硝酸羥胺發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器特種流量分配方法

白梅杉,於希喬,陸文杰,姚天亮,李 森,韓 沖,邱 鑫

(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)

0 引言

肼及其衍生物被廣泛地應(yīng)用于航天單組元推進(jìn)系統(tǒng),但是肼類推進(jìn)劑具有很強(qiáng)的毒性及吸入致癌性[1]。為保障航天員、地面操作人員的健康,避免推進(jìn)劑泄漏可能造成的環(huán)境污染,發(fā)展無毒推進(jìn)技術(shù)取代肼類推進(jìn)技術(shù)近年來已經(jīng)成為一種趨勢(shì)[2-5]。HAN基推進(jìn)劑通常由硝酸羥胺、添加劑和水等組成[6]。與肼類推進(jìn)劑相比,HAN基推進(jìn)劑具有不致癌、毒性低和維護(hù)簡便快捷等優(yōu)勢(shì)[7-9]。

自20世紀(jì)90年代開始,國外對(duì)HAN發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)開展了大量研究[10-11]。2004年,美國空軍實(shí)驗(yàn)室研究出了代號(hào)為AF-M315E的HAN基推進(jìn)劑[12]。2012年,美國航空航天局對(duì)綠色推進(jìn)飛行演示驗(yàn)證(GPIM)項(xiàng)目立項(xiàng)[13-15],研制的HAN發(fā)動(dòng)機(jī)及其推進(jìn)系統(tǒng)于2019年搭載SpaceX公司獵鷹重型火箭完成發(fā)射工作。2017年開始,俄羅斯的火炬設(shè)計(jì)局開展了1 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī)研究,完成了發(fā)動(dòng)機(jī)地面和高空模擬熱試車[16]。日本空間研究機(jī)構(gòu)研制了代號(hào)為SHP163的HAN基推進(jìn)劑[17-18],并且三菱重工研制的1 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī)已用于小衛(wèi)星姿控推進(jìn)系統(tǒng)[19]。日本石川島播磨重工業(yè)株式會(huì)社(IHI)宇航研究中心還運(yùn)用3D打印技術(shù)研制了低成本的小型HAN發(fā)動(dòng)機(jī),后續(xù)也可能用于小衛(wèi)星[20]。

上?？臻g推進(jìn)研究所自1998年開始開展HAN發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作,但當(dāng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作所需預(yù)熱溫度較高,最終未裝備飛行。通過20多年的攻關(guān),研制的HAN發(fā)動(dòng)機(jī)先于美國、日本、俄羅斯和歐洲等國在國際上首次實(shí)現(xiàn)了飛行應(yīng)用,并初步完成了1～400 N推力型譜的研制[21-24]。其中,400 N發(fā)動(dòng)機(jī)是國內(nèi)研制的最大推力無毒單組元發(fā)動(dòng)機(jī),2020年為我國新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙精準(zhǔn)返回提供了可靠動(dòng)力,表明上?？臻g推進(jìn)研究所初步掌握了無毒單組元發(fā)動(dòng)機(jī)推力放大設(shè)計(jì)技術(shù);多種推力發(fā)動(dòng)機(jī)基于我國新一代運(yùn)載火箭輔助動(dòng)力無毒化的需求開展了工程樣機(jī)研制。

噴注器是單組元發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)十分重要的元件,其設(shè)計(jì)狀態(tài)影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性、效率和壽命等。單組元發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器主要有蓮蓬式(淋浴式)噴注器、多孔材料噴注器和穿入式噴注器3種類型。其中,蓮蓬式噴注器具有加工簡單、成本低、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn),因此目前絕大部分單組元發(fā)動(dòng)機(jī)均采用這種噴注方案[25]。本文的研究對(duì)象也是蓮蓬式噴注器。

傳統(tǒng)單組元肼發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)裝填了自發(fā)型催化劑,液體推進(jìn)劑接觸催化劑后在非常短的時(shí)間和空間(熱狀態(tài)反應(yīng)時(shí)間小于10 ms,空間長度小于5 mm)內(nèi)完成催化反應(yīng)生成高溫氣體。因此,常規(guī)肼發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要準(zhǔn)則是使推進(jìn)劑噴入催化床的分布盡可能均勻。

一般而言,HAN基推進(jìn)劑的催化分解速率比肼更慢(達(dá)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)),并且HAN基推進(jìn)劑燃燒溫度比肼更高[26-27],所以HAN發(fā)動(dòng)機(jī)工作一段時(shí)間后,催化劑效能進(jìn)一步下降,使得兩種推進(jìn)劑在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)傳熱特性不同。因此,HAN發(fā)動(dòng)機(jī)需要根據(jù)自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)相匹配的噴注器。

本文對(duì)HAN發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中推進(jìn)劑流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了分析,提出了與之相匹配的特種流量分配噴注器設(shè)計(jì)理論,并進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證與分析。

1 HAN發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作時(shí)催化床特性

HAN發(fā)動(dòng)機(jī)主要由閥門、噴注器、催化床、加熱器和噴管等組成,其中噴注器包括集合器、支架、毛細(xì)管和噴注板等結(jié)構(gòu)。HAN發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖如圖1所示,噴注器具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 HAN發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 噴注器結(jié)構(gòu)示意圖

HAN發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),單組元HAN基推進(jìn)劑在擠壓氣體的作用下通過閥門進(jìn)入噴注器,經(jīng)噴注器多根毛細(xì)管的流量分配后進(jìn)入預(yù)先加熱的催化床,液體HAN基推進(jìn)劑在催化床內(nèi)發(fā)生相變、催化分解和催化燃燒等物理化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生的高溫燃?xì)鈴膰姽芨咚倥懦?從而為航天器在空間提供飛行機(jī)動(dòng)或姿態(tài)控制的推力或沖量。

推進(jìn)劑噴入催化床前在噴注器內(nèi)有一個(gè)經(jīng)過多根毛細(xì)管的流量分配過程。毛細(xì)管出口端與噴注板通過釬焊固定連接,因此噴注板上與毛細(xì)管連接的小孔位置最終決定了推進(jìn)劑進(jìn)入催化床的幾何分布。圖3為傳統(tǒng)單組元肼發(fā)動(dòng)機(jī)噴注板上小孔分布典型示意圖,目標(biāo)是使推進(jìn)劑分布均勻。

圖3 單組元肼發(fā)動(dòng)機(jī)噴注板上小孔分布典型示意圖

肼推進(jìn)劑催化分解速率非常快,在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi),冷的液體推進(jìn)劑從噴注器噴入催化床后會(huì)在非常短的時(shí)間和空間內(nèi)完成催化反應(yīng)生成高溫氣體。

HAN基推進(jìn)劑催化分解速率比肼慢得多,因此HAN基推進(jìn)劑噴入發(fā)動(dòng)機(jī)催化床后,將先以液體形式在催化床內(nèi)流動(dòng)一小段距離,該過程推進(jìn)劑溫度升高并會(huì)發(fā)生相變等物理變化,當(dāng)推進(jìn)劑溫度升高到一定程度后才會(huì)與催化劑發(fā)生劇烈的催化分解/燃燒反應(yīng)生成高溫氣體。因此,HAN發(fā)動(dòng)機(jī)催化床內(nèi)推進(jìn)劑流動(dòng)傳熱特性與肼發(fā)動(dòng)機(jī)不同,而HAN發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器對(duì)推進(jìn)劑的流量分配方案需根據(jù)HAN發(fā)動(dòng)機(jī)催化床內(nèi)推進(jìn)劑流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本研究團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)對(duì)60 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī)催化床內(nèi)流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了仿真計(jì)算研究[26],HAN發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器采用的是傳統(tǒng)肼發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器設(shè)計(jì)方案,即均勻分配設(shè)計(jì)方案,仿真計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)位置示意圖如圖4所示,典型結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 仿真計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)位置示意圖

圖5 催化床內(nèi)不同位置HAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖6 催化床內(nèi)不同位置溫度分布

可以看出,靠近噴注板(圖5和圖6中x=0 mm處為噴注板與催化床接觸的位置)的催化劑前床(x=0～20 mm),中心位置溫度比邊緣更低,反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率中心位置比邊緣更低,反應(yīng)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)中心位置比邊緣更高。這可能是由于HAN基推進(jìn)劑噴入發(fā)動(dòng)機(jī)催化床后,冷的液體推進(jìn)劑在催化床內(nèi)吸熱升溫以及發(fā)生相變等過程,使得催化劑前床溫度大幅下降,然而催化劑前床壁面溫度可通過催化劑后床壁面高溫?zé)岱到S持一個(gè)相對(duì)較高溫度,因此中心溫度比邊緣更低;又由于溫度越高,化學(xué)反應(yīng)速率越快,因此反應(yīng)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)中心位置比邊緣更高。

本研究團(tuán)隊(duì)近年研究發(fā)現(xiàn),該現(xiàn)象不僅在60 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī)中出現(xiàn),而且在其他推力如5 N、25 N和150 N等發(fā)動(dòng)機(jī)上均存在類似現(xiàn)象。因此,HAN發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器如果采用傳統(tǒng)肼發(fā)動(dòng)機(jī)均勻分配噴注器方案,那么催化床推進(jìn)劑載荷反而更不均勻(中心載荷高、邊緣載荷低),中心溫度低,推進(jìn)劑反應(yīng)速率慢,而靠近發(fā)動(dòng)機(jī)壁面的高溫區(qū)又得不到充分利用,顯然這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命和穩(wěn)定性不利。

針對(duì)HAN發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性,本文提出了一種“外密內(nèi)疏”的推進(jìn)劑流量分配方案,即從邊緣至中心,分配的推進(jìn)劑流量逐漸減小,這樣可以充分利用邊緣處高溫促進(jìn)推進(jìn)劑的分解反應(yīng),從而可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命和穩(wěn)定性。

2 HAN發(fā)動(dòng)機(jī)特種流量分配噴注器設(shè)計(jì)方法

如前文所述,噴注板上與毛細(xì)管連接的小孔位置最終決定了推進(jìn)劑進(jìn)入催化床的幾何分布。因此,HAN發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器流量分配設(shè)計(jì)就是對(duì)噴注板上小孔幾何分布的設(shè)計(jì)。

噴注板上小孔幾何分布示意圖如圖7所示,傳統(tǒng)肼分解發(fā)動(dòng)機(jī)為使推進(jìn)劑分布均勻,則s1=s2=s3=…=t,其中t為分布在圓周上兩噴注孔之間的距離,sn為第n圈與第n-1圈(n=1時(shí),第n-1圈為噴注器直徑D的同心圓)之間的距離。不同圈孔之間的距離與每一圈兩孔之間的距離相等。

圖7 推進(jìn)劑分布同心圓示意圖

由前文分析可知,如果推進(jìn)劑是均勻進(jìn)入催化床,則對(duì)于HAN發(fā)動(dòng)機(jī)而言,其催化床載荷分布不均勻且中心載荷比邊緣更大,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作和工作可靠性不利。為提高HAN發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性,需創(chuàng)新性設(shè)計(jì)一種“外密內(nèi)疏”的推進(jìn)劑流量分配方案。

設(shè)噴注器直徑為D,噴管總數(shù)目N,從外至內(nèi),噴管分布越來越稀疏,即從外至內(nèi),同心圓之間的距離逐漸增加,各圈噴孔間距也逐漸增加,定義第n圈噴孔間距離為tn,第n圈與第n-1圈之間的距離為sn。

為了保證局部均勻性,給定從外至內(nèi)的第n圈噴孔間距等于第n圈與第n-1圈(n=1時(shí),第n-1圈為噴注器直徑D的同心圓)之間的距離,則t1=s1,t2=s2,…,tn=sn,并且定義s1,s2,…,sn之間的關(guān)系為s1=t1,s2=t2=c2s1,…,sn=tn=cns1。

一般地,cn≥cn-1≥…≥c2≥c1=1,則從外至內(nèi),第1圈至第n圈分布圓直徑分別為

(1)

從外至內(nèi),第1圈至第n圈內(nèi)噴孔間距分別為

(2)

推導(dǎo)可得

(3)

特別地,當(dāng)c1=c2=…=cn=1時(shí),式(3)退化為式(4),即傳統(tǒng)單組元肼分解發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器均勻分配的計(jì)算公式[25]。

(4)

由式(2)和式(3)可得

(5)

針對(duì)新型無毒單組元HAN發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性,上述內(nèi)容給出了非均勻噴注方案設(shè)計(jì)的一般計(jì)算方法,即只要明確c1,c2,…,cn的值或它們之間的關(guān)系,就可計(jì)算并設(shè)計(jì)出“外密內(nèi)疏”噴注器結(jié)構(gòu)。

一般地,cn的取值范圍為1.0～1.5。當(dāng)cn=1.0時(shí),為傳統(tǒng)均勻分布;當(dāng)cn>1.5時(shí),流量分配將過于不均勻,此時(shí)同樣會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。具體取值可按推進(jìn)劑在催化劑上的點(diǎn)滴反應(yīng)時(shí)間來選取[21]。點(diǎn)滴反應(yīng)時(shí)間越短,則反應(yīng)速率越快,設(shè)計(jì)就越可以與常規(guī)肼發(fā)動(dòng)機(jī)均勻分配接近,cn取值就越接近1;反之,cn取值就越接近1.5。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得:當(dāng)推進(jìn)劑點(diǎn)滴反應(yīng)時(shí)間不大于60 ms時(shí),取cn=1;當(dāng)推進(jìn)劑點(diǎn)滴反應(yīng)時(shí)間不小于500 ms時(shí),cn的最大值可取1.5;當(dāng)推進(jìn)劑點(diǎn)滴反應(yīng)時(shí)間為250 ms左右時(shí),cn的最大值可取1.25左右。

目前研制的HAN基推進(jìn)劑點(diǎn)滴反應(yīng)時(shí)間一般為200 ms左右,因此cn的最大值約1.2。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的“外密內(nèi)疏”噴注器方案的合理性,對(duì)采用傳統(tǒng)肼發(fā)動(dòng)機(jī)均勻分配方案噴注器的60 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī)和新型“外密內(nèi)疏”特種流量分配方案噴注器的60 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。

60 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器采用35根毛細(xì)管對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行分配,因此噴注板上對(duì)應(yīng)有35個(gè)小孔。35個(gè)小孔共分為3圈,對(duì)于傳統(tǒng)均勻分配方案的噴注器,有

c1=c2=c3=1

(6)

對(duì)于“外密內(nèi)疏”型噴注器,給定的非均勻參數(shù)為

(7)

即

c1=1,c2=1.1,c3=1.21

(8)

噴注器直徑D=42 mm(與催化床內(nèi)徑相等),針對(duì)流量分配,兩種噴注器中噴注板上的35個(gè)小孔均分成3圈,小孔分布的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,兩種方案噴注板上小孔分布示意圖如圖8所示。

表1 兩種方案噴注板上小孔分布參數(shù)

圖8 兩種方案噴注板上小孔分布示意圖

兩發(fā)動(dòng)機(jī)除噴注器流量分配方案不同外,其他條件均相同,如催化床結(jié)構(gòu)和尺寸相同,使用的催化劑均為華東理工大學(xué)研制的BH160催化劑,并且熱試車試驗(yàn)用的推進(jìn)劑均為北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所研制的SH113推進(jìn)劑,試車過程也相同。

在其他條件相同的情況下,兩發(fā)動(dòng)機(jī)長穩(wěn)態(tài)工作性能如圖9所示,可以得出以下結(jié)果。

圖9 兩種不同噴注器的60 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī)長穩(wěn)態(tài)工作性能

1)對(duì)于采用傳統(tǒng)肼發(fā)動(dòng)機(jī)均勻分配方案噴注器的60 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī),不能完成1 200 s穩(wěn)態(tài)工作,并且在工作680 s之后,發(fā)動(dòng)機(jī)室壓幾乎呈直線下降,則此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)失效,壽命終止。

2)對(duì)于采用新型“外密內(nèi)疏”特種流量分配方案噴注器的60 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī),可較平穩(wěn)地完成1 200 s穩(wěn)態(tài)工作,并且工作結(jié)束時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)性能幾乎沒有下降,說明發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)間可達(dá)1 200 s甚至更長時(shí)間。

通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),HAN發(fā)動(dòng)機(jī)采用新型“外密內(nèi)疏”特種流量分配方案噴注器,穩(wěn)態(tài)工作壽命至少可提高75%。

4 結(jié)束語

HAN基推進(jìn)劑催化分解速率比肼慢1～2個(gè)數(shù)量級(jí),其噴入發(fā)動(dòng)機(jī)后先以液體形式在催化床內(nèi)流動(dòng)一段距離,使得HAN發(fā)動(dòng)機(jī)催化床內(nèi)推進(jìn)劑流動(dòng)傳熱特性與肼發(fā)動(dòng)機(jī)不同。

研究發(fā)現(xiàn),如果噴注器借用傳統(tǒng)均勻分配的設(shè)計(jì)方案,那么推進(jìn)劑將在催化床中心載荷更高,反而使得發(fā)動(dòng)機(jī)催化床載荷不均勻,并且中心溫度低、反應(yīng)速率低,而邊緣的高溫得不到充分利用,該結(jié)果顯然影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命和穩(wěn)定性。針對(duì)HAN發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案容易引起催化床中心過載的問題,本文創(chuàng)新性地提出了一種“外密內(nèi)疏”流量分配噴注器設(shè)計(jì)方法,并給出了該方法的設(shè)計(jì)理論。

為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的有效性,對(duì)采用傳統(tǒng)肼發(fā)動(dòng)機(jī)均勻分配方案噴注器的60 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī)和新型“外密內(nèi)疏”特種流量分配方案噴注器的60 N HAN發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,HAN發(fā)動(dòng)機(jī)采用新型特種流量分配方案噴注器,可提高75%以上的穩(wěn)態(tài)工作壽命,具有良好的工程應(yīng)用前景。