超低冰點自燃推進(jìn)劑性能分析與發(fā)動機試驗驗證

羅玉宏，蔣榕培，項 鍇，孫海云，方 濤

(北京航天試驗技術(shù)研究所，航天綠色推進(jìn)劑研究與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京100074)

1 引言

近年來，隨著月球探測順利開展，我國制定了更長遠(yuǎn)的深空探測計劃，包括火星、小行星等深空探測任務(wù)，其中火星探測任務(wù)已逐步提上日程，計劃將于2020年開展首次火星探測任務(wù)，2028年前后開展火星表面采樣返回任務(wù)[1]。

低溫、高真空的環(huán)境給深空探測帶來許多技術(shù)上的難題，其中之一就是適用于深空探測的低冰點推進(jìn)劑[2]。如火星表面環(huán)境嚴(yán)酷復(fù)雜，表面溫度為-130～30℃，這對推進(jìn)劑的長期低溫和寬溫域環(huán)境適用性提出了極高要求[3]。目前國內(nèi)外使用的液體自燃推進(jìn)劑的液態(tài)范圍均無法滿足使用要求，如無水肼為1.5～113.5℃，偏二甲肼為-57.2～63.1℃，甲基肼為-52.4～87.5℃，四氧化二氮為-11.2～21.1℃，綠色四氧化二氮MON-1為-12.1～18.0℃、MON-3為-13.6～18.0 ℃[4-5]。 為了保障推進(jìn)劑的正常工作，必須增加長周期熱控保溫設(shè)施，這給火星及深空探測用推進(jìn)系統(tǒng)帶來了極大挑戰(zhàn)[6]。

國內(nèi)外對低冰點自燃推進(jìn)劑的研究主要以肼基燃料和混合氧氮化(MON)系列氧化劑組合為主。由于MON-25(冰點-55.2℃)和甲基肼(冰點-52.4℃)具有相似的低冰點特性，國內(nèi)外針對MON-25與甲基肼(MMH)組合進(jìn)行了系統(tǒng)研究。1999年，NASA和加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)劑實驗室成功進(jìn)行了MON-25/MMH低溫環(huán)境溫度下的發(fā)動機試驗，在低溫條件下并沒有明顯的點火延遲出現(xiàn)[7]。2001年，大西洋研究公司液體推進(jìn)分部和NASA格林研究中心進(jìn)行了10 N雙組元發(fā)動機推進(jìn)器試驗，推進(jìn)劑和發(fā)動機在-40～21℃條件下的試驗都很成功[8-9]。為此，NASA擬采用MMH為燃料，MON-25為氧化劑，用作火星探測飛行器的推進(jìn)劑；劉偉等[10]開展了MON-25/MMH低冰點試驗發(fā)動機的研制；劉江強等[11]進(jìn)行了MON-25/MMH低溫環(huán)境下的發(fā)動機試驗，結(jié)果表明發(fā)動機在-40℃的低溫環(huán)境中能夠順利啟動并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作，具有較高的燃燒效率。綜上所述，雙組元自燃推進(jìn)劑冰點可以降低到-55℃左右，但實際試車的最低溫度在-40℃左右，更低溫度的液體推進(jìn)劑發(fā)動機試車未見報道。因此需要開發(fā)適用于深空探測的超低冰點自燃推進(jìn)劑。

本文針對火星采樣返回任務(wù)超低溫工作環(huán)境對推進(jìn)劑的要求，開展新型超低冰點(冰點≤-100℃)肼基燃料性能研究，完成發(fā)動機試車驗證，為未來超低冰點推進(jìn)劑在火星上升器動力系統(tǒng)的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 試驗過程

2.1 配方設(shè)計與篩選

2.1.1 超低冰點燃料

在現(xiàn)用的肼基燃料基礎(chǔ)上，通過引入含有NN、C-N鍵的高張力結(jié)構(gòu)，設(shè)計了9種不同取代基團(tuán)和空間構(gòu)型的新型功能化合物。通過量化計算軟件，對不同功能化合物的鍵能和生成熱進(jìn)行計算與分析，確定能量特性。通過分子動力學(xué)模擬軟件，對功能化合物模擬體系的擴散系數(shù)和內(nèi)聚能進(jìn)行計算分析，確定降冰點特性。綜合功能化合物的能量特性和降冰點特性，篩選出3種具備高熱值、降冰點特性的目標(biāo)功能化合物，采用合成逆設(shè)計技術(shù)和可控定向合成，成功制備出3種功能化合物，命名為JB-1、JB-2和JB-3。以肼基燃料和功能化合物為基礎(chǔ)，利用功能化合物的降冰點效應(yīng)和肼基燃料的自燃活性，通過模擬計算與試驗測試確定最佳混配比例，制備出了3種超低冰點燃料(冰點均低于-100℃)，命名為DB-1、DB-2和 DB-3。

2.1.2 超低冰點氧化劑

以氧化劑N2O4為基礎(chǔ)，通過加入不同量的NO，構(gòu)成MON，可有效降低氧化劑冰點。本研究分別以自制的MON-25、MON-34為氧化劑，NO含量分別為 25%、34%。其中 MON-34的冰點為-107℃，沸點為-23℃。

2.2 性能測試

2.2.1 理化性能測試

利用分析儀器，對新型DB-X(1，2，3)系列燃料的冰點、沸點、密度、粘度等理化性能進(jìn)行測試研究。

2.2.2 比沖性能計算

模擬發(fā)動機工作使用環(huán)境，選擇MON-34作為氧化劑，采用內(nèi)部開發(fā)熱力比沖計算軟件(基于最小自由能的方法建立的)，計算超低冰點燃料DB-X(1，2，3)系列與 MON-34的真空理論比沖，并與MON-25/MMH進(jìn)行對比。發(fā)動機工作模擬條件：燃燒室壓力為2.0 MPa；面積比為100。

2.2.3 自燃特性研究

由于MON-34的飽和蒸汽壓較高而不易操作，選擇MON-25為氧化劑，利用高速攝影儀和點滴試驗裝置，研究評價了 DB-X(1，2，3)系列與MON-25的著火性能。

2.3 試車驗證

為了驗證新型低冰點推進(jìn)劑的燃燒性能，采用10 N發(fā)動機進(jìn)行了地面熱試車試驗，發(fā)動機工作參數(shù)見表1，試驗系統(tǒng)見圖1。

表1 10 N發(fā)動機工作參數(shù)Table 1 10 N engine operating parameters

發(fā)動機試車過程的燃燒效率按式(1)計算。推力室工作時，實際特征速度C實測數(shù)據(jù)計算得到，理論特征速度由熱力計算軟件計算得到。

圖1 試驗系統(tǒng)圖Fig.1 Test system diagram

式中：ηc為燃燒效率，C*為實際特征速度，為理論特征速度，為燃燒室壓，At為面積比，qm為推進(jìn)劑流量。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 超低冰點肼基燃料性能

3.1.1 理化性能

DB-X(1，2，3)系列燃料基本理化性能測試結(jié)果見表2。結(jié)果表明，新型超低冰點燃料DB-X(1，2，3)具有很寬的液態(tài)范圍，冰點均低至-100℃，沸點高于50℃，可滿足深空探測超低溫環(huán)境工作要求。

表2 超低冰點燃料DB系列的基本理化參數(shù)(20℃)Table 2 Basic physical and chemical properties of ultralow freezing point DB series fuels(20℃)

3.1.2 比沖性能

新型推進(jìn)劑組合理論比沖計算結(jié)果如圖2所示。結(jié)果可知，在混合比1.0～3.0區(qū)間，超低冰點燃料DB-X(1，2，3)系列的理論比沖隨著氧燃比的增大而升高，其中新型推進(jìn)劑組合的理論比沖大小順序為MON-34/DB-3＞MON-34/DB-1＞MON-34/DB-2。根據(jù)試驗測定新型燃料生成焓大小順序為DB-3＞DB-1＞DB-2，比沖計算值大小順序與其一致，說明比沖對比計算準(zhǔn)確。在氧燃比大于2.6時，MON-34/DB-3理論比沖大于MON-25/MMH；在氧燃比大于2.8時，MON-34/DB-2理論比沖大于MON-25/MMH。在理論混合比為 3.0 時，MON-34/DB-X(1，2，3)的理論比沖分別為358.2 s、355.7 s和359.7 s，說明3種DB系列超低冰點燃料均具有較高的理論比沖性能。

圖2 超低冰點燃料DB系列和MMH的理論比沖對比Fig.2 Theoretical specific impulse comparison of ultra-low freezing point DB series fuels and MMH

3.1.3 自燃特性

根據(jù)點滴試驗結(jié)果(圖3)可知，超低冰點燃料DB系列與氧化劑MON-25在常低溫下均可自燃，常溫著火延遲期為4～6 ms，-80℃(燃料)條件下為20～30 ms，說明DB系列超低冰點燃料與氧化劑具備較高的自燃活性。

圖3 超低冰點雙組元推進(jìn)劑點滴試驗Fig.3 Dropping test of ultra-low freezing point bipropellant

3.2 試驗驗證

3.2.1 常溫地面熱試車

為了驗證 DB-1、DB-2的燃燒性能，選擇MON-25為氧化劑進(jìn)行常溫?zé)嵩囓囋囼?。試車程序以短穩(wěn)態(tài)＋脈沖為主，發(fā)動機工作狀態(tài)見圖4，發(fā)動機典型工作曲線見圖5～6，不同氧燃比條件下的燃燒效率見圖7。

圖4 MON-25/DB-X(X-1，2)組合的發(fā)動機工作狀態(tài)Fig.4 Working status of engine for MON-25/DB-X(X-1，2)propellant combination

圖5 MON-25/DB-X(X-1，2)組合的發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作曲線Fig.5 Steady state operating curve of engine for MON-25/DB-X(X-1，2)propellant combination

從發(fā)動機試車結(jié)果可知，MON-25/DB-1、MON-25/DB-2推進(jìn)劑組合在發(fā)動機點火試驗中工作平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)啟動壓力尖峰，燃燒室壓力粗糙度小于0.7%，氧燃比在1.5～2.5，燃燒效率達(dá)0.91左右，與MON-25/MMH(＞0.9)接近。說明MON-25/DB-1、MON-25/DB-2推進(jìn)劑組合與發(fā)動機匹配度高，且新型燃料DB-1、DB-2具有良好的燃燒性能。

為了驗證DB-3的燃燒性能，選擇MON-34為氧化劑進(jìn)行常溫?zé)嵩囓囋囼?。試車程序以短穩(wěn)態(tài)為主，發(fā)動機工作狀態(tài)見圖8，發(fā)動機典型工作曲線見圖9，不同氧燃比條件下的燃燒效率見圖10。

圖6 MON-25/DB-X(X-1，2)組合的發(fā)動機脈沖工作曲線Fig.6 Pulse operating curve of engine for MON-25/DB-X(X-1，2)propellant combination

圖7 MON-25/DB-X(X-1，2)組合在不同混合比下的燃燒效率Fig.7 Combustion efficiency of MON-25/DB-X(X-1，2)combination under different mixing ratios

圖8 MON-34/DB-3組合的發(fā)動機工作狀態(tài)Fig.8 Working status of engine for MON-34/DB-3 propellant combination

圖9 MON-34/DB-3組合的發(fā)動機常溫試車穩(wěn)態(tài)典型工作曲線Fig.9 Steady state operating curve of engine for MON-34/DB-3 propellant combination

圖10 MON-34/DB-3組合在不同混合比下的燃燒效率Fig.10 Combustion efficiency of MON-34/DB-3 combination under different mixing ratios

從發(fā)動機試車結(jié)果可知，MON-34/DB-3推進(jìn)劑組合在10 N發(fā)動機點火試驗中工作平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)啟動壓力尖峰，燃燒室壓力粗糙度小于0.8%，氧燃比在1.8～2.2范圍時燃燒效率達(dá)0.91左右，與MON-25/MMH(＞0.9)接近。說明在常溫環(huán)境中超低冰點燃料DB-3與超低冰點氧化劑MON-34可自燃，MON-34/DB-3組合與發(fā)動機匹配度高，且新型燃料DB-3在常溫下具有良好的燃燒性能，具備了進(jìn)一步開展低溫試驗的基礎(chǔ)。

3.2.2 低溫地面熱試車

為了進(jìn)一步驗證DB-3的低溫燃燒性能，選擇MON-34為氧化劑進(jìn)行了低溫?zé)嵩囓囋囼?。試驗條件：燃料與氧化劑箱溫均低至-60℃(測溫點共9個，均勻分布在儲箱內(nèi)壁四周，推進(jìn)劑在儲箱中冷卻12 h以上，保證推進(jìn)劑溫度與儲箱溫度一致)，燃料在發(fā)動機燃燒室入口溫度低至-25℃，氧化劑在發(fā)動機燃燒室入口溫度低至-30℃。試車程序以短穩(wěn)態(tài)為主，發(fā)動機工作狀態(tài)見圖11，發(fā)動機工作曲線見圖12，不同氧燃比條件下的燃燒效率見圖13。

圖11 MON-34/DB-3組合的發(fā)動機低溫工作狀態(tài)Fig.11 Low temperature working status of engine for MON-34/DB-3 propellant combination

圖12 MON-34/DB-3組合的發(fā)動機低溫試車穩(wěn)態(tài)典型工作曲線Fig.12 Low temperature steady state operating curve of engine for MON-34/DB-3

圖13 低溫下MON-34/DB-3組合在不同混合比下的燃燒效率Fig.13 Low temperature combustion efficiency of MON-34/DB-3 under different mixing ratios

從發(fā)動機試車結(jié)果可知，超低冰點推進(jìn)劑組合MON-34/DB-3在發(fā)動機點火試驗中工作平穩(wěn)，啟動壓力尖峰較小，燃燒室壓力粗糙度小于6.8%，氧燃比在1.7～1.9范圍時，燃燒效率達(dá)0.90左右，與MON-25/MMH(＞0.9)接近。說明在低溫(10～-30℃)環(huán)境中超低冰點燃料DB-3與超低冰點氧化劑MON-34可自燃，MON-34/DB-3超低冰點推進(jìn)劑組合與發(fā)動機匹配度高，且新型燃料DB-3在低溫下具有良好的燃燒性能。

4 結(jié)論

1)設(shè)計合成出3種冰點低至-100℃、沸點高于50℃的新型燃料DB-1、DB-2和DB-3。

2)DB系列具有液態(tài)范圍寬、可自燃、高比沖等優(yōu)點。

3)通過10 N發(fā)動機點火試驗，初步驗證了新型低冰點推進(jìn)劑在常溫、低溫條件下均具有良好的燃燒性能，燃燒效率達(dá)0.9左右。

后續(xù)針對深空超低溫環(huán)境要求，繼續(xù)開展推進(jìn)劑在-60～-100℃環(huán)境溫度下的發(fā)動機試驗研究與驗證，為今后發(fā)動機研制及深空探測任務(wù)的開展實施奠定基礎(chǔ)。