新型加熱器在運(yùn)載火箭綠色單元發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

劉 俊，邱 鑫，段德莉

（1.上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112；2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112；3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

0 引言

肼類推進(jìn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、運(yùn)載火箭等領(lǐng)域［1-2］，其中，肼（N2H4）單組元推進(jìn)系統(tǒng)具有高毒性、易燃性的特點(diǎn)，不僅會(huì)對(duì)人的生命和健康造成嚴(yán)重的威脅，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染［3］。為了能消除肼類推進(jìn)劑的危害，國(guó)內(nèi)外從20 世紀(jì)90年代開始研究新型綠色單元發(fā)動(dòng)機(jī)，采用的推進(jìn)劑主要是HAN（硝酸羥胺）［4］、ADN（二硝酰胺銨）［5］等。這類推進(jìn)劑與肼類推進(jìn)劑相比，具有無(wú)毒無(wú)污染，較高的密度比沖，能夠?qū)崿F(xiàn)快速組裝、快速測(cè)試，降低生產(chǎn)、發(fā)射和使用維護(hù)成本等優(yōu)勢(shì)［4］。

綠色單元發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)有毒肼類發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同，也是由電磁閥、噴注器、催化床和噴管組成，由于綠色推進(jìn)劑熱穩(wěn)定性比肼類推進(jìn)劑強(qiáng)，催化活性比肼類推進(jìn)劑差，一般采用預(yù)加熱方式保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。運(yùn)載火箭用綠色單元發(fā)動(dòng)機(jī)需要預(yù)熱到120℃以上啟動(dòng)［7］，衛(wèi)星用1 N 綠色單元發(fā)動(dòng)機(jī)需要預(yù)熱到300℃以上才能啟動(dòng)［8］。

2006年開始，上?？臻g推進(jìn)研究所聯(lián)合中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所等研究單位合作開展了綠色單元發(fā)動(dòng)機(jī)研究。經(jīng)過10 多年的研究，綠色單元發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)形成型譜化，1 N、60 N、150 N、250 N 和400 N 發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)突破了關(guān)鍵技術(shù)，將轉(zhuǎn)入型號(hào)應(yīng)用階段［9-10］。一套運(yùn)載火箭姿控動(dòng)力系統(tǒng)有12～16臺(tái)不同推力姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，按照傳統(tǒng)加熱方式，發(fā)動(dòng)機(jī)總加熱功率預(yù)計(jì)超過2 kW。為了降低推進(jìn)系統(tǒng)的總功耗，有必要對(duì)加熱器進(jìn)行優(yōu)化。本文對(duì)研制的兩種新型加熱器進(jìn)行了對(duì)比研究，選出適合運(yùn)載火箭用綠色單元發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱方案。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)用加熱器研究現(xiàn)狀

1.1 肼類衛(wèi)星用發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器

運(yùn)載火箭用肼類發(fā)動(dòng)機(jī)由于工作時(shí)間短，不需要加熱器進(jìn)行加熱。衛(wèi)星用肼類單組元長(zhǎng)壽命催化分解發(fā)動(dòng)機(jī)通過加熱器加熱，使催化床達(dá)到一定的啟動(dòng)溫度，以保證催化床的工作壽命［11-12］。帶加熱器的衛(wèi)星用5 N 發(fā)動(dòng)機(jī)如圖1 所示。

圖1 帶加熱器的衛(wèi)星用5 N 發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.1 5 N thruster with heater for satellite

1990年，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所接受航天科技集團(tuán)的委托，研制衛(wèi)星用1 N、20 N 無(wú)水肼發(fā)動(dòng)機(jī)鎧裝加熱器，經(jīng)過7年多努力，1998年底“資源一號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射入軌，鎧裝加熱器運(yùn)行正常，標(biāo)志著衛(wèi)星用鎧裝加熱器研制取得成功，目前已成為衛(wèi)星用催化分解發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。研制的鎧裝電加熱器主要由工作段、保護(hù)段、過渡引出段、固封段及外引線等部分通過專門工藝組合而成。采用NiCr 合金做電熱材料，石英玻璃作為絕緣材料，不銹鋼材料作為外殼，可以承受肼類發(fā)動(dòng)機(jī)的900℃高溫，在固封段選用的材料為改性聚乙烯熱縮塑料、空間用環(huán)氧樹脂膠、不飽和聚脂玻璃鋼和薄壁鎳管，起到隔熱固封的作用［13］。

國(guó)外方面，鎧裝加熱器用于肼推力器加熱的技術(shù)已較為成熟。法國(guó)THERMOCOAX 公司生產(chǎn)的鎧裝加熱器，額定電壓為14～28 V，功率為1.5～3.2 W，耐熱能力1 000℃，加熱密度達(dá)到5 W/cm2，使用壽命12 a，外殼采用inconel 600 超級(jí)合金，加熱材料為NiCr 合金，加熱器累計(jì)生產(chǎn)1 500 件以上，如圖2所示。

圖2 THERMOCOAX 公司肼發(fā)動(dòng)機(jī)催化床加熱器Fig.2 Catalyst heater for the hydrazine thruster of THERMOCOAX

THERMOCOAX 公司針對(duì)ECAPS 公司ADN基HPGP 發(fā)動(dòng)機(jī)研制了新型催化床鎧裝加熱器，額定電壓為28 V，功率為2～10 W，耐熱能力1 000℃，可以將1 N 發(fā)動(dòng)機(jī)的催化床溫度加熱到450℃，如圖3 所示［12］。

1.2 綠色單元發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器研制歷程

典型HAN 基推進(jìn)劑的主要成分：氧化劑為硝酸羥胺、燃料為甲醇，水為溶劑。推進(jìn)劑的主要催化燃燒過程如下［14］：

圖3 THERMOCOAX 公司ADN 發(fā)動(dòng)機(jī)催化床加熱器Fig.3 Catalyst heater for the ADN HPGP thruster of THERMOCOAX

1）硝酸羥胺需要預(yù)熱一定溫度條件才能在催化劑的作用下發(fā)生催化分解反應(yīng)，硝酸羥胺分解成氮?dú)?、一氧化氮、水等產(chǎn)物，釋放20%能量，方程式為

2）硝酸羥胺分解產(chǎn)物和甲醇在高溫下發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，釋放80%能量，典型方程式為

2001年，HAN 基發(fā)動(dòng)機(jī)需要預(yù)熱400℃才能平穩(wěn)啟動(dòng)，工作次數(shù)少且性能較差［15］，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)加熱功率數(shù)百瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過航天器能夠承受的加熱功率。經(jīng)過10 多年的研究，到2014年，60 N 推力HAN基發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)熱120℃啟動(dòng)，累計(jì)工作1 200 s，脈沖次數(shù)1 000 個(gè)［7］。

60 N 發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱方案為鎧裝加熱絲纏繞在發(fā)動(dòng)機(jī)催化床外表面加熱的方案，加熱功率達(dá)到65 W，如圖4（a）所示。為了降低加熱功率，通過分析認(rèn)為，推進(jìn)劑和催化劑初始接觸在催化劑前部，催化劑前部加熱最重要，加熱方案改為只加熱催化床前部，如圖4（b）所示。加熱器加熱功率降低到35 W，說明減少加熱區(qū)域可以顯著降低加熱功率。試車結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)性能沒有下降，證明改進(jìn)方案有效。

航天器總體提出預(yù)熱功率低于30 W 的需求，加上鎧裝加熱絲和高溫導(dǎo)線之間采用磷酸焊方式焊接，耐溫能力低于200℃，鎧裝加熱絲只能一次性使用且加熱效率偏低，因此，需要開展鎧裝加熱器研究。

圖4 早期的加熱方案Fig.4 Early heating schemes

綠色單元發(fā)動(dòng)機(jī)用鎧裝加熱器和衛(wèi)星用肼發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器相比，難度大幅度增加。體現(xiàn)在：1）加熱功率大幅度增加，功率從幾瓦增加到幾十瓦；2）發(fā)動(dòng)機(jī)工作的最高溫度達(dá)到了1 100℃以上，對(duì)加熱器耐溫能力提出更高要求。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的兩種外加熱器具體外形結(jié)構(gòu)如圖5 所示。這兩種加熱器均主要由鎧裝加熱段、連接段、高溫導(dǎo)線和保溫段組成，外殼采用GH3218 高溫合金，加熱材料為NiCr 合金，中間填充耐高溫絕緣材料。

兩種不同加熱器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，如圖6 所示。與管式鎧裝加熱器的加熱段為圓柱型不同，弧式加熱器的加熱段是一個(gè)半圓弧狀，加熱體放置在半圓弧狀內(nèi)側(cè)。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)能受熱均勻，共采用5 根管式加熱器均勻分布在催化床周圍，平均每根管式加熱器加熱功率為5.6 W，總功率28 W，發(fā)熱體的功率密度值達(dá)到1.34 W/cm2；由于弧式加熱器的其加熱段為半圓弧狀，需要2 個(gè)弧式加熱器共同使用，每個(gè)加熱器的加熱功率為14 W，共28 W，發(fā)熱體的功率密度值達(dá)到1.24 W/cm2。

圖6 兩種類型的加熱器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上Fig.6 Two types of heaters installed on thruster

2 仿真計(jì)算

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)加熱過程的溫度場(chǎng)與各組件的形狀、材料特性密切相關(guān)，因此，在運(yùn)用幾何建模時(shí)采用各組件仿真，一些組件與實(shí)物形狀一致，包括帶法蘭的集合器、支架、分解室、噴管，部分組件進(jìn)行了簡(jiǎn)化：1）電磁閥采用圓柱體的形式，不考慮內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；2）發(fā)動(dòng)機(jī)分解室內(nèi)催化床裝填了致密的顆粒狀催化劑，認(rèn)為催化床為一實(shí)心圓柱狀實(shí)體；3）由于毛細(xì)管是外徑為0.6 mm 的薄壁細(xì)管，熱阻很大且熱容很小，對(duì)加熱的影響忽略不計(jì)，計(jì)算時(shí)予以排除；4）認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)各組件之間均充分接觸，不存在接觸熱阻。

為保證熱分析仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)于各組件的導(dǎo)熱系數(shù)λ，采用隨溫度而變化的值。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在真空條件下加熱，仿真時(shí)不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)與外界環(huán)境對(duì)流換熱，只有輻射換熱。計(jì)算時(shí)，認(rèn)為環(huán)境溫度為常溫，溫度設(shè)置為20℃。

2.2 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

分別采用管式加熱器與弧式加熱器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加熱，在同一加熱功率（28 W）下發(fā)動(dòng)機(jī)催化床內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真云圖如圖7 所示。

圖7 催化床內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)云圖Fig.7 Contours of the steady temperature field in the catalyst chamber

從圖7中可以看出：管式加熱器與弧式加熱器分別將發(fā)動(dòng)機(jī)殼體加熱到最高溫度245℃和249℃，從云圖來看，兩種加熱器可以滿足將發(fā)動(dòng)機(jī)催化床加熱到120℃的目的。

從圖7中還可以看出：管式加熱器由于抵觸面小，高溫區(qū)主要在加熱器上，弧式加熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)外壁接觸面大高溫區(qū)已經(jīng)深入到催化劑內(nèi)部。對(duì)于采用管式加熱器加熱的發(fā)動(dòng)機(jī)，催化床前床催化劑溫度范圍在201～231℃，后床催化劑溫度范圍在172～201℃；對(duì)于采用弧式加熱器加熱的發(fā)動(dòng)機(jī)，催化床前床溫度范圍在219～249℃，后床催化劑溫度范圍在190～219℃。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器的目的是加熱催化劑，在相同功率下，催化劑加熱溫度越高加熱效果越好，因此，弧式加熱器加熱催化劑的效果比管式加熱器要好。

2.3 瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

為了研究有限時(shí)間條件下加熱器的加熱效果，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加熱過程進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真計(jì)算。加熱1 800 s 后發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)仿真云圖如圖8 所示。

圖8 加熱1 800 s 后發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)仿真云圖Fig.8 Contours of the temperature field of the thrust after heating for 1 800 s

從圖8中可以看出：采用管式加熱器加熱時(shí)溫度場(chǎng)最高溫度達(dá)到174℃，而弧式加熱器加熱時(shí)溫度場(chǎng)最高溫度達(dá)到154℃，最高溫度均在加熱器上。主要原因：管式加熱器的加熱功率密度大，在相同的加熱功率下，管式加熱器自身溫度上升更快。加熱效果是由催化床溫度的高低和均勻度體現(xiàn)的，因此，管式加熱器本身溫度高不代表加熱效果好。

發(fā)動(dòng)機(jī)催化床中催化劑溫度分布如圖9 所示。對(duì)于采用管式加熱器加熱的發(fā)動(dòng)機(jī)，催化床前床催化劑溫度范圍在127～150℃，催化床后床溫度范圍在92～127℃；對(duì)于采用弧式加熱器加熱的發(fā)動(dòng)機(jī)，催化床前床催化劑溫度范圍在124～154℃，催化床后床溫度范圍在104～134℃。從催化床的平均溫度和溫度均勻上來看，弧式加熱器要比管式加熱器好，因此，弧式加熱器在有限時(shí)間上加熱效果也優(yōu)于管式加熱器。

圖9 瞬態(tài)加熱催化床內(nèi)溫度云圖Fig.9 Temperature contours in the catalyst chamber after transient heating

3 加熱試驗(yàn)驗(yàn)證

為對(duì)比這兩種加熱器的實(shí)際加熱效果，在60 N發(fā)動(dòng)機(jī)真空熱試車前進(jìn)行兩種外加熱器在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)站加熱試驗(yàn)，并記錄下發(fā)動(dòng)機(jī)同一處溫度隨時(shí)間的變化曲線。兩種不同加熱器的加熱功率均設(shè)定為28 W，設(shè)定加熱目標(biāo)為120℃。兩種加熱器在試車前后結(jié)構(gòu)完好，絕緣電阻大于100 MΩ，說明加熱器強(qiáng)度都滿足使用要求。

3.1 加熱試驗(yàn)的溫度測(cè)點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)真空熱試車前進(jìn)行加熱試驗(yàn)的溫度測(cè)點(diǎn)如圖10 所示。

3.2 加熱試驗(yàn)和仿真的對(duì)比分析

兩種加熱方案的測(cè)溫點(diǎn)3 600 s 的加熱過程溫度仿真曲線如圖11 所示。由于協(xié)調(diào)的問題，管式加熱器的加熱數(shù)據(jù)從50℃開始采集，弧式加熱器的加熱數(shù)據(jù)從常溫開始采集，加熱數(shù)據(jù)的采集在測(cè)溫點(diǎn)超過130℃后主動(dòng)停止。兩種加熱方案的測(cè)溫點(diǎn)加熱過程溫度試驗(yàn)曲線如圖12 所示。由于發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)定加熱目標(biāo)為120℃，因此，兩種加熱器的仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比區(qū)域限定為50～120℃，兩種加熱方案的試驗(yàn)和仿真具體對(duì)比結(jié)果見表1。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫點(diǎn)Fig.10 Temperature measuring point of the thrust

圖11 測(cè)溫點(diǎn)的3 600 s 加熱仿真曲線Fig.11 Simulation curves of the temperature measuring point during 3 600 s heating

表1 從50℃加熱到120℃的加熱時(shí)間對(duì)比Tab.1 Comparison of the heating time from 50oC to 120oC

從表1中可以看出：加熱試驗(yàn)中弧式加熱器的加熱性能比管式加熱器的加熱性能要好，與加熱器仿真計(jì)算獲得的結(jié)論是一致。從表1中還可以看出，加熱試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到預(yù)定溫度的時(shí)間明顯比仿真計(jì)算長(zhǎng)，主要有3 個(gè)原因：1）發(fā)動(dòng)機(jī)固定在推力架上，加熱的熱量會(huì)向推力架導(dǎo)熱，而仿真時(shí)未考慮；2）加熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間存在接觸熱阻，而仿真時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化認(rèn)為沒有；3）發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)位置和真空引射筒很近（見圖10），發(fā)動(dòng)機(jī)周圍環(huán)境存在著對(duì)流，而仿真時(shí)未考慮。

圖12 測(cè)溫點(diǎn)的加熱試驗(yàn)曲線Fig.12 Heating test curves of the temperature measuring point

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)兩種單元發(fā)動(dòng)機(jī)用加熱器進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在相同的功率條件下，管式加熱器與弧式加熱器均能將發(fā)動(dòng)機(jī)加熱至起動(dòng)溫度，但弧式加熱器的加熱效果明顯要比管式加熱器好。