长期以来,液体动力系统广泛使用肼类推进剂,由于其毒性大、系统复杂、使用维护不便等不足,越来越无法满足现代动力技术的要求。为了寻找肼类推进剂的替代推进剂,各国开展了大量新型推进剂的研究工作。在NASA、IR&D基金的支持下,由美国Firestar科技公司自2003年起研发出了一种氧化亚氮-燃料(乙炔、乙烯或乙烷等)复合为一体的单元复合推进剂^[1],称为NOFBX。作为一种新型绿色、无毒推进剂,NOFBX推进剂与肼类推进剂相比主要具有以下优点^[1-3]:

1)推进剂本身及产物无毒,绿色环保,生产及使用成本低;

2)比冲性能高,理论真空比冲最高可达325～340 s,达到甚至超过了N₂O₄/MMH的比冲性能;

3)具备深度节流能力,可实现100:1以上的推力变比;

4)可实现贮箱自增压,无需涡轮泵或增压气瓶等增压装置,供应系统简单;

5)可贮存温度范围宽,冰点<-70℃,有效贮存温度范围为-70～ 70℃;

6)应用范围广,一种推进剂和推进系统结构几乎可满足所有空间飞行器姿态及轨道控制的需要。

综上所述,NOFBX推进剂兼具了传统单组元和双组元推进剂的双重优点,同时具有固体推进剂将氧化剂与燃料复合进行预包装的优点,是目前最具有应用前景的高能、绿色、无毒单组元推进剂之一。

作为最早提出NOFBX推进剂概念的国家,美国在该领域的研究工作^[1-8]一直处于领先地位。2003年,Firestar公司的Mungas研究团队对NOFBX推进剂的制备、理化性质及化学燃烧机理开展了大量基础研究工作,技术成熟度达到1～2级。2004—2007年,该研究团队进一步研究了NOFBX推进剂相关的特征性能参数及物性参数,包括理论比冲、燃气温度、热点火极限、推进剂毒性、相平衡参数、临界参数、蒸发潜热以及混合物稳定性等,并研发了NOFBX推进剂的第一台原理样机,该样机采用脉冲工作模式,推力为0.4 N,首次验证了NOFBX发动机系统原理的可行性。2008—2011年,Firestar公司又相继完成了9 N,22 N,110 N和445 N等不同推力NOFBX发动机原理样机的研制和热试,技术成熟度达到7～9级。其中,110 N发动机首次采用了基于金属多孔材料的微通道再生冷却技术,实现了30 s以上的稳定工作; 445 N发动机同样采用了微通道再生冷却技术,燃烧室材料为铝合金的轻质材料,尾喷管则采用轻质耐高温的碳碳复合材料制成,通过一系列的高模试车,各项性能指标均达到设计要求,具备多次启动能力,实测的真空比冲超过320 s,燃烧室的内、外壁面温度分别低于500℃和200℃,充分验证了微通道再生冷却技术良好的冷却性能。

德国航空航天中心(DLR)^[9-13]针对NOFBX推进剂发动机技术开展的研究工作主要集中在该推进剂的点火、燃烧、回火及传热特性等基础研究方面。值得一提的是,为了降低试验过程的安全风险,DLR在试验过程中未采用氧化剂与燃料复合为一体的NOFBX推进剂,而是将氧化剂N₂O及燃料C₂H₄按相应比例分别供应并在推力室喷注之前进行混合后进入模型燃烧室进行点火燃烧。试验得到了N₂O/C₂H₄推进剂组合的特征速度和燃烧效率等参数,并得到了混合比、室压以及燃烧室特征长度等因素对燃烧性能的影响。此外,DLR还进行了烧结金属多孔材料的压降特性和防回火特性试验,得到了发生回火的临界Peclet数,并开展了NOFBX模型燃烧室热载荷特性的试验和数值仿真研究。

国内在氧化亚氮/燃料单元复合推进剂领域的研究起步较晚,开展相关研究工作的单位不多。2016年,朱成财^[14]等人国内首次完成了千克级氧化亚氮/乙烯单元复合推进剂的生产制备和推进剂基础理化性能测试,对国内外氧化亚氮基单元复合推进剂的配方体系、发动机设计、燃烧过程及安全性等方面的研究进展进行了综述,并结合我国液体推进剂实际现状,提出了开展氧化亚氮基单元复合推进剂的研究思路。李智鹏^[15]等对氧化亚氮/乙烯单元复合推进剂在不同混合比、不同压力条件下的层流火焰传播速度进行了理论计算,并通过与试验结果的对比验证了计算方法的可靠性。

针对国内在氧化亚氮/乙烯单元复合推进剂燃烧特性和防回火技术研究方面的不足,本文开展了模型燃烧室条件下氧化亚氮/乙烯推进剂预混燃烧试验研究,通过试验获得了特征速度和燃烧效率随混合比及燃烧室特征长度等因素的变化规律,并验证了烧结金属多孔材料的防回火性能的有效性,为将来该推进剂发动机研制奠定了基础。

本文通过N₂O/C₂H₄推进剂预混燃烧特性试验研究,得出以下结论:

1)当量孔径为65 μm、厚度为5 mm的不锈钢多孔材料具有良好的防回火效果,可满足N₂O/ C₂H₄预混燃烧室防回火要求;

2)在混合比6.2～10.6的范围内,N₂O/C₂H₄推进剂预混燃烧的理论特征速度C^*_th和试验特征速度C^*总体上均随着混合比的增大而减小;

3)随着燃烧室特征长度的增大,燃烧效率先增大后减小,对本试验特定喷注器结构的铜热沉燃烧室来说,最佳的燃烧室特征长度在1.675 m左右;

4)后续将进一步开展N₂O/C₂H₄单元复合推进剂的燃烧特性试验以及不同当量孔径、不同厚度不锈钢多孔材料的防回火性能测试试验,为NOFBX发动机原理样机的研制奠定基础。