化學(xué)-電噴雙模推進(jìn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及展望

吳勤勤，劉欣宇，鄧涵文，康小明

上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240

20世紀(jì)80年代末期以來，隨著微加工技術(shù)、微電子技術(shù)、空間技術(shù)的發(fā)展，小衛(wèi)星得到人們的廣泛關(guān)注。與中高軌大型衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星成本低，應(yīng)急能力與靈活性強(qiáng)，系統(tǒng)建設(shè)周期短，可用于專用通信、遙感、快速反應(yīng)等科學(xué)、軍事任務(wù)和一些技術(shù)試驗(yàn)[1]。尤其是100 kg以下的微納衛(wèi)星，它們質(zhì)量小，體積小，可以進(jìn)行編隊(duì)飛行，具有很高的軍事應(yīng)用價(jià)值[2-3]。隨著航天任務(wù)需求的不斷提升，對小衛(wèi)星指向精度、快速機(jī)動等能力的要求越來越高，為了滿足這些任務(wù)要求，需要為小衛(wèi)星配備體積小、質(zhì)量小、功率低、比沖高、推力大范圍可調(diào)且控制精度高的微推進(jìn)系統(tǒng)[4-5]。

傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)或電推進(jìn)都在小衛(wèi)星上有過實(shí)際應(yīng)用，歐洲航天局曾在LISA Pathfinder飛船上采用化學(xué)推力器完成軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，同時(shí)也搭載了膠體推力器、離子液體電噴推力器進(jìn)行姿態(tài)控制、軌道保持和無拖曳控制[6-7]。但由于各自的特點(diǎn)和適用范圍不同，兩種模式單獨(dú)執(zhí)行任務(wù)時(shí)均存在一定的局限性?；瘜W(xué)推進(jìn)比沖低，推進(jìn)劑攜帶量大，降低了衛(wèi)星的有效載荷；電推進(jìn)推力小，執(zhí)行任務(wù)需要的時(shí)間長，難以完成突發(fā)的緊急任務(wù)。對于復(fù)雜的航天任務(wù)，需要同時(shí)搭載多個(gè)推力器，方案復(fù)雜，因此微推進(jìn)系統(tǒng)開始向化學(xué)與電相結(jié)合的雙模推進(jìn)方向發(fā)展。

雙模推進(jìn)是指將兩種推進(jìn)模式集成到單個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)中，不同推進(jìn)模式可以交替工作?；瘜W(xué)與電相結(jié)合的雙模推進(jìn)概念從20世紀(jì)90年代開始提出，目前國際上已經(jīng)對多種不同推力器組成的雙模推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。其中，因?yàn)閱谓M元液體火箭發(fā)動機(jī)和離子液體電噴推力器相比其他推力器結(jié)構(gòu)更簡單，便于雙模推進(jìn)系統(tǒng)的小型化、輕量化、一體化，并且都能以離子液體作為推進(jìn)劑，便于雙模推進(jìn)劑的選擇，因此兩者相結(jié)合的推進(jìn)系統(tǒng)成為雙模推進(jìn)的最佳選擇之一，近年來受到了最多關(guān)注，也是本文的研究重點(diǎn)。

單組元-電噴雙模推進(jìn)系統(tǒng)將化學(xué)推進(jìn)與電推進(jìn)的性能集合在一起，既有高比沖工作模式，又有微牛量級至毫牛量級較寬的推力范圍。與單一化學(xué)推進(jìn)或電推進(jìn)相比，雙模推進(jìn)的適用范圍更廣，能夠完成的任務(wù)種類更多，可以作為多種小衛(wèi)星的微推進(jìn)系統(tǒng)，勢必會在未來的空間推進(jìn)中發(fā)揮重要作用。本文介紹了單組元-電噴雙模推進(jìn)系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)，并重點(diǎn)對其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了綜述與展望。

1 雙模推進(jìn)系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

1.1 雙模推進(jìn)系統(tǒng)的原理

單組元液體火箭發(fā)動機(jī)是一種基于燃燒的推進(jìn)系統(tǒng)，通常由噴注器、分解室(或燃燒室)和噴管等部件組成[8]，如圖1(a)所示。離子液體電噴推力器是一種基于靜電噴射原理研制的推力器，主要由發(fā)射極、吸極、推進(jìn)劑儲箱和殼體組成[9]，如圖1(b)所示。雙模推進(jìn)系統(tǒng)將這兩種模式集成在一起，分別在結(jié)構(gòu)、推進(jìn)劑、推進(jìn)機(jī)理等方面將兩種模式融合。

圖1 典型推力器示意[10]Fig.1 Schematic diagrams of typical thrusters[10]

單組元液體火箭發(fā)動機(jī)和離子液體電噴推力器的結(jié)構(gòu)都較為簡單，部件較少，易于集成合并。因此，為了簡化推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與加工，兩種模式共用同一推力器結(jié)構(gòu)。將單組元化學(xué)推進(jìn)需要的噴注器、分解室(或燃燒室)與電噴推進(jìn)需要的發(fā)射極、吸極集成在同一個(gè)推力器上，并將分解室(或燃燒室)、噴管等結(jié)構(gòu)與發(fā)射極簡化合并為同一個(gè)部件，采用既可做發(fā)射極又可做單組元推進(jìn)劑催化劑的材料加工。集成后的推力器包含兩種模式需要的所有部件，這些部件在每種模式下發(fā)揮不同的作用。

單組元化學(xué)推進(jìn)和電噴推進(jìn)的原理不同，常用推進(jìn)劑也不同。若雙模推進(jìn)系統(tǒng)攜帶兩種推進(jìn)劑，航天任務(wù)結(jié)束后它們可能未被同時(shí)耗盡，仍有某種推進(jìn)劑剩余，這會導(dǎo)致航天器產(chǎn)生多余功耗。為了避免這種情況，同時(shí)提高航天器的空間利用率，兩種模式共用同一種推進(jìn)劑。近年來國際上最常用的電噴推進(jìn)劑是離子液體，它是一種在室溫下為液態(tài)的熔融鹽，具有良好的導(dǎo)電性和可忽略不計(jì)的飽和蒸氣壓[9]。常用的單組元推進(jìn)劑包括肼、硝酸羥銨(HAN)、過氧化氫、混氨等[8]，其中HAN基推進(jìn)劑也是一種新型離子液體推進(jìn)劑，綠色無毒[11]。兩種推進(jìn)模式的常用推進(jìn)劑雖然不同，但都包含離子液體，意味著可能存在某種離子液體可以在兩種模式中通用。因此，目前國內(nèi)外主要以離子液體作為潛在雙模推進(jìn)劑進(jìn)行研究。

當(dāng)雙模推進(jìn)系統(tǒng)在化學(xué)推進(jìn)模式下工作時(shí)，催化劑通過電阻通電或其他方法被加熱，流過催化劑部件的推進(jìn)劑發(fā)生催化分解放熱反應(yīng)，生成高溫高壓燃?xì)?，?jīng)推力器高速噴出產(chǎn)生推力[8]，如圖2(a)所示，這個(gè)過程中催化劑部件為推進(jìn)劑的催化分解提供場地，不作為發(fā)射極工作，同時(shí)吸極沒有參與整個(gè)反應(yīng)。由于隨機(jī)熱碰撞造成能量損失，化學(xué)推進(jìn)模式的比沖受到限制[10]，但它能提供大推力，適合于總沖要求大和快速機(jī)動的場合[8]。

圖2 雙模推進(jìn)系統(tǒng)原理[15]Fig.2 Illustration of a dual-mode propulsion system[15]

當(dāng)雙模推進(jìn)系統(tǒng)在電推進(jìn)模式下工作時(shí)，在發(fā)射極和吸極間施加高壓，推進(jìn)劑在電場作用下流向發(fā)射極尖端，受表面張力和電場力共同作用形成泰勒錐，隨著發(fā)射極尖端場強(qiáng)增大，進(jìn)而電離出帶電離子或離子與液滴的混合物，被電場吸出加速發(fā)射從而產(chǎn)生推力[12-13]，如圖2(b)所示。這個(gè)過程中催化劑部件作為發(fā)射極工作，為推進(jìn)劑輸運(yùn)和電離提供載體，不起催化作用。電推進(jìn)模式能提供精確的小推力，同時(shí)因?yàn)楸葲_高，能夠大幅節(jié)省推進(jìn)劑，顯著增加有效載荷，從而延長航天器使用壽命[14]。

1.2 雙模推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

小衛(wèi)星大都需要微牛至毫牛量級的推力，但由于體積和質(zhì)量有限，無法直接使用大衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)，因此需要配備微推進(jìn)系統(tǒng)[16]。雙模推進(jìn)系統(tǒng)整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單，推力范圍完全覆蓋小衛(wèi)星的需求，同時(shí)還共用推進(jìn)劑，很適合于微推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用。總體來看，雙模推進(jìn)系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)提高任務(wù)靈活性

雙模推進(jìn)系統(tǒng)利用兩種模式的自身優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)任務(wù)的不同需求在模式間靈活切換，使它們發(fā)揮各自優(yōu)勢，交替配合。當(dāng)航天器遇到軌道轉(zhuǎn)移、快速軌道機(jī)動等需要大推力、大速度增量的任務(wù)，或者任務(wù)有一定時(shí)間限制時(shí)，雙模推進(jìn)系統(tǒng)切換為化學(xué)推進(jìn)；當(dāng)航天器遇到長時(shí)間、高精度的姿態(tài)控制、位置保持等任務(wù)，或者需要高效率軌道提升和空間巡航時(shí)，雙模推進(jìn)系統(tǒng)切換為電推進(jìn)。

雙模推進(jìn)僅用一個(gè)推力系統(tǒng)就覆蓋了兩種推力模式的任務(wù)種類，能夠完成單一模式無法完成的任務(wù)，拓寬了推進(jìn)系統(tǒng)的適用范圍，實(shí)現(xiàn)了攜帶更少的推力器數(shù)量完成更多的任務(wù)，提高了任務(wù)靈活性。此外，因?yàn)殡p模推進(jìn)系統(tǒng)的任務(wù)范圍廣，在飛行期間航天器還可以根據(jù)需要對任務(wù)計(jì)劃進(jìn)行臨時(shí)更改，增大了任務(wù)設(shè)計(jì)空間[17]。

(2)提高航天器靈活性

在航天器飛行過程中可能會遇到空間碎片等威脅，這就需要系統(tǒng)能夠及時(shí)做出反應(yīng)。因?yàn)榻Y(jié)合了兩種模式的特點(diǎn)，雙模推進(jìn)系統(tǒng)有能力在既定任務(wù)以外解決多種問題，使航天器能夠在突發(fā)情況下根據(jù)需要靈活應(yīng)對。當(dāng)飛行軌道上出現(xiàn)空間碎片，航天器可以通過單組元化學(xué)推進(jìn)對即將發(fā)生的危險(xiǎn)做出快速反應(yīng)改變軌道，并在威脅消退后換用效率更高的電噴推進(jìn)緩慢返回原始軌道；如果沒有遇到威脅，系統(tǒng)可以僅在高比沖的電噴推進(jìn)模式下維持更長時(shí)間的軌道飛行[18]。

(3)減小推進(jìn)系統(tǒng)體積、質(zhì)量

在雙模推進(jìn)系統(tǒng)中，共用推進(jìn)劑和推力器結(jié)構(gòu)使兩種模式下推進(jìn)劑的輸運(yùn)路線相同。因此，為了簡化系統(tǒng)，減少部件數(shù)量，兩種模式還共用推進(jìn)劑儲箱、管路等硬件設(shè)備。這種將兩種模式的結(jié)構(gòu)高度集成化的設(shè)計(jì)，最大程度地減少了推進(jìn)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，使航天器可以攜帶更多的有效載荷，提高了推進(jìn)劑的利用率和航天器的運(yùn)載效率，同時(shí)也降低了推進(jìn)系統(tǒng)的成本，節(jié)省了航天器發(fā)射成本。

2 雙模推進(jìn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

國際上最早關(guān)于不同推進(jìn)模式結(jié)合的研究來源于混合推進(jìn)，美國洛克希德·馬丁公司于20世紀(jì)90年代初開始研制的A2100通信衛(wèi)星平臺就采用了霍爾效應(yīng)推力器和肼單組元液體火箭發(fā)動機(jī)混合的推進(jìn)系統(tǒng)[15,19]。混合推進(jìn)的概念與雙模推進(jìn)有所區(qū)別，在混合推進(jìn)系統(tǒng)中，航天器雖然也有兩種或兩種以上的推進(jìn)模式，但不同模式的推力器是相互獨(dú)立的，不共享推進(jìn)劑。

在混合推進(jìn)的基礎(chǔ)上，化學(xué)推進(jìn)與電推進(jìn)集成的雙模推進(jìn)被提出并逐漸受到關(guān)注。近年來國內(nèi)外的學(xué)者對多種冷氣或化學(xué)推進(jìn)與電推進(jìn)結(jié)合的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，它們在理論分析或?qū)嶒?yàn)中都表現(xiàn)出良好的性能，有些也已經(jīng)投入航天應(yīng)用，國際上已有的雙模推進(jìn)系統(tǒng)研究概況如表1所示。

相比其他種類的雙模推進(jìn)系統(tǒng)，單組元-電噴雙模推進(jìn)起步較晚，盡管已經(jīng)在學(xué)術(shù)界廣泛討論了一段時(shí)間，但在2010年之前幾乎沒有針對性的研究，近10年來才開始有國內(nèi)外高校和機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行探索。

表1 化學(xué)與電結(jié)合的雙模推進(jìn)系統(tǒng)研究進(jìn)展[15]

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外關(guān)于單組元-電噴推進(jìn)系統(tǒng)的研究主要來自于美國密蘇里科技大學(xué)，它也是在此方面研究成果最多的一所高校。此外，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校和英國南安普頓大學(xué)也都在單組元-電噴雙模推進(jìn)方面有一定的研究成果。

(1)雙模推進(jìn)劑的研究

美國密蘇里科技大學(xué)最早從2010年開始進(jìn)行有關(guān)雙模推進(jìn)的研究，最先從推進(jìn)劑入手，致力于在綠色無毒的離子液體中尋找合適的雙模推進(jìn)劑。Donius 等選擇了10種有潛力的離子液體，對其與常見氧化劑結(jié)合后的推進(jìn)性能進(jìn)行評估，并與傳統(tǒng)單組元推進(jìn)劑肼和偏二甲肼(unsymmetrical dimethylhydrazine, UDMH，)進(jìn)行對比[30]。結(jié)果顯示，在化學(xué)推進(jìn)中，雖然所有混合離子液體的比沖均比肼和UDMH降低了約1%～4%，但離子液體與HAN氧化劑結(jié)合后的性能優(yōu)于與其他氧化劑的混合物，且與肼和UDMH的性能相近。在電噴推進(jìn)中，1-丁基-3-甲基咪唑雙氰胺鹽([Bmim][dca])與HAN氧化劑的混合物在純離子發(fā)射狀態(tài)下，可能獲得比霍爾推力器更高的比沖[18,30]。

Berg等進(jìn)一步將推進(jìn)劑研究范圍縮小至電噴性能良好的咪唑類離子液體[17,23]。他們選擇了3種咪唑類離子液體：1-丁基-3-甲基咪唑硝酸鹽([Bmim][NO3])、[Bmim][dca]、1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯鹽([Emim][EtSO4])，分別在兩種推進(jìn)模式下對其進(jìn)行性能分析。結(jié)果表明，這些離子液體單獨(dú)作為單組元推進(jìn)劑時(shí)，比沖比傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)劑肼低17%～28%，化學(xué)推進(jìn)性能不理想，但與HAN氧化劑混合后，理論上比沖可達(dá)250～260 s，推進(jìn)性能大幅提升且與肼性能相近。在電噴推進(jìn)中，3種離子液體的比沖均比傳統(tǒng)電噴推進(jìn)劑1-乙基-3-甲基咪唑啉雙(三氟甲基磺酰基)亞胺([Emim][Im])高，電噴性能良好，與HAN氧化劑混合后，產(chǎn)生相同推力所需的發(fā)射極個(gè)數(shù)比[Emim][Im]多，發(fā)射極質(zhì)量更大。因此提出咪唑類離子液體與HAN氧化劑的混合物有潛力作為雙模推進(jìn)劑。

在理論分析的基礎(chǔ)上，Berg等按照表2中離子液體和HAN氧化劑的質(zhì)量百分比，實(shí)際合成了3種混合物，在合成過程中發(fā)現(xiàn)[Bmim][dca]與HAN不相溶，因此舍棄了這一方案。將剩下兩種混合物分別在預(yù)熱至160°C的催化劑床上進(jìn)行催化分解實(shí)驗(yàn)，測試它們的化學(xué)點(diǎn)火能力[31-32]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩種混合物均易通過加熱的錸催化劑分解，證明了咪唑類離子液體與HAN混合物作為化學(xué)單組元推進(jìn)劑的可行性。

表2 三種混合物中離子液體與HAN氧化劑的質(zhì)量百分比[32]

接著Berg等還對離子液體磁流體作為雙模推進(jìn)劑的性能進(jìn)行了研究。密西根理工大學(xué)曾提出用離子液體磁流體作為電噴推進(jìn)劑，利用流體的磁性形成發(fā)射極陣列從而代替固體發(fā)射極，可以有效簡化發(fā)射極結(jié)構(gòu)，減少推力器整體質(zhì)量[33]。Berg等參考這一概念，分別在[Bmim][NO3]和[Emim][EtSO4]與HAN氧化劑的混合物中加入Fe2O3納米粒子，合成了兩種離子液體磁流體，并對它們的化學(xué)分解能力進(jìn)行測試[34]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Fe2O3含量為10%時(shí)，兩種離子液體磁流體的反應(yīng)速率最快，當(dāng)含量增加至30%，起始分解溫度不斷下降，有利于預(yù)熱功率的降低，但當(dāng)Fe2O3含量繼續(xù)增大，分解性能會重新下降。然而，在Fe2O3含量不足50%時(shí)，離子液體磁流體不能形成發(fā)射點(diǎn)的靜態(tài)排列，無法應(yīng)用于電噴推進(jìn)，因此相關(guān)研究沒有再繼續(xù)下去。

這之后的研究都圍繞著[Emim][EtSO4]與HAN的混合物展開。Berg等按照表2中的比例合成HAN-[Emim][EtSO4]新型雙模推進(jìn)劑，并在毛細(xì)管型電噴推力器中測試其電噴性能[35]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，極間電壓為3400 V時(shí)，該新型推進(jìn)劑在正負(fù)極性下均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電噴發(fā)射，推進(jìn)劑的供給流量越小，電噴推進(jìn)的比沖越大、推力越小，在0.19 nL/s最小測試流量下，比沖最高達(dá)到412.37 s，推力為1.09 μN(yùn)，推進(jìn)劑電噴性能良好。此后Berg等對HAN-[Emim][EtSO4]推進(jìn)劑分別在加熱的鉑、錸、鈦表面進(jìn)行分解實(shí)驗(yàn)，根據(jù)推進(jìn)劑在3種表面上起始分解溫度的不同，發(fā)現(xiàn)了鉑對該推進(jìn)劑是一種很好的催化劑[36]。在最近的最新研究中，Wainwright等首次對HAN-[Emim][EtSO4]推進(jìn)劑的電噴羽流進(jìn)行質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)在羽流中離子形式和共價(jià)形式的HAN均存在，同時(shí)電噴過程中[Emim][EtSO4]與HAN之間有離子交換，說明HAN氧化劑的添加會使咪唑類離子液體的羽流成分發(fā)生改變[37-38]。

隨著人員變動，密蘇里科技大學(xué)的一部分研究轉(zhuǎn)到了美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校，他們?nèi)匀灰訦AN-[Emim][EtSO4]混合物作為新型雙模推進(jìn)劑。Rasmont等在一個(gè)恒容反應(yīng)器中測量了HAN-[Emim][EtSO4]推進(jìn)劑的線性燃燒速率，并與HAN-水溶液和硝基甲烷單組元推進(jìn)劑進(jìn)行比較[24]。結(jié)果表明，在0.5～3.0 MPa之間，推進(jìn)劑的燃燒速率rb與壓力P呈指數(shù)關(guān)系rb=5.35e1.11P，在3.0～10.0 MPa之間，呈線性關(guān)系rb=114+3.84P，和HAN與其他燃料混合物的燃燒性質(zhì)相似。在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，伊利諾伊大學(xué)還提出HAN-[Emim][EtSO4]推進(jìn)劑中兩種成分的比例、推進(jìn)劑制備方法也可能對燃燒過程產(chǎn)生影響，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行研究。

英國南安普頓大學(xué)近幾年也開始從推進(jìn)劑著手，展開雙模推進(jìn)的研究。Fonda-Marsland等權(quán)衡兩種模式下推進(jìn)劑的性能要求，提出了一些雙模推進(jìn)劑的選擇標(biāo)準(zhǔn)[25]。研究發(fā)現(xiàn)，減少推進(jìn)劑中烷烴的長度和數(shù)量、增加氮和氧等高電負(fù)性物質(zhì)，既有利于減少化學(xué)推進(jìn)廢氣中固體碳的形成，又能有效增加推進(jìn)劑的表面張力、比電導(dǎo)率，提高電噴性能。他們選擇了13種離子液體進(jìn)行比較分析，最后提出甲酸乙銨([EA][(C1)O2])也是一種有潛力的雙模推進(jìn)劑，但需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)測試以驗(yàn)證其在實(shí)際推進(jìn)系統(tǒng)中的性能。

(2)雙模推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究

隨著雙模推進(jìn)劑研究的不斷深入，密蘇里科技大學(xué)參考之前的毛細(xì)管式化學(xué)微推進(jìn)系統(tǒng)[39]，提出了一種用毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的雙模推力器[15,39]。推力器主要由一根內(nèi)徑為100 μm的毛細(xì)管構(gòu)成，管內(nèi)涂有鉑或其他催化劑材料。在單組元化學(xué)推進(jìn)過程中，毛細(xì)管作為分解室，簡化省略了噴管結(jié)構(gòu)，毛細(xì)管中間段被電阻加熱，推進(jìn)劑在管內(nèi)催化分解放熱，產(chǎn)生高溫高壓氣體排出；在電噴推進(jìn)過程中，毛細(xì)管作為發(fā)射極，在毛細(xì)管和吸極間施加電壓[15]。兩種模式都采用主動供給，但推進(jìn)劑的供給流量不同，因?yàn)榛瘜W(xué)推進(jìn)需要消耗更多的推進(jìn)劑，化學(xué)模式下的流量比電噴模式大。

這種毛細(xì)管式雙模推力器結(jié)構(gòu)雖然被提出，但還未設(shè)計(jì)出樣機(jī)。目前推進(jìn)劑的性能測試依然在兩種模式下分開進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置中使用的毛細(xì)管尺寸和材質(zhì)均不同。在電噴推進(jìn)實(shí)驗(yàn)中采用內(nèi)徑100 μm、長5 cm的不銹鋼毛細(xì)管作為發(fā)射極，推進(jìn)劑由內(nèi)徑100 μm、長82.5 cm的石英玻璃毛細(xì)管從儲箱運(yùn)至推力器[35]，如圖3所示。在單組元化學(xué)推進(jìn)中采用內(nèi)徑0.4 mm的毛細(xì)管作為分解室，材料選用HAN-[Emim][EtSO4]推進(jìn)劑的催化劑鉑[40]，如圖4所示。

圖3 毛細(xì)管式電噴推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置原理[35]Fig.3 Schematic diagram of capillary electrospray propulsion experimental apparatus[35]

圖4 微管式單組元化學(xué)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置[40]Fig.4 Microtube monopropellant chemical propulsion experimental apparatus[40]

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于雙模推進(jìn)系統(tǒng)方面的研究處于起步階段，目前還沒有太多代表性的研究成果。

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的王文濤等在密蘇里科技大學(xué)的基礎(chǔ)上，也對咪唑類離子液體與HAN氧化劑的混合物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析[41]。他們選擇了3種咪唑類離子液體，在制備過程中發(fā)現(xiàn)，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([Emim][BF4])與HAN無法形成均勻單相體系，1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([Emim][Tf2N])與HAN在混合體系中無法長時(shí)間共存，只有[Emim][EtSO4]與HAN相容性良好。之后他們采用化學(xué)平衡產(chǎn)物軟件，綜合分析了HAN含量對HAN-[Emim][EtSO4]混合推進(jìn)劑能量特性的影響，同時(shí)通過點(diǎn)滴著火實(shí)驗(yàn)判斷推進(jìn)劑的點(diǎn)火燃燒性能。結(jié)果表明，HAN氧化劑的理想質(zhì)量百分比為40%～60%，當(dāng)質(zhì)量百分比為50%時(shí)，混合推進(jìn)劑點(diǎn)火時(shí)間較短,燃燒持續(xù)時(shí)間較長,能量高，是一種具有應(yīng)用前景的雙模推進(jìn)劑。

3 雙模推進(jìn)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

國外關(guān)于單組元-電噴雙模推進(jìn)已經(jīng)進(jìn)行了近10年的研究，積累了一定經(jīng)驗(yàn)，也初步取得了一些成果，但離最終雙模推力器實(shí)際應(yīng)用于航天事業(yè)還有很遠(yuǎn)的距離，還有一些問題亟待解決。

3.1 雙模推進(jìn)劑的選擇

找到兩種模式下均適合的推進(jìn)劑是雙模推進(jìn)研究的一大挑戰(zhàn)，也是推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能測試等后續(xù)研究的基礎(chǔ)，大部分機(jī)構(gòu)和高校都將雙模推進(jìn)劑作為研究的第一步。

理想的雙模推進(jìn)劑應(yīng)該分別滿足兩種模式下推進(jìn)劑的性能需求。作為單組元推進(jìn)劑，首先須易于分解或點(diǎn)火，具有良好的燃燒性能，其次應(yīng)該具有較高的密度，使航天器在相同體積下能夠攜帶質(zhì)量更大的推進(jìn)劑，提高運(yùn)載效率。在單組元推進(jìn)中推進(jìn)劑以液態(tài)形式工作，因此推進(jìn)劑的熔點(diǎn)也是一個(gè)重要因素，如果熔點(diǎn)較低，能夠減小推進(jìn)劑維持在液態(tài)所需的功率，節(jié)省推力器能耗。此外，推進(jìn)劑的形成熱與化學(xué)推進(jìn)比沖有一定的關(guān)系，較高的形成熱可以使燃燒時(shí)釋放更多的能量，從而產(chǎn)生更高的比沖[17]。而作為電噴推進(jìn)劑，最重要的是要有良好的導(dǎo)電性，能夠在電場作用下發(fā)生靜電噴射。其次，還希望有較高的表面張力和電導(dǎo)率，有利于推進(jìn)劑接近純離子發(fā)射模式，有較低的飽和蒸汽壓，工作過程中不易蒸發(fā)，同時(shí)具有較高的相對分子質(zhì)量，能夠發(fā)射更重的離子，從而產(chǎn)生更大的推力[17]。

目前國際上較為認(rèn)可的有潛力的雙模推進(jìn)劑是HAN-[Emim][EtSO4]混合推進(jìn)劑，它在兩種模式下均表現(xiàn)出很好的性能，但是在實(shí)際應(yīng)用前還有許多問題需要解決?；旌贤七M(jìn)劑中含有HAN氧化劑成分，制備過程中需要將HAN水溶液蒸發(fā)干燥至含水量小于0.1%，存在腐蝕性強(qiáng)、易爆炸等安全隱患，出于安全考慮推進(jìn)劑制備量應(yīng)控制在1g以內(nèi)[41]。過小的推進(jìn)劑量，會給點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)、比沖推力測試等造成很大困難。HAN的含量對推進(jìn)劑性能有很大影響，雖然已經(jīng)提出理想質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%～60%[41]，但還未對不同配比的推進(jìn)劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，需要分別在單組元液體火箭發(fā)動機(jī)和電噴推力器中探索HAN的含量對兩種模式推進(jìn)性能的影響。

目前雙模推進(jìn)劑的選擇范圍還不夠廣，除了HAN-[Emim][EtSO4]混合推進(jìn)劑以外，應(yīng)該在離子液體中尋找更多有潛力且綠色安全的推進(jìn)劑，在應(yīng)用于雙模推進(jìn)前先分別在兩種模式典型推力器中進(jìn)行測試，綜合分析推進(jìn)劑性能的優(yōu)劣，為后續(xù)推力器設(shè)計(jì)提供參考。

3.2 高能催化劑

由于催化分解活性相對穩(wěn)定，HAN基單組元推進(jìn)劑需要在一個(gè)較高的催化劑預(yù)熱溫度下才能啟動分解[11]。[Emim][EtSO4]熱穩(wěn)定性較好，HAN氧化劑催化分解困難，因此為了獲得與肼相似的化學(xué)推進(jìn)性能，HAN-[Emim][EtSO4]推進(jìn)劑的預(yù)熱溫度比肼高很多。它在160°C預(yù)熱溫度下的性能依然比50°C的肼低[31]，繼續(xù)升高預(yù)熱溫度或增大催化劑表面積可以提高燃燒性能，但這需要消耗更多能量、攜帶更多催化劑，降低了推力器的效率。在中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的實(shí)驗(yàn)中，HAN-[Emim][EtSO4]推進(jìn)劑催化劑Ir/Al2O3的預(yù)熱溫度達(dá)到300°C[41]，過高的預(yù)熱要求會限制推進(jìn)劑在航天器上的應(yīng)用。

另一方面，由咪唑類離子液體與HAN氧化劑混合物的化學(xué)平衡燃燒分析可知，理論上當(dāng)HAN含量大約為80%時(shí)單組元化學(xué)推進(jìn)可以得到最高比沖，超過了傳統(tǒng)單組元推進(jìn)劑的性能。但是隨著氧化劑含量不斷增大，混合推進(jìn)劑的燃燒溫度也會不斷升高，在HAN含量80%的配比下燃燒溫度將超過2 700 K[17]。當(dāng)催化劑長時(shí)間處于高于0.6倍熔融溫度的高溫下，會使微觀結(jié)構(gòu)改變,活性組分晶粒聚集長大,活性表面積減小，從而導(dǎo)致催化劑燒結(jié)、催化活性破壞[31]。目前應(yīng)用于HAN-[Emim][EtSO4]推進(jìn)劑的催化劑能承受的最高燒結(jié)溫度大約為1 900 K，遠(yuǎn)沒有達(dá)到2 700 K，這限制了推進(jìn)劑中HAN的含量，進(jìn)而限制了化學(xué)模式的推進(jìn)性能。

在目前研究的基礎(chǔ)上，可以通過改變活性組分的晶粒分布、在現(xiàn)有催化劑中加入耐高溫材料等改進(jìn)催化劑配方、范圍更廣地尋找新催化劑等方法[42]，獲得催化能力更強(qiáng)、更耐燒結(jié)的高能催化劑，從而降低催化劑預(yù)熱溫度，減小推力器能量消耗，同時(shí)改良推進(jìn)劑配比，提高化學(xué)模式比沖，進(jìn)一步提高推進(jìn)劑的利用效率。

3.3 雙模推力器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是一個(gè)關(guān)鍵問題，它決定了雙模推進(jìn)系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)化學(xué)推進(jìn)與電推進(jìn)的交替工作，是對雙模概念可行性的驗(yàn)證。兩種模式中推進(jìn)劑的輸運(yùn)路線相同，化學(xué)推進(jìn)時(shí)推進(jìn)劑在分解室中產(chǎn)生燃?xì)夂髲耐屏ζ魑捕藝姵觯娡七M(jìn)時(shí)推進(jìn)劑直接輸運(yùn)至尾端發(fā)射極尖端電離，因此分解室要和發(fā)射極合并，這給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來一定難度。

電噴推力器的發(fā)射極分為外部浸潤型、多孔介質(zhì)型、毛細(xì)管型3種[9,43]，如圖5所示。在外部浸潤型發(fā)射極中，推進(jìn)劑通過毛細(xì)作用沿外表面輸運(yùn)，這種結(jié)構(gòu)無法為單組元化學(xué)推進(jìn)提供內(nèi)部分解室。在多孔介質(zhì)型發(fā)射極中，推進(jìn)劑沿多孔材料內(nèi)部的孔隙輸運(yùn)至發(fā)射極尖端，但這些空隙尺寸過小，化學(xué)燃?xì)怆y以經(jīng)過多孔材料噴出。在毛細(xì)管型發(fā)射極中，推進(jìn)劑直接從內(nèi)部毛細(xì)管道輸運(yùn)至管頂部，毛細(xì)管道也可用于化學(xué)模式下推進(jìn)劑的分解和燃?xì)獾呐欧?。此外，外部浸潤型和多孔介質(zhì)型發(fā)射極大多采用被動供給，而毛細(xì)管式因?yàn)楸粍庸┙o不利于浸潤和輸運(yùn)，更多采用主動供給，可以與單組元化學(xué)推進(jìn)共用供給系統(tǒng)。相比之下，毛細(xì)管式結(jié)構(gòu)更適合雙模推力器。

圖5 發(fā)射極示意[9]Fig.5 Comparison of emitters[9]

雖然密蘇里科技大學(xué)已經(jīng)提出了毛細(xì)管式雙模推力器結(jié)構(gòu)[15,39]，但是毛細(xì)管直徑過大會增大發(fā)射極尖端的泰勒錐半徑，影響電噴性能，過小不利于化學(xué)分解的發(fā)生，噴管結(jié)構(gòu)的省略也會降低化學(xué)推進(jìn)的性能。需要對不同半徑尺寸的毛細(xì)管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析比較在兩種模式下結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)射極性能的影響，同時(shí)還需進(jìn)一步研究探索更加合理可行的雙模推力器結(jié)構(gòu)。

3.4 其他問題

除了上面幾個(gè)最主要的問題，還有一些其他問題需要完善和解決。

雙模推進(jìn)系統(tǒng)一般選用主動供給，因此推進(jìn)劑流量控制是重要內(nèi)容。常見的主動供給方式有微注射泵控制和氣體壓力控制，前者在真空環(huán)境下難以精確控制流量，因此氣體壓力控制型更常用[44]。雙模推進(jìn)中兩種模式需要的推進(jìn)劑流量差別較大，單組元化學(xué)推進(jìn)在μL/s量級，而電噴推進(jìn)在nL/s量級，這對供給系統(tǒng)性能要求很高，需要流量控制精度更高、流量切換非常穩(wěn)定的供給系統(tǒng)。

長壽命問題是許多電推進(jìn)系統(tǒng)都存在的問題。雙模推進(jìn)系統(tǒng)的電噴模式也受此影響，限制壽命的主要因素有推進(jìn)劑的攜帶量[45]，除此之外，發(fā)射極腐蝕或推進(jìn)劑變質(zhì)會導(dǎo)致發(fā)射效率降低，也是影響推力器壽命的重要因素。隨著小衛(wèi)星壽命逐漸增大，長壽命、高可靠性的推進(jìn)系統(tǒng)是保證航天器完成任務(wù)的關(guān)鍵。美國Busek公司為LISA Pathfinder ST7任務(wù)開發(fā)了8個(gè)電噴推力器，并對其進(jìn)行了3 478 h的長壽命測試，推力器均采用主動供給[46-47]；美國麻省理工學(xué)院則采用被動供給方式，對其研制的電噴推力器進(jìn)行了300 h的長壽命測試[48]。兩者的測試時(shí)長離航天任務(wù)要求仍有一定差距，相比之下采用被動供給方式更難實(shí)現(xiàn)長壽命。長壽命問題是制約電噴推進(jìn)發(fā)展的一個(gè)因素，也是影響雙模推進(jìn)發(fā)展的一個(gè)方面，因此需要進(jìn)行電噴模式的延壽設(shè)計(jì)。

對于推進(jìn)系統(tǒng)工作的各階段，推進(jìn)劑剩余量的確定也是一個(gè)重要問題。在飛行過程中較準(zhǔn)確地計(jì)算出推進(jìn)劑剩余量，可以使航天器對接下來的任務(wù)計(jì)劃進(jìn)行合理調(diào)整，更高效地利用推進(jìn)劑，同時(shí)也可以預(yù)估航天器壽命，從而決定航天器壽命末期的處置策略[49]。目前常用的剩余量測量方法主要包括薄記法、壓力體積溫度法和熱量激勵(lì)法，但它們的整體誤差較大，離測量精度要求還有一定差距[50]，因此需要更高精度的推進(jìn)劑在軌測量技術(shù)。

4 結(jié)束語

單組元液體火箭發(fā)動機(jī)與離子液體電噴推力器相結(jié)合的雙模推進(jìn)系統(tǒng)，涉及化學(xué)與電兩方面的推進(jìn)理論，將兩種模式的推進(jìn)原理耦合，在推進(jìn)劑成分及性能、推力器結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)性能指標(biāo)等方面都有更復(fù)雜的要求，未來還需要對其進(jìn)行大量研究。本文圍繞雙模推進(jìn)系統(tǒng)主要進(jìn)行了以下工作：

1)對單組元-電噴雙模推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了定義及原理分析，為后續(xù)相關(guān)研究提供了一定的參考。提出了雙模推力器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對兩種模式推力器的集成、發(fā)射極類型的選擇等問題進(jìn)行了初步分析，并對兩種模式的工作原理、雙模推進(jìn)劑的選擇進(jìn)行了闡述。目前國外關(guān)于雙模推力器結(jié)構(gòu)的設(shè)想主要基于電噴推力器提出，但該結(jié)構(gòu)不一定能很好地適用于單組元化學(xué)推進(jìn)，未來進(jìn)行推力器設(shè)計(jì)時(shí)還需更充分地考慮化學(xué)模式的性能。

2)系統(tǒng)梳理總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于單組元-電噴雙模推進(jìn)的研究進(jìn)展。經(jīng)過近10年研究，國外提出了一些雙模推進(jìn)劑的選擇標(biāo)準(zhǔn)，合成了有潛力的雙模推進(jìn)劑，并不斷對其性能及機(jī)理進(jìn)行探索。目前雙模推進(jìn)研究的重心仍主要集中于推進(jìn)劑，推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其他方面的研究成果較少，離樣機(jī)研制及應(yīng)用于小衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)還有很遠(yuǎn)的距離。國內(nèi)關(guān)于雙模推進(jìn)系統(tǒng)的研究剛剛起步，與國外存在一定差距，現(xiàn)階段應(yīng)先從推進(jìn)劑和推力器結(jié)構(gòu)兩方面入手，盡快展開雙模推進(jìn)技術(shù)的研究。

3)分析總結(jié)了現(xiàn)階段單組元-電噴雙模推進(jìn)系統(tǒng)面臨的主要問題。重點(diǎn)對推進(jìn)劑的安全性及成分配比、催化劑的預(yù)熱溫度及耐高溫性、推力器發(fā)射極的尺寸參數(shù)等因素對推力器性能的限制進(jìn)行分析，并對未來發(fā)展方向提出了初步建議。文中提出的這些問題是現(xiàn)階段雙模推進(jìn)研究中體現(xiàn)出的最亟待解決的內(nèi)容，隨著核心技術(shù)不斷發(fā)展，還會有無法預(yù)測的難題陸續(xù)出現(xiàn)。