微推進(jìn)器電控固體推進(jìn)劑常壓點(diǎn)火燃燒效率影響因素研究①

黃 印，張小平，龐愛民，汪 越，李洪旭，宋柳芳

(1.航天化學(xué)動力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，襄陽 441003；2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽 441003；3.中國航天科技集團(tuán)有限公司第四研究院，西安 710025)

0 引言

固體火箭發(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在各類導(dǎo)彈武器中具有廣泛的應(yīng)用，但固體火箭發(fā)動機(jī)難以實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火和推力可調(diào)[1]。為了滿足導(dǎo)彈武器裝備智能化、高機(jī)動、快速突防的發(fā)展需求，固體火箭發(fā)動機(jī)需要實(shí)現(xiàn)推力可控、可多次啟動，這要求推進(jìn)劑必須實(shí)現(xiàn)可控燃燒。為了解決上述問題，國外研究人員研發(fā)出一種智能型電控固體推進(jìn)劑[2-5]，該推進(jìn)劑是一種通過外加電壓(電流)控制推進(jìn)劑自身點(diǎn)火、熄火，且燃速(推力)可隨外加電壓(電流)增大而增大的新型固體推進(jìn)劑。該類推進(jìn)劑具有良好的安全特性，對火焰刺激表現(xiàn)出良好的鈍感特性，同時比沖與傳統(tǒng)固體推進(jìn)劑相當(dāng)，能夠產(chǎn)生較大的推力，通過電路控制系統(tǒng)對推力進(jìn)行智能、精確調(diào)節(jié)，屬于一種智能推進(jìn)劑。電控固體推進(jìn)技術(shù)一旦取得突破，有望為微納衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整和小型戰(zhàn)術(shù)武器裝備的快速機(jī)動提供有力技術(shù)支撐[6-8]。

目前，電控固體推進(jìn)劑主要分為硝酸鹽基[6]和高氯酸鹽基[9-11]兩大類配方，其中硝酸鹽基配方以硝酸羥胺(HAN)研究為主，該類推進(jìn)劑具有能量高(約245 s)[6]、安全鈍感和產(chǎn)物綠色潔凈等優(yōu)點(diǎn)，但貯存過程易吸濕；高氯酸鹽基以高氯酸鋰(LP)研究為主，該類推進(jìn)劑具有良好的熱穩(wěn)定性和抗吸濕性，但能量性能偏低(約189 s)[12]。國外研究主要以美國為主[2-11]，其在推進(jìn)劑配方及相應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)域均處于世界領(lǐng)先地位。從2012年開始，國內(nèi)湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所[13-15]、重慶大學(xué)[16]、國防科技大學(xué)[12，17-21]和南京理工大學(xué)[22-24]等單位也相繼開展了電控固體推進(jìn)劑相關(guān)技術(shù)研究，主要以推進(jìn)劑配方和電點(diǎn)火燃燒機(jī)理探索等基礎(chǔ)研究為主，而相關(guān)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和電點(diǎn)火工作模式研究開展較少。

本文采用內(nèi)外同軸結(jié)構(gòu)的固體微推進(jìn)器為電控固體推進(jìn)劑工作載體，研究電極材質(zhì)、直徑、工作電壓、推進(jìn)劑配方組成和電點(diǎn)火方式等條件對電控固體推進(jìn)劑電點(diǎn)火燃燒效率的影響，為推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作模式的研究提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 推進(jìn)劑原材料及配方

本試驗(yàn)所采用電控固體推進(jìn)劑主要原材料包括硝酸羥胺HAN(自制)、聚乙烯醇PVA(阿拉丁試劑，分析純)、副氧化劑硝酸銨TS(阿拉丁試劑，分析純)、副氧化劑AH(自制)、含能產(chǎn)氣劑GN、高氯酸鹽PP(阿拉丁試劑，分析純)、鋁粉(鞍鋼，粒徑 29 μm)、燃料S以及其他功能助劑等。

本試驗(yàn)電控固體推進(jìn)劑配方特點(diǎn)見表1，HAN-TS-1為HAN基電控固體推進(jìn)劑基礎(chǔ)配方。

表1 電控固體推進(jìn)劑配方編號及特點(diǎn)

1.2 燃燒性能測試試驗(yàn)過程

通過機(jī)械開關(guān)和電子開關(guān)兩種方式主動控制微推進(jìn)器電點(diǎn)火時間，保證總工作時間為6 s；電點(diǎn)火方式分為單次電點(diǎn)火和多次電點(diǎn)火，其中多次電點(diǎn)火可通過電子開關(guān)設(shè)定單個脈沖工作時間；直流電源采用大功率電源(6000 W)和小功率電源(2000 W)兩種規(guī)格，提供維持推進(jìn)劑燃燒所需電壓；采用高清攝影機(jī)記錄微推進(jìn)器點(diǎn)火過程；通過高精度天平稱量得到推進(jìn)劑燃燒前后的質(zhì)量，計(jì)算得出實(shí)際燃燒質(zhì)量和燃燒效率(推進(jìn)劑實(shí)際燃燒質(zhì)量/裝藥質(zhì)量)。

圖1為電控固體微推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖，電控固體推進(jìn)劑填充于內(nèi)外電極之間，其中內(nèi)電極表面包覆絕緣層，距離內(nèi)電極頂端1 mm內(nèi)不包覆絕緣層，使推進(jìn)劑與內(nèi)電極表面直接接觸，形成導(dǎo)通狀態(tài)。

圖1 電控固體微推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖

微推進(jìn)器內(nèi)電極材質(zhì)有GH1131合金、H08合金、Q420高強(qiáng)度鋼、鎢、304#不銹鋼和316#不銹鋼，直徑有五種規(guī)格，分別為1.0、1.6、2.0、2.4、3.0 mm；外電極(殼體)為鋁材質(zhì)，直徑有四種規(guī)格，分別為6、7、8、10 mm。其中，采用6、7、8 mm三種規(guī)格外電極時，微推進(jìn)器殼體長度為30 mm；采用10 mm規(guī)格外電極時，微推進(jìn)器殼體長度為50 mm。需要說明的是文中所有外電極直徑都指的是外徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)電極材質(zhì)和直徑的影響

采用大功率電源開展了不同內(nèi)電極材質(zhì)和直徑條件下微推進(jìn)器電點(diǎn)火試驗(yàn)，配方為HAN-TS-1，通過機(jī)械開關(guān)控制電點(diǎn)火試驗(yàn)時間(時間為6 s)。表2為不同內(nèi)電極材質(zhì)和直徑條件下試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)現(xiàn)象如圖2和圖3所示。

(a)GH1131,1.6 mm (b)GH1131,2.0 mm (c)H08,1.6 mm (d)H08,2.0 mm

(a)GH1131,1.6 mm (b)GH1131,2.0 mm (c)H08,1.6 mm (d)H08,2.0 mm

表2 不同內(nèi)電極條件下試驗(yàn)結(jié)果

不同內(nèi)電極條件下電點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)工作電壓為200 V時，除鎢絲內(nèi)電極外，其余鋼材質(zhì)內(nèi)電極對推進(jìn)劑燃燒效率影響不大，實(shí)際燃燒效率約為10%；內(nèi)電極直徑變化對推進(jìn)劑燃燒效率影響不大，其中直徑為1.0 mm的304#不銹鋼內(nèi)電極在電點(diǎn)火試驗(yàn)過程中容易被熔斷噴出。

當(dāng)工作電壓提升至250 V時，推進(jìn)劑燃燒反應(yīng)明顯更加劇烈，相應(yīng)燃燒效率也提升至40%左右，但斷電后推進(jìn)劑存在熄火延遲時間較長，甚至產(chǎn)生陰燃現(xiàn)象，不斷產(chǎn)生大量煙霧。當(dāng)內(nèi)電極為H08鋼，直徑從1.6 mm增加至2.0 mm時，推進(jìn)劑燃燒效率從33%提升至41%。分析認(rèn)為，這可能與燃燒面積增大有關(guān)。直徑≤1.6 mm的鋼材質(zhì)內(nèi)電極均被熔斷。點(diǎn)火后2 s左右，鎢絲內(nèi)電極與外電極發(fā)生了短路，燃燒反應(yīng)停止，導(dǎo)致推進(jìn)劑燃燒效率反而下降。

因此，在低電壓條件下(200 V)，采用鎢絲電極有利于提高推進(jìn)劑的燃燒效率。分析認(rèn)為，鎢絲電極可能具有催化反應(yīng)活性，在一定程度上提高了推進(jìn)劑電化學(xué)反應(yīng)速率，從而提高了推進(jìn)劑的燃燒效率[25-26]。鋼材質(zhì)電極直徑對推進(jìn)劑燃燒效率影響不大。分析認(rèn)為，這可能是因?yàn)榈碗妷簳r內(nèi)電極表面實(shí)際電流密度數(shù)值均較小，推進(jìn)劑燃燒反應(yīng)速率均較慢，并沒有表現(xiàn)出明顯區(qū)別。適當(dāng)增大內(nèi)電極直徑，可有效解決燃燒過程中內(nèi)電極熔斷問題。在高電壓條件下(250 V)，鋼材質(zhì)電極直徑對推進(jìn)劑燃燒質(zhì)量有一定的影響。

2.2 工作電壓的影響

采用電子開關(guān)(設(shè)定單次工作時間為2 s、間隔時間為5 s、重復(fù)啟動3次，總工作時間為6 s)開展了不同工作電壓條件下微推進(jìn)器電點(diǎn)火試驗(yàn)，配方為HAN-TS-1。表3為不同電壓條件下微推進(jìn)器電點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示。

表3 不同電壓條件下試驗(yàn)結(jié)果

(a)316# stainless steel,2.0 mm,250 V (b)316# stainless steel,3.0 mm,250 V

不同電壓電點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著工作電壓的降低，推進(jìn)劑燃燒效率總體呈下降趨勢，斷電后推進(jìn)劑陰燃現(xiàn)象得到緩解，當(dāng)電壓下降至215 V時，斷電后推進(jìn)劑基本不再發(fā)生陰燃現(xiàn)象。

高電壓條件下(250 V)，一般首次電點(diǎn)火試驗(yàn)后(工作2 s)不會發(fā)生陰燃，第三次電點(diǎn)火后(工作6 s)才發(fā)生陰燃。分析認(rèn)為，斷電后推進(jìn)劑發(fā)生陰燃的原因在于燃燒反應(yīng)主要發(fā)生在內(nèi)電極附近，高電壓時燃燒反應(yīng)更為劇烈，內(nèi)電極溫度較高，導(dǎo)致推進(jìn)劑發(fā)生了熱分解反應(yīng)。雖然提高工作電壓可顯著改善推進(jìn)劑的燃燒效率，但內(nèi)電極溫度也隨之升高，斷電后推進(jìn)劑會發(fā)生陰燃現(xiàn)象；通過降低工作電壓可解決斷電后推進(jìn)劑的陰燃情況。此外，斷電后推進(jìn)劑陰燃可能與工作電源功率也有一定關(guān)系。

2.3 配方的影響

采用小功率電源開展了不同配方條件下微推進(jìn)器(內(nèi)電極直徑為1.0 mm，外電極直徑為10 mm)電點(diǎn)火試驗(yàn)，電子開關(guān)控制工作時間(設(shè)定單次工作時間為2 s、間隔時間為5 s、重復(fù)啟動3次，總工作時間為6 s)。表4為不同推進(jìn)劑配方條件下試驗(yàn)結(jié)果，圖5為不同配方電點(diǎn)火試驗(yàn)后圖片。

表4 不同配方條件下試驗(yàn)結(jié)果

不同配方電點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明，與基礎(chǔ)配方相比，繼續(xù)提高副氧化劑TS含量對燃燒效率并沒有改善，而且高TS含量容易導(dǎo)致推進(jìn)劑斷電后發(fā)生陰燃；與TS相比，副氧化劑AH的加入對燃燒效率并未明顯改善，但隨著配方中AH含量的增加，燃燒效率總體呈上升趨勢?；A(chǔ)配方中加入5%Al粉時，燃燒效率基本沒有影響，當(dāng)Al粉含量增加至10%時，燃燒效率得到較大提升；含能組分GN的加入也有利于提高燃燒效率。

理論上，推進(jìn)劑配方良好的可熄火特性與較高的燃燒效率之間存在一定的矛盾，二者相互制約，通過配方組分優(yōu)化可在推進(jìn)劑的可熄火特性和燃燒效率之間找到最佳平衡點(diǎn)。與基礎(chǔ)配方相比，副氧化劑TS、副氧化劑AH、含能產(chǎn)氣劑GN和Al粉等固體填料的加入其實(shí)都不利于推進(jìn)劑的可熄火特性，而有利于推進(jìn)劑燃燒效率的增加；且加入量超過一定數(shù)值后，推進(jìn)劑將失去可熄火特性，斷電后容易發(fā)生陰燃或自持燃燒。試驗(yàn)結(jié)果也證明了上述固體填料的加入有利于改善燃燒效率；相同種類固體填料下，隨著固體填料含量的增加，推進(jìn)劑實(shí)際燃燒效率基本呈上升趨勢。

2.4 微推進(jìn)器尺寸的影響

采用電子開關(guān)(設(shè)定單次工作時間為2 s、間隔時間為5 s、重復(fù)啟動3次，總工作時間為6 s)開展了不同微推進(jìn)器尺寸條件下電點(diǎn)火試驗(yàn)。表5為不同微推進(jìn)器尺寸條件下試驗(yàn)結(jié)果，圖6為不同尺寸微推進(jìn)器電點(diǎn)火試驗(yàn)后圖片。

(a)HAN-AH-GN-2,8 mm (b)HAN-AH-GN-2,7 mm (c)HAN-AH-GN-2,6 mm

表5 不同微推進(jìn)器尺寸條件下試驗(yàn)結(jié)果

不同微推進(jìn)器尺寸電點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同配方條件下減小微推進(jìn)器外徑尺寸有利于提高推進(jìn)劑燃燒效率；在保證不發(fā)生陰燃前提下，外徑D≤8 mm時，推進(jìn)劑燃燒效率>30%，其中采用內(nèi)電極直徑為1 mm，外徑為6 mm的微推進(jìn)器進(jìn)行電點(diǎn)火試驗(yàn)，推進(jìn)劑燃燒效率可達(dá)80%以上，燃燒效率改善結(jié)果要明顯優(yōu)于調(diào)整配方和升高點(diǎn)火電壓。

分析認(rèn)為，燃燒效率的變化與微推進(jìn)器尺寸結(jié)構(gòu)對內(nèi)電極表面電流密度分布情況有較大影響有關(guān)，在相同電壓條件下，當(dāng)微推進(jìn)器尺寸變小時，內(nèi)電極表面電流密度的數(shù)值變大，電流密度分布更為集中，推進(jìn)劑燃燒反應(yīng)速率加快，反應(yīng)更加劇烈，燃燒效率提高。

2.5 電點(diǎn)火方式的影響

表6為不同點(diǎn)火方式條件下試驗(yàn)結(jié)果(單次工作時間分別為0.1、1、6 s，多次點(diǎn)火總工作時間為6 s)，圖7～圖9為不同電點(diǎn)火方式條件下試驗(yàn)后圖片。

(a)HAN-AH-GN-2,7 mm,220 V (b)HAN-AH-GN-2,8 mm,220 V

(a)HAN-AH-GN-2,10 mm,220 V (b)HAN-AH-GN-2,10 mm,250 V (c)HAN-AH-GN-2,10 mm,300 V

(a)HAN-AH-GN-2,10 mm,220 V (b)PP-1,10 mm,220 V (c)PP-2,10 mm,220 V

表6 不同電點(diǎn)火方式條件下試驗(yàn)結(jié)果

不同電點(diǎn)火方式條件下微推進(jìn)器電點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明，在總時間不變情況下，采用相同尺寸微推進(jìn)器時，隨著單個脈沖工作時間增加，推進(jìn)劑燃燒效率增加；相比多次燃燒試驗(yàn)，一次性燃燒(持續(xù)燃燒)具有更高的燃燒效率。其中，PP基推進(jìn)劑的燃燒效率達(dá)到95%以上，斷電后一般不發(fā)生陰燃。

分析認(rèn)為，燃燒效率的變化與電點(diǎn)火方式對推進(jìn)劑燃燒表面熱反饋溫度較大影響有關(guān)，在相同電壓條件下，適當(dāng)增加每個脈沖工作的時間，有利于增加推進(jìn)劑表面熱反饋溫度，使更多推進(jìn)劑繼續(xù)發(fā)生燃燒反應(yīng)，從而提高燃燒效率。

3 結(jié)論

(1)工作電壓為200 V時，不同鋼材質(zhì)電極對推進(jìn)劑燃燒效率影響并不明顯，實(shí)際燃燒效率約為10%，而采用鎢絲電極則可明顯改善推進(jìn)劑燃燒效率，達(dá)到30%以上；工作電壓升高至250 V時，推進(jìn)劑燃燒效率提升至40%左右，但斷電后容易產(chǎn)生陰燃。

(2)適當(dāng)減小微推進(jìn)器外徑尺寸，有利于提高推進(jìn)劑燃燒效率，當(dāng)外徑減小至6 mm時，推進(jìn)劑燃燒效率可達(dá)80%以上；在總時間不變情況下，采用相同尺寸微推進(jìn)器時，隨著單個脈沖工作時間增加，推進(jìn)劑燃燒效率增加。

(3)微推進(jìn)器尺寸和電點(diǎn)火方式對燃燒效率的影響要大于配方調(diào)整的影響。

同時，電控固體推進(jìn)劑的燃燒性能很大程度與樣機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，燃燒性能結(jié)果可能會隨之發(fā)生變化，而且現(xiàn)階段缺乏有效的電控固體推進(jìn)劑燃燒性能測試與表征標(biāo)準(zhǔn)和方法。因此，有必要聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)研究單位盡快建立相應(yīng)測試系統(tǒng)。