進(jìn)劑主要是由硝酸羥胺及其水溶液，并添加燃料和穩(wěn)定劑配置而成，這一系列推進(jìn)劑包含多個(gè)配方，相關(guān)的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究測試工作。其中，代號(hào)XM45(LGP1845)和XM46(LGP1846)是當(dāng)前美國軍方大力發(fā)展的兩種類型的推進(jìn)劑，他們都是由HAN，TEAN(硝酸銨)和水組成，具體配比如表2所示[28]。研究主要側(cè)重于四個(gè)方面，首先是燃燒過程的影響因素分析和火焰結(jié)構(gòu)的特征分析[29-30]，其次是HAN基推進(jìn)劑在分解過程中物質(zhì)組分的獲取和定量分析[31]，之后是火焰燃燒速率的影響分析[32]。通過研究發(fā)現(xiàn)此類推進(jìn)劑在反應(yīng)后，會(huì)存在大量積碳，不利于推力器燃燒的穩(wěn)定性[33]。最后進(jìn)行了點(diǎn)火測試，并獲得成功，考校了推力器的穩(wěn)態(tài)和脈沖性能[34]。

表2 典型LP系列推進(jìn)劑組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2 基于AF-315E推進(jìn)劑的HAN基推進(jìn)系統(tǒng)

從2001年開始，美國空軍實(shí)驗(yàn)室AFRL就開始AF-315E推進(jìn)劑的研究，到2011年，推力器達(dá)到TRL5級(jí)，并實(shí)現(xiàn)了11.5小時(shí)的點(diǎn)火驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[35]，其主要配方是由44.5%HAN+44.5%HEHN+11%H2O組成，其比沖比肼提高12%，并具有低冰點(diǎn)的特點(diǎn)，擺脫了肼推進(jìn)劑需要持續(xù)加熱的需求。GPIM系統(tǒng)目前采用4臺(tái)1N和1臺(tái)22N級(jí)HAN基推力器分別作為姿控和軌控，并通過真空實(shí)驗(yàn)獲得了不同箱壓下的推力值。所獲得的推力器關(guān)鍵特性參數(shù)值如表3所示。

表3 1N和22N推力器性能參數(shù)

AF-315系列單元推進(jìn)劑是肼類單元推進(jìn)劑最主要的替代品，在彈道導(dǎo)彈、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、空間飛行器以及液體發(fā)射藥火炮中應(yīng)用廣泛，是一種新型的高性能單元液體推進(jìn)劑，具有非常廣闊的應(yīng)用前景?；诖朔N推進(jìn)劑，開展了多型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)測試實(shí)驗(yàn)。它的比沖達(dá)到257 s。目前美國基于綠色推進(jìn)劑飛行演示任務(wù)(Green Propellant Infusion Mission-GPIM)已經(jīng)建立了1N和5N級(jí)HAN基推進(jìn)系統(tǒng)。Shchetkovskiy等[36]基于AF-315E推進(jìn)劑，對(duì)22N和5N發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了點(diǎn)火測試，均獲得成功。Reed等[37]詳細(xì)闡述了HAN基推進(jìn)劑的發(fā)展歷史，同時(shí)展示了HAN269MEO推進(jìn)劑理論比沖為269 s，通過點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)測得為250 s，燃燒效率為93%以上。Tsay等[38]成功實(shí)現(xiàn)了0.5N級(jí)HAN基推力器的點(diǎn)火測試。結(jié)果表明，推力效率為89%～93%，噴管效率大于94%，比沖為210～220 s之間。目前AF-315E表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能，并將其應(yīng)用于多種型號(hào)任務(wù)中，如表4所示[39]。

表4 基于AF-315E推進(jìn)系統(tǒng)的型號(hào)和取代的系統(tǒng)

3.3 基于SHP-163系列推進(jìn)劑的HAN基推進(jìn)系統(tǒng)

日本JAXA也開展了HAN基推進(jìn)劑的相關(guān)研究[39-41]。新型的HAN推進(jìn)劑主要包括兩種，其中之一稱為SHP，是由HAN/AN/Methanol/H2O組成，另外一種包括HAN/HN/TEAN/H2O組成[43]。其中SHP163(163指的是包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.3的甲醇)是目前研究的重點(diǎn)，理論比沖為276 s，密度為1.4 g/cm3，推力為1N級(jí)。2016年，日本JAXA在創(chuàng)新技術(shù)研究課題的支持下，計(jì)劃發(fā)射基于HAN基推進(jìn)系統(tǒng)的小衛(wèi)星。

學(xué)者們針對(duì)推力器點(diǎn)火本身以及所涉及的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題進(jìn)行了探討。對(duì)20 N推力器進(jìn)行了地面真空點(diǎn)火測試，并開展了催化床初始溫度以及入口質(zhì)量流量等對(duì)推力器性能的影響研究[43]。Amrousse等[44]基于DTA-TG和DSC分析方法，獲得了HAN分解的關(guān)鍵路徑。同時(shí)通過電點(diǎn)火方式，明確了HAN基推進(jìn)劑的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院徒Y(jié)構(gòu)特性，并通過地面點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，獲得了Ir-CuO催化劑性能優(yōu)于shell-405催化劑。之后，他們又基于HAN/H2O/AN/MeOH組分，在20 N級(jí)HAN基推力器上成功實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火測試，分析了不同催化劑對(duì)于推力器內(nèi)燃溫和燃?jí)旱挠绊?，并提出了HAN催化分解過程所經(jīng)歷的三個(gè)階段。Matsumoto等[45]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了SHP163和肼分解產(chǎn)生的氣體對(duì)于推力、比沖和推力效率的影響。HAN基推進(jìn)劑表現(xiàn)出了更加優(yōu)良的性能。

3.4 我國HAN基推進(jìn)系統(tǒng)的研究進(jìn)展

我國從20世紀(jì)90年代末開始，學(xué)者們就開始對(duì)HAN基液體推進(jìn)劑進(jìn)行探索性研究。目前主要圍繞HAN基推進(jìn)劑霧化蒸發(fā)特性，電點(diǎn)火特性以及地面熱試車進(jìn)行研究。覃粒子等[46]基于HAN基推進(jìn)劑，闡述了噴孔面積、喉部面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律。研究表明，噴注器行程和喉部面積是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響最大的參數(shù)。王婕等[4]基于多普勒粒子分析儀獲得了HAN基推進(jìn)劑的理論預(yù)測模型。劉川等[48]研究了1N級(jí)HAN基推力器關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)和測試工作，并成功完成了穩(wěn)態(tài)和脈沖性能的地面熱試車測試。孫得川等[3]通過建立推力室內(nèi)流動(dòng)和傳熱模型，通過數(shù)值模擬方法獲得了物質(zhì)組分的空間分布。中科院大連化學(xué)物理研究所、中國航天801所以及一些高校都開展了推力器點(diǎn)火測試工作。北京控制工程研究所基于實(shí)驗(yàn)、理論和仿真手段開展了面向高可靠性和低成本的推力器內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下關(guān)鍵科學(xué)問題的技術(shù)攻關(guān)，主要包括：推進(jìn)劑與材料相容性、推力器內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦约岸嗫捉橘|(zhì)內(nèi)傳熱傳質(zhì)特性、推力器內(nèi)熱流檢測與控制策略、推力器常溫啟動(dòng)和長穩(wěn)態(tài)高模點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)測試等研究工作，積累了大量的點(diǎn)火測試數(shù)據(jù)和豐富的HAN基推力器設(shè)計(jì)研制經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)應(yīng)用于武器系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

對(duì)于HAN基推進(jìn)劑及其推進(jìn)系統(tǒng)的研究是美國、日本和我國目前關(guān)注的熱點(diǎn)，主要涉及推進(jìn)劑的理化特性、不同模式點(diǎn)火方式選擇，以及不同型號(hào)HAN基推進(jìn)系統(tǒng)點(diǎn)火特性等的研究。其中，電點(diǎn)火方式的引入對(duì)于HAN基推進(jìn)系統(tǒng)的研制提供了良好的思路，但相比催化點(diǎn)火而言，這種點(diǎn)火方式的可靠性和穩(wěn)定性仍有待進(jìn)一步探究。雖然各國提出了不同型號(hào)的推進(jìn)劑和不同量級(jí)的推力系統(tǒng)，但是對(duì)于HAN基推進(jìn)內(nèi)氣液兩相流動(dòng)、燃燒反應(yīng)路徑選擇、輕質(zhì)低成本推力器設(shè)計(jì)和材料選擇等仍需深入的研究。