1N ADN基推力器瞬態(tài)啟動性能試驗研究

張 偉， 王 夢， 陳 陽， 付拓取， 劉旭輝， 楊 蕊， 姚兆普*

1. 中國空間技術(shù)研究院, 北京 100094 2. 北京控制工程研究所, 北京 100090

0 引 言

單組元推進技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低等特點[1]，在小衛(wèi)星推進系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用.在單組元類推進系統(tǒng)中無水肼推進劑應(yīng)用最為廣泛，但因其具有很高的毒性，使得制備、貯存、轉(zhuǎn)運、加注等工作比較復(fù)雜，增加了使用和維護的成本.二硝酰胺銨(ammonium dinitramide，ADN)推進技術(shù)作為一種新興的綠色無毒推進技術(shù)，以其高性能、低風(fēng)險、可存貯等優(yōu)點[2]，已在國內(nèi)外衛(wèi)星推進系統(tǒng)中多次得到應(yīng)用，被視為未來肼推進的良好替代品之一.

ADN最早于1971年由蘇聯(lián)研制成功并作為固體推進劑應(yīng)用在武器的推進系統(tǒng)中.由于ADN具有良好的水溶性和較強的氧化性，ADN可以與甲醇、乙醇等水溶性燃料以及水組成三元混合推進劑.最早的ADN基推進劑于1994年由瑞典人研制成功，代號為LMP-101，由61%ADN、26%水和13%丙三醇組合而成[3].隨后瑞典防務(wù)局(FOI)研發(fā)并測試了能夠滿足多種使用需求的FLP系列ADN基液體推進劑，該系列推進劑的主要成分為ADN、甲基甲酰胺和水.

國內(nèi)最早研究ADN是基于固體形態(tài)的推進劑，主要研究其熱分解及其燃燒反應(yīng)特性.對于ADN基液體推進劑的研究，北京控制工程研究所對其理化特性和燃燒反應(yīng)特性作了大量的基礎(chǔ)工作，主要包括ADN基推進劑蒸發(fā)及熱分解特性測量、瞬態(tài)燃燒溫度及CO、N2O組分濃度的實時測量等方面的工作，為ADN基液體推進的工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐.中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所在ADN基液體推進劑與催化劑的匹配方面也作了大量的試驗研究工作.

在ADN基液體推進劑工程應(yīng)用方面，2010年瑞典首次在“棱鏡”衛(wèi)星系統(tǒng)上對1N ADN 基推力器進行在軌技術(shù)演示驗證.2016年至2017年底，美國Planet Labs 公司發(fā)射的SkySat(天空衛(wèi)星)星座中12顆衛(wèi)星均采用了瑞典 ECAPS公司研制的1N ADN基推進系統(tǒng)，用于衛(wèi)星軌道機動和姿態(tài)調(diào)整[4].

2016年，由北京控制工程研究所研制的1N ADN基推力器搭載衛(wèi)星完成了首次飛行驗證試驗，經(jīng)在軌試驗證明，在額定工作壓力下，1N ADN基推力器穩(wěn)態(tài)工況下，實際推力為1.03N，工作比沖210.2 s[5].目前，改進后的1N ADN基推力器產(chǎn)品通過了長壽命驗證，已達到20萬次脈沖壽命，可滿足型號使用要求.2021年，該產(chǎn)品將交付于30多顆衛(wèi)星使用.

1N ADN基推力器作為一種新型產(chǎn)品，其在軌使用經(jīng)驗相對較少，有必要對其特性規(guī)律進行詳細分析.本文針對1N ADN基推力器瞬態(tài)啟動性能進行試驗研究，獲取不同條件下1N ADN基推力器的開機加速性t90指標，為未來推力器在軌使用提供參考.

1 實驗對象及工作原理

1N ADN基推力器由電磁閥、噴注器、催化床、燃燒室、噴管及溫控裝置組成[5].與傳統(tǒng)的1N無水肼推力器不同，1N ADN基推力器在催化床下游增加了燃燒室，目的是促進ADN基推進劑能夠進一步反應(yīng).其工作過程為：當推力器工作時，電磁閥接到激勵信號，閥口打開，ADN基推進劑流入噴注器，經(jīng)過霧化，噴入到催化床前端開始部分預(yù)蒸發(fā)，同時ADN基推進劑與預(yù)熱后的催化劑接觸后開始熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生N2、NH3、H2O、NO、N2O、NO2等，并放出大量熱量，這些中間產(chǎn)物中以強氧化性的小分子產(chǎn)物為主，在到達燃燒室后與ADN基推進劑中所包含的燃料甲醇進一步摻混燃燒，生成H2O、CO2，進一步放出大量反應(yīng)熱.這些高溫高壓的最終反應(yīng)產(chǎn)物通過噴管，最后高溫高壓氣體經(jīng)噴管排出，產(chǎn)生推力[7-8].圖1是1N ADN推力器外形示意圖.

圖1 1N ADN基推力器外型示意圖Fig.1 Schematic of the 1N ADN-based thruster

開機加速性t90是衡量推力器啟動快慢的一個重要參數(shù)，通常以電磁閥收到啟動指令到室壓(推力)增長到穩(wěn)定壓力值(推力)的90%所需要的時間來表征[9].t90數(shù)值小意味著響應(yīng)快速、延遲低，是推力器瞬態(tài)性能的重要指標.

試驗過程中t90的計算如公式(1)所示，取值為從推力器啟動起到推力器燃燒室壓力瞬時值pi是達到穩(wěn)定壓力平均值的0.9倍時的時間.

(1)

圖2 1N ADN基推力器t90Fig.2 The definition of the 1N ADN-based thruster t90

2 1N ADN基推力器熱試車試驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要分為4部分：1N ADN 基推力器、推進劑供給系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、高空環(huán)境模擬設(shè)備.實驗系統(tǒng)圖如3示.

圖3 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of the experiment system

1N ADN基實驗推力器安裝在高空環(huán)境模擬設(shè)備內(nèi)的推力架上，推力架可用來測量實驗推力器推力推力架響應(yīng)頻率100 Hz.推力器上布有測溫?zé)崤?，用于測量推力器催化床溫度，同時試驗推力器裝有測壓管并與壓力傳感器相連接，用于測量燃燒室壓力，壓力傳感器響應(yīng)時間小于1 ms.實驗推力器與推進劑供給系統(tǒng)連接，ADN基推進劑在高壓氮氣的擠壓下，從貯罐中經(jīng)過濾后，通過閥門、流量計、過濾器到達推力器入口[10].實驗推力器的電磁閥、加熱裝置、壓力傳感器、測溫?zé)崤纪ㄟ^穿艙接口與外部的控制采集模塊連接.推力器入口的壓力傳感器用來測量推力器的噴注壓力，流量計、電子稱用于測量和計算推進劑的流量.測量系統(tǒng)采集頻率為10 kHz.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 催化床預(yù)熱溫度對t90的影響

為了提高1N ADN基推力器的壽命和性能，推力器采用溫啟動方式工作，即在1N ADN基推力器在點火前，需要對催化劑進行預(yù)熱，以提高催化劑活性，保證推力器安全穩(wěn)定工作.為研究預(yù)熱溫度對推力器瞬態(tài)啟動性能的影響，對不同預(yù)熱溫度下推力器熱試車試驗燃燒壓力進行分析，通過計算獲得不同預(yù)熱溫度下推力器t90.試驗過程預(yù)熱溫度變化區(qū)間為200～600℃，每組實驗重復(fù)2次.圖4(a)是噴注壓力為1.1 MPa時，不同催化床預(yù)熱溫度下，1N ADN基推力器穩(wěn)態(tài)點火時燃燒室壓力曲線，圖4(b)是圖(a)推力器穩(wěn)態(tài)點火時0～1 s燃燒室內(nèi)壓力曲線.

圖4 不同預(yù)熱溫度下，1N ADN基推力器燃燒壓力曲線Fig.4 Combustion pressure of 1N ADN-based thruster under different preheating temperature

圖5是噴注壓力為1.1 MPa下，1N ADN基推力器10 s穩(wěn)態(tài)點火時，不同預(yù)熱溫度下推力器t90統(tǒng)計結(jié)果.在溫度200～450℃范圍內(nèi)，隨著預(yù)熱溫度的升高，推力器的t90不斷降低，當溫度超過450℃時，推力器的t90又開始上升.這是因為，在一定預(yù)熱溫度范圍內(nèi)，預(yù)熱溫度的提高，促進了ADN基推進劑的催化分解及燃燒反應(yīng)，推力器t90變小.但當催化床預(yù)熱溫度過高時，意味著向推力器上游噴注器傳遞熱量變多，ADN基推進劑在運輸通道內(nèi)出現(xiàn)相變產(chǎn)生氣泡[11]，遲滯了推進劑輸送至催化床的時間，減緩了推進劑的催化分解，推力器t90變大.

圖5 不同預(yù)熱溫度下1N ADN基推力器t90Fig.5 1N ADN-based thruster t90 under different preheating temperature

3.2 噴注壓力對t90影響

在軌工作時，單組元推進系統(tǒng)一般采用落壓式工作方式，隨著推進劑的減少，推力器噴注壓力也隨之降低.1N ADN基推力器工作壓力設(shè)計指標為1.7 MPa～0.5 MPa.為研究噴注壓力對1N ADN基推力器瞬態(tài)啟動性能的影響，分別對1.7 MPa、1.4 MPa、1.2 MPa、0.9 MPa噴注壓力下，推力器預(yù)熱溫度為350℃時，10 s穩(wěn)態(tài)點火壓力數(shù)據(jù)進行分析，獲得推力器t90結(jié)果.圖6是不同噴注壓力下，1N ADN基推力器穩(wěn)態(tài)點火時燃燒室壓力曲線.圖7是不同噴注壓力下，1N ADN基推力器穩(wěn)態(tài)點火時，t90統(tǒng)計結(jié)果.

實驗結(jié)果顯示，隨著噴注壓力下降，推力器t90不斷變大.隨著噴注壓力的下降，引起推進劑質(zhì)量流量相應(yīng)減少，產(chǎn)生燃燒溫度相應(yīng)降低，進一步減弱了推進劑的催化分解與燃燒過程，推力器的瞬態(tài)啟動性能降低.

3.3 推力器壽命初末期對t90影響

催化劑對ADN基推力器的性能起著關(guān)鍵作用，催化劑的活性影響推力器的開機加速性、推力穩(wěn)定性、工作安全性等.當前1N ADN基推力器工作脈沖次數(shù)設(shè)計指標為10萬次.為研究壽命初末期推力器瞬態(tài)啟動性能，本文對1N ADN基推力器工作初期及10萬次脈沖工作后的10s穩(wěn)態(tài)點火的試驗數(shù)據(jù)進行了對比.圖8是1N ADN基推力器壽命初期與10萬次脈沖工作后的推力曲線對比，經(jīng)歷10萬次脈沖工作后，推力器的平均推力下降，推力波動較大.圖9是1N ADN基推力器壽命初期與啟動10萬次后的t90對比.圖中顯示的是相鄰的三次同等條件下(預(yù)熱溫度300℃、噴注壓力1.2 MPa、穩(wěn)態(tài)點火10 s)點火時推力器的t90，結(jié)果顯示在壽命末期，推力器的t90變大，同一實驗條件下t90一致性較差，推力器的啟動加速性變差.

圖6 不同噴注壓力下，1N ADN基推力器0～1 s內(nèi)燃燒壓力曲線Fig.6 Combustion pressure of 1N ADN-based thruster under different injection pressure

圖7 不同噴注壓力下1N ADN基推力器t90Fig.7 1N ADN-based thruster t90under different injection pressure

3.4 推進劑貯存時間對t90影響

1N ADN基推力器要求在軌壽命為5年，因ADN基推進劑是一種混合推進劑，長時間的貯存可能會影響推力器的性能.本文對地面存貯了4年的ADN基推進劑進行點火試驗，以驗證推進劑貯存時間對推力器工作的影響.推進劑存放條件為室溫，避光密閉貯存.圖10是在噴注壓力1.2 MPa，預(yù)熱溫度300℃時，2臺加注不同推進劑的1N ADN基推力器10 s穩(wěn)態(tài)點火的推力曲線對比圖.

圖8 1N ADN基推力器壽命初、末期推力曲線對比Fig.8 Thrust comparison of the thruster initial and final lifetime

圖9 1N ADN基推力器壽命初、末期，t90對比Fig.9 t90comparison of the thruster initial and final lifetime

圖10 不同推進劑貯存條件下1N ADN基推力器推力曲線對比Fig.10 1 N ADN-based thrust comparison of the thruster under different propellant storage time conditions

表1是不同貯存時間下，推力器點火試驗穩(wěn)態(tài)推力平均值及t90統(tǒng)計.可以看出，存貯時間對推力器瞬態(tài)啟動性能影響不大.

表1 不同推進劑貯存條件下1N ADN基推力器推力推力及t90Tab.1 The thruster and t90under different propellant storage time conditions

4 結(jié) 論

本文以1N ADN基推力器為研究對象，以星載ADN基液體推進劑為工質(zhì)，對1N ADN基推力器的瞬態(tài)啟動性能進行了試驗研究.在一定溫度范圍內(nèi)，提高催化床預(yù)熱溫度有助于提升1N ADN基推力器的瞬態(tài)啟動性能，當啟動溫度超過450℃左右，推力器瞬態(tài)啟動性能降低；1N ADN基推力器瞬態(tài)啟動性能隨著噴注壓力的降低而下降；推力器溫啟動次數(shù)會影響推力器的瞬態(tài)啟動性能，隨著溫啟動次數(shù)的累加，瞬態(tài)啟動性能降低.與推力器壽命初期的推力相比，壽命末期相同工況下，推力器推力下降且不穩(wěn)定；試驗研究表明，地面存貯4年的推進劑對推力器的瞬態(tài)啟動性及推力穩(wěn)定性影響不大.本文可對未來1N ADN基推力器的在軌使用提供參考.