作者简介:鲍世国(1982—),男,博士,研究员,研究领域为绿色单组元液体推进剂。
1.北京航天试验技术研究所 航天绿色推进剂研究与应用北京市重点实验室,北京 100074; 2.航天推进技术研究院,陕西 西安 710100; 3.中国航天科技创新研究院,北京 100088
1.Beijing Key Laboratory of Research and Application for Aerospace Green Propellants,Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074, China; 2.Academy of Aerospace Propulsion Technology, Xi'an 710100, China; 3.China Academy of Aerospace Science and Innovation, Beijing 100088, China
the novel green monopropellant propulsion system; HAN-based monopropellant; ADN-based monopropellant; attitude-orbit control system
DOI: 10.3969/j.issn.1672-9374.2024.05.001
备注
作者简介:鲍世国(1982—),男,博士,研究员,研究领域为绿色单组元液体推进剂。
引言
单组元推进系统由于具有工作系统简单、可靠性高等特点,在火箭、飞船和卫星等姿轨控动力系统以及燃气发生器中得到广泛使用。由于肼类单组元推进剂具有高性能和可贮存等优点,自1960年首次使用以来,一直是单组元推进系统用推进剂的首选[1-4]。其中,无水肼主要应用于卫星姿轨控动力系统,理论比冲约230 s。肼-70主要用于应急动力系统和燃气发生器,理论比冲比无水肼低。1980年,我国为解决推进剂冰点问题,开发了低冰点单组元推进剂DT-3,其理论比冲与无水肼相似,约232 s。近年来,由于环境保护要求的日益严格和载人航天技术的发展,对单组元推进系统又相继提出了无毒化和高能化的性能需求,研制新型绿色高能单组元推进剂成为现阶段主要发展方向。
单组元推进剂的发展经历了从低能量到高能量、从有毒推进剂到无毒推进剂的发展过程。按所使用推进剂的能量特性和毒性的不同,单组元推进剂的发展可以划分为3个阶段:第一阶段为以无水肼等肼类推进剂为代表的有毒推进剂阶段; 第二阶段为以能量水平与无水肼相当的HAN基单组元推进剂和ADN基单组元推进剂为主,可以划分为中能无毒推进剂阶段; 第三阶段则是以两种高能量HAN基和ADN基推进剂为代表,划分为高能无毒单组元推进剂阶段。
随着载人航天技术的发展和“绿色、环保、安全”航天理念的进一步强化,使用绿色无污染推进剂替代传统有毒推进剂必然是单组元液体推进剂未来发展的主要方向[5-10]。HAN基单组元推进剂和ADN基单组元推进剂是绿色单组元液体推进剂的代表性品种,它们是由硝酸羟铵/二硝酰胺铵等氧化性组分、燃料和水通过复配而形成的均匀混合物,具有绿色无污染、密度大、比冲性能可调节、饱和蒸汽压低等特点,可应用于卫星、飞船、运载火箭和空间飞行器等的姿轨控动力系统[11-18]。
1 HAN基单组元液体推进剂
2 ADN基单组元液体推进剂
3 绿色单元液体推进剂的非催化点火
目前,单组元离子液体推进剂常用的点火方式为催化点火。单组元离子液体推进剂点火活化能较高,通常的火焰或电火花均无法使其发生快速分解燃烧,而催化剂则能显著提高推进剂的分解活性,使其在较低预热温度下即发生分解。催化点火即单组元离子液体推进剂在催化剂的作用下发生快速点火燃烧的一种点火方式。当推进剂接触到催化剂时,离子液体在催化剂的作用下首先发生催化分解,释放出氧化性产物,氧化性产物再与燃料发生催化燃烧,释放出大量热量,最终形成小分子燃烧产物,实现推进剂的点火与燃烧。由于受催化床预热温度、环境温度、高燃温和催化剂成本等因素的影响,单组元离子液体推进剂催化点火的应用范围受到了一定限制。
非催化点火是单组元液体推进剂的一种全新点火工作方式,即液体推进剂在外加能量的作用下发生热分解生成氧化性产物,燃料与氧化性产物混合后被点燃,发生剧烈分解燃烧,最终实现化学能向动能的转化。该点火模式下推进剂可以摆脱对催化剂地依赖,依靠点火器实现点火燃烧,有效弥补了液体推进剂在催化点火模式下的固有缺陷,从工作模式角度分析更接近于双组元推进剂。非催化点火过程中根据点火原理不同,分为电解分解点火、等离子体点火、激光点火、高温燃气点火和引发剂点火等[71]。
3.1 电点火2005年,Larsson等[72]通过电阻式加热点火方式对ADN基液体推进剂(FLP-105和FLP-106推进剂)进行点火试验,点火装置如图 16所示。研究结果表明,通过电阻加热成功实现了ADN基液体推进剂点火,并且点火所需的能量较低。点火不是通过对样品的均匀加热而实现,而是在电极局部启动的,点火速度快,点火时间小于2 ms。电阻式加热点火所需的能量较低,使得其可以用于对质量和体积有限制的航天器。
图 16 点火装置示意图[72]
Fig.16 Schematic diagram of the ignition device[72]2009年,Meng等[73]建立了HAN基推进剂电解分解与点火技术的推进装置(见图 17),在此基础上提出了相应的电化学理论,结合电化学机理与分子动力学,对HAN基推进剂电解点火过程进行了数值模拟,研究了HAN基推进剂电解分解点火的影响因素。研究表明,与热分解相比,电解分解点火有助于HAN基推进剂分解。在一个恒定的温度和一个指定的初始体积条件下,点火延时时间随电流的增加而逐渐降低; 在一个恒定的温度和一个指定的电流条件下,点火延迟时间随着体积的增大而逐渐增大。
图 17 HAN基单组元推进剂电解引导点火的电化学反应过程示意图[73]
Fig.17 Physiochemical processes involved in electrolytic induced ignition of HAN-based monopropellant[73]2008年,台湾成功大学的Wu等[74]开发了一种采用电解分解点火的HAN基推进剂微推力器。微推力器只能进行脉冲工作,HAN基推进剂注入燃烧室后,通过电解分解点火生成高温、高压气体产生推力,重复这一过程进行脉冲工作。研究表明,当输入电压较低时,HAN基推进剂不能通过电解分解点燃; 当输入电压适中,点火延迟时间随着输入电压的增加而降低; 当输入电压较高时,点火延迟时间随着输入电压的增加而升高,当输入电压为45 V时,产生的最大推力约为200 mN。
2008年,余永刚等[75]研究了HAN基液体推进剂的电点火特性,通过设计推进剂液滴电加热点火试验装置,利用高速录像技术手段,观测了LP1846推进剂液滴在不同电加热速率下的点火特性。结果表明,LP1846液滴在通电时主要经历了蒸发过程、周期性膨胀收缩过程、热分解过程和着火燃烧过程这4个点火过程,且在膨胀收缩过程中伴有微爆现象发生。电压加载速率从80 V/s增大到140 V/s过程中,液滴着火延迟期从0.82 s变为0.62 s,电压加载速率越大,着火时火焰越明亮。
2016年4月,数字固态推进公司(DSSP)报道了一种可电点火的HAN基单组元推进剂并进行了点火方案设计和点火评价[76]。采用的新型高性能HAN基推进剂代号为GEM,理论比冲为283 s,密度为1.51 g/cm3,水含量为2.5%,目前DSSP公司正在针对该推进剂开发1~22 N化学推力器。
2018年,Wilhelm等[77]分别通过辅助火焰点火和加热棒点火对ADN基液体推进剂FLP-106和LMP-103S进行热点火试验,加热棒点火比辅助火焰点火效果更好,采用加热棒点火对ADN基液体推进剂进行点火,展现出优异的推进剂分解和点火行为(见图 18)。研究表明,水的蒸发对推进剂的点火起到重要作用。首先,推进剂需要通过蒸发部分水来进行调节; 在这一阶段,点火器向推进剂的传热是影响点火延迟时间的主要因素; 推进剂中的水蒸发后,推进剂开始分解,外部热反馈是维持推进剂分解和燃烧的必要条件。
图 18 采用加热棒点火对LMP-103S进行初步点火试验[77]
Fig.18 Preliminary glow plug ignition test with LMP-103S[77]2019年,Negri等[78]通过火炬式点火器对两种ADN基单组元推进剂(LMP-103S和FLP-106推进剂)进行点火试验,通过在燃烧室安装多孔镶嵌物,实现了两种推进剂的点火,但是在选定的试验条件下不能实现推进剂的持续燃烧。研究表明,只有当推进剂蒸发时,气化推进剂暴露于点火源,才能实现两种ADN基液体推进剂的热点火,而液体形式的推进剂点火失败。LMP-103S和FLP-106推进剂的热点火在开放式燃烧室中实现,由于多孔镶嵌物含有铜,推进剂燃烧呈绿色火焰。多孔镶嵌物可以储存热能以蒸发推进剂,并且增加了推进剂在燃烧室中的停留时间,从而增加了实现完全蒸发和点火的机会,有助于推进剂的点火。
2020年,李雷等[79]开展了钨丝、钼丝两种电极对ADN基推进剂电点火性能的影响研究,探索了电压(180~230 V)对推进剂点火延迟时间、燃烧持续时间以及燃烧过程的变化规律,图 19为直观图像和纹影图像。研究表明,在不同电极、不同电压下,采用加热的方法均能将ADN基液滴成功点燃。采用钨丝电极时,燃烧持续时间、点火延迟时间以及点火反应总时间均随着电压的增大而逐渐减小。采用钼丝电极时,在180~200 V范围内,点火延迟时间随着点火电压增加逐渐降低,在200~230 V电压范围内,点火延迟时间基本维持不变; 燃烧持续时间随着电压增加稍有增加; 点火反应总时间在试验电压范围内基本不变,维持在1.5 s左右。
图 19 液滴点火过程直观图像和纹影图像[79]
Fig.19 Real and schlieren images of droplet ignition process[79]2024年,Li等[80]为了突破催化剂失活和无法冷启动的技术瓶颈,采用主动点火技术中的电点火方法研究了ADN基液体推进剂在容积燃烧室中的电点火和燃烧特性,并研究了点火电压和电极结构对ADN基液体推进剂电点火特性的影响机制。研究表明,点火电压升高会促进ADN基液体推进剂的点火过程,减少电能输入和加热效应,同时对推进剂的燃烧过程产生不利影响。当使用网状电极时,点火电压的增加增强了推进剂的点火过程,同时抑制了其燃烧过程。与条状电极相比,网状电极增加了电极与推进剂的接触面积,增大了电点火过程中的电能输入功率,减少了点火延迟时间,网状电极可以在一定程度上促进推进剂的燃烧过程。
北京航天试验技术研究所开展了HAN基单组元推进剂电点火技术可行性研究,设计搭建了推进剂电点火性能评价系统,研制了多种推进剂配方,为后续非催化点火HAN基单组元推进剂的研制和应用奠定了基础。
3.2 等离子体点火2012年,日本宫崎大学和九州岛技术研究所公开了HAN基单组元推进剂的等离子点火燃烧试验研究结果,采用1 N推力器(见图 20),推进剂为SHP163推进剂。研究表明,推力器燃烧效率仅有67%,燃烧效率偏低的主要原因是推进剂分解燃烧不完全,甚至有部分推进剂以液体形式喷出[81]。2013年,日本京都大学以及日本空间研究机构采用脉冲放电产生的等离子体对SHP163推进剂进行点火。研究表明,等离子体生成器能成功产生等离子体,但空间分布是不均匀的[82]。
图 20 1 N级推力器采用等离子体辅助燃烧的原理图[81]
Fig.20 The schematic diagram of 1 N-stage thruster using plasma-assisted combustion[81]3.3 微波与激光点火2009年,Northrop Grumman空间技术公司的Alfano等[83]在AFRL支持下对AF-M315E推进剂进行了激光点火试验,试验结果表明,波长为2.94 μm和10.6 μm、激光能量为0.6 J的红外激光可点燃推进剂,而波长为193 nm和248 nm的紫外激光不能点燃推进剂,说明红外激光可以点燃推进剂而紫外激光不可以。
2014年,宾州大学Lani[84]介绍了采用微波等离子体点火器点燃HAN基推进剂和ADN基推进剂的研究工作,分别考察了HAN/ADN水溶液、HAN/ADN+燃料+水等不同体系的点火性能和自维持情况,发现推进剂体系中加入燃料后能够明显改善燃烧性能,实现自维持燃烧。研究中使用的微波等离子体火炬点火器采用He气作为等离子气源,输入功率为500 W,频率为2.45 GHz。
2020年,Matsunaga等[85]开展了ADN基离子液体推进剂(ADN、MMAN和尿素的共晶混合物)的激光点火试验,以评估激光点火的可行性和点火的要求。研究表明,采用2 W的可见光激光器可以成功点燃ADN基离子液体推进剂,点火延迟时间为590 ms,激光点火是一种可行的新型点火方式。同年,Itouyama等[86]对在碳纤维存在下通过连续激光加热引起的ADN基离子液体推进剂点火进行了试验,根据相应的温度和压力曲线将激光功率和点火延迟进行关联,阐明了激光功率对推进剂点火的影响。研究表明,大功率连续激光加热导致表面形成气泡,干扰进一步加热。加热速率和点火延迟之间的相关性表明,通过提高激光功率来预见点火延迟的极限,有望作为相关推进器发展的指导方针。
Cheng等[87]采用ADN和[AMIM][DCA]两种离子液体分别作为液体推进剂的氧化剂和燃料,以达到最大的微波吸收效果,实现了ADN基液体推进剂的微波控制点火和燃烧,并进行了系统的研究,重复点火延迟如图 21所示。研究表明,混合体系的热性能、电导率和热导率均得到了较大的提高,在微波辐射下被成功点燃,在更高的功率输入下点火延迟时间下降。火焰在气相中产生,并迅速扩散到溶液中,其点火机制可以归因于离子的空间电荷极化和水分子的取向极化,它们产生大量的热量,导致组分的快速分解。样品的熄灭与微波的输入停止高度一致,说明燃烧过程依赖于微波的输入。关于重复点火,温度的升高加速了离子在第一次点火后的移动速度,从而显著减少了点火延迟时间。总的来说,ADN基离子液体推进剂微波控制点火、燃烧和灭火的成功实现,将拓宽其在空间燃料中的应用范围,为液体发动机提供新的方向。
图 21 ADN/[AMIM][DCA]的重复点火延迟图[87]
Fig.21 Repeated ignition delay diagram of ADN/[AMIM][DCA][87]2024年,Hou等[88]研究了氧化铝(Al2O3)纳米颗粒在微波辐射下对ADN基液体推进剂液滴微爆炸强度、点火延迟时间、燃烧持续时间、临界点火功率等的影响。氧化铝纳米颗粒以25×10-6、50×10-6、100×10-6的质量比均匀分散在基于ADN的推进剂中,从而形成纳米燃料。研究表明,与未加入Al2O3纳米颗粒的推进剂相比,浓度为25×10-6的纳米燃料的点火延迟时间减少了33.5%,临界点火功率减少了9%。此外,分析了纯推进剂和纳米燃料的发射光谱特性,表明氧化铝纳米颗粒显著增强了ADN的热分解和甲醇燃烧的放热反应。
3.4 高温燃气点火美国犹他州立大学的Whitmore等[89-91]开发了一种名为“微混合”点火器的高温燃气点火方案,该点火器概念验证样机的零件分解图如图 22所示。研究表明,“微混合”点火器要求的输入功率低,但输出功率非常高,而且可以重复启动,是一种可靠的点火方案。“微混合”点火器的工作过程为:在高电压差作用下,产生静电感应火花,从而使少量的ABS固体融化并产生蒸气,此时氧化剂气流流过燃料颗粒表面,电火花使蒸气在燃料颗粒表面形成局部燃烧,燃烧反应释放的热量使更多的燃料蒸发,并且迅速得到一个持续的燃烧反应。燃烧排出的气体温度经测量可以超过2 400 ℃,从而使HAN基推进剂点火。目前,ABS燃料可以实现27次重复点火。
图 22 点火器概念验证样机的零件分解图[89]
Fig.22 Part decomposition diagram of conceptual verification prototype of igniter[89]随后,Whitmore等又进行了24%、45%、50%和65%的HAN水溶液点火试验。结果表明,点火器不能点燃24%HAN水溶液,45%以上的HAN水溶液实现了点火,点火器能够使65%HAN水溶液快速分解点火,燃烧室温度超过500 ℃。报道进一步指出,需要对HAN水溶液进行精细雾化才能实现自持燃烧,并且与燃料的组分相关,如果在HAN水溶液中添加如甲醇等燃料,那么点火可能会更困难,因为甲醇的加入会降低HAN的热分解速率,因此HAN基推进剂配方设计也非常重要。Rheform项目在无热床时不能点火,但Whitmore等实现了无热床点火,这可能与设计的发动机室压、推进剂雾化程度和推进剂配方有关。
3.5 引发剂点火由于HAN基无毒单组元推进剂无法在常温下实现快速催化点火,必须将催化床预热到较高温度。而某些动力系统(如飞机应急动力装置EPU)使用时对催化床加热时间极短,通常无法达到推进剂对催化床的预热要求。2013年,针对EPU动力系统应用时无法将催化床迅速预热到指定催化点火温度这一问题,美国空军提出了一种引发剂点火方案[92]。该点火方式采用一种液态引发剂在燃烧室前端与推进剂接触后瞬间引发推进剂分解燃烧,放出的热量维持后续推进剂的分解,具有点火快速、高效和易维持稳定燃烧的特性。
4 从绿色单元液体推进剂发展中得到的启示
从绿色单组元液体推进剂的研制和应用历程分析,无毒化是单组元动力系统发展的必然趋势,而单组元离子液体推进剂由于其绿色无毒和常温易贮存等特点而成为绿色单组元动力系统的首选品种。绿色单组元液体推进剂的发展离不开与硝酸羟铵/二硝酰胺铵相匹配的含能燃料化合物和助剂的发展,可以认为从推进剂角度,含能燃料化合物的性能决定了推进剂的综合性能。绿色单组元推进剂分解催化剂的研制参考了无水肼分解催化剂,在Shell405催化剂的基础上经改进获得,目前仍然对含肼基的化合物具有较好催化分解活性,从而衍生出了优选肼基富氮离子盐作为燃料化合物或助剂(例如硝酸羟乙基肼),形成了现阶段成型并取得应用的推进剂。然而,富氮含能离子化合物种类众多,达到百余种以上,其中不乏有性能优于肼基富氮离子盐的物质存在,通过与硝酸羟铵/二硝酰胺铵匹配后可获得更优异的性能,使绿色单组元液体推进剂能够应用到更多的领域。因此,新型富氮含能离子化合物的设计、合成以及与硝酸羟铵/二硝酰胺铵的匹配性研究仍然是推进剂设计领域的关键问题。
硝酸羟铵、二硝酰胺铵等含能离子盐的催化分解活化能较高,其在较低催化床温度下的催化分解速率较慢。同时,HAN基单组元推进剂和ADN基单组元推进剂的催化分解燃烧过程复杂,包含硝酸羟铵等的催化分解和燃料化合物的燃烧,推进剂在催化床中的分解燃烧过程受催化床温度、发动机推力等条件影响巨大,因此,绿色单组元液体推进剂的研制和应用通常从小推力发动机开始,遵循发动机推力逐级放大的思路进行验证。例如,国内外绿色单组元液体推进剂均从卫星姿控动力系统开始研制和应用,之后逐渐将推力放大,研制在22 N、60 N、150 N、300 N和400 N中的应用。
绿色单组元液体推进剂具有比冲可调节的特点,通过调整与硝酸羟铵或二硝酰胺铵相匹配的燃料化合物的能量、添加比例等方法可获得不同比冲性能和燃温的推进剂配方,根据理论推算,推进剂配方理论比冲可达到270~280 s。基于绿色单组元液体推进剂的比冲可调节特点,追求高比冲必然是首要的追求目标,例如,美国开发的ASCENT单组元推进剂,其理论比冲可高达266 s; 日本开发的SHP163推进剂,其理论比冲更高,达到了273 s。然而,推进剂在获得高比冲的同时也必然带来了超过1 500 ℃以上的高燃温,如此高的温度已经超过了现有大部分催化剂载体材料和金属材料的耐温极限,使催化剂迅速烧结、发动机烧断而无法继续工作。因此,发展高能绿色单组元液体推进剂需要以耐高温载体材料和发动机材料的优先发展为基础,在未获得理想的耐高温催化剂载体材料和发动机材料前,优先发展理论比冲220~250 s的中能绿色单组元离子液体推进剂,保证绿色单组元推进系统工作的可靠性更具有工程化意义。
“轻质化”是当前单组元动力系统的重要性能指标,卫星、运载等航天器均致力于减轻自身质量以增加有效载荷。然而,HAN基推进剂和ADN基推进剂在启动过程中需要对催化床进行预热则不利于动力系统的轻质化,加热催化床需要携带加热电源等装置,增加了动力系统自身的质量,因此,开展绿色单组元液体推进剂常温启动甚至是低温启动技术研究就显得十分必要。一方面可以满足卫星等航天器自身减质的要求,增加有效载荷; 另一方面也能进一步拓宽绿色单组元液体推进剂的应用领域,使其能够应用于无法携带加热源的应用场合。然而,由于绿色单组元液体推进剂的高分解活化能,其常温启动性能研究仍然有很长的路要走,需要在推进剂催化分解活性、推进剂催化剂匹配性优化等方面持续开展关键技术攻关。
非催化点火是解决绿色单元液体推进剂常温启动和高燃温问题的一条可行途径,然而由于绿色单元液体推进剂点火和自维持燃烧十分困难,目前尚未找到有效的非催化点火和燃烧途径,研究尚处于探索阶段,离工程化应用距离尚远。
5 结论
随着推进技术的发展和“绿色、环保、安全”航天理念的进一步强化,使用绿色无污染推进剂替代传统有毒推进剂必然是单组元液体推进剂未来发展的主要方向,在航天、国防等领域具有广阔的应用前景。HAN基单组元液体推进剂与ADN基单组元液体推进剂在配方设计方面开展了大量工作,并且取得了关键性突破,已经多次成功完成在轨飞行应用。然而,高燃温和常温条件下催化分解速率慢仍然是限制其进一步发展的关键技术瓶颈,未来仍然需要在耐高温催化剂载体、耐高温材料、推进剂催化分解活性等方面持续开展研究,开发与催化剂和发动机材料耐温性能匹配、具备常温可靠启动能力的新型绿色单组元推进剂。非催化点火技术虽然能够避免催化剂高温烧结给推进剂带来的局限,但由于离子液体推进剂在分解和自维持燃烧上的困难,使其在工程化进程中困难重重。
- [1] 李小芳. 无毒单组元发动机技术研究[J]. 上海航天, 2001, 18(3): 26-31.
- [2]SCHNEIDER S, HAWKINS T, AHMEDAND Y, et al. Cataytic hyoergolic bipropellants[J]. Journal of Cutaneous Pathology, 2014, 8(758): 53181.
- [3]KANG H, PARK S, PARK Y, et al. Ignition-delay measurement for drop test with hypergolic propellants: Reactive fuels and hydrogen peroxide[J]. Combustion and Flame, 2020, 217: 306-313.
- [4]周汉申. 单组元液体火箭发动机设计与研究[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2009.
- [5]BADGUJAR D M, TALAWAR M B, ASTHANA S N, et al. Advances in science and technology of modern energetic materials: an overview[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 151(2/3): 289-305.
- [6]方杰,王尊,严浩,等.双模式离子液体推进剂真空条件催化点火特性[J].火箭推进,2022,48(5):1-8.
- [7]HE J X, WANG Y T, CAO Y L, et al. Development direction of high energetic oxidizers for solid composite propellants[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2018, 26(4): 286-289.
- [8]何金选, 王业腾, 曹一林, 等. 固体推进剂高能氧化剂的发展方向[J]. 含能材料, 2018, 26(4): 286-289.
- [9]贺芳, 方涛, 李亚裕, 等. 新型无毒液体推进剂研究进展[J]. 火炸药学报, 2006, 29(4): 54-57.
- [10]LEMMER K. Propulsion for cubesats[J]. Acta Astronautica, 2017, 134: 231-243.
- [11]TUMMALA A R, DUTTA A. An overview of cube-satellite propulsion technologies and trends[J]. Aerospace, 2017, 4(4): 58.
- [12]FRISBEE R H. Advanced space propulsion for the 21st century[J]. Journal of Propulsion and Power, 2003, 19(6): 1129-1154.
- [13]白梅杉,於希乔,陆文杰,等.硝酸羟胺发动机喷注器特种流量分配方法[J].火箭推进,2023,49(5):99-106.
- [14]胡平信, 刘国球. 液体火箭发动机的技术发展与展望[J]. 导弹与航天运载技术, 1998(2): 1-10.
- [15]沈赤兵, 王克昌, 陈启智. 国外小推力液体火箭发动机的最新进展[J]. 上海航天, 1996, 12(3): 41-45.
- [16]周悦, 公绪滨, 方涛. 硝酸羟铵基无毒单组元推进剂应用探讨[J]. 导弹与航天运载技术, 2015(4): 32-35.
- [17]方涛, 贺芳, 盛云龙, 等. 硝酸羟铵基单组元推进剂研究[C]//第三届全国化学推进剂学术会议. 张家界: 中国化学会, 2007.
- [18]SUTTON G P. History of liquid propellant rocket engines in the United States[J]. Journal of Propulsion and Power, 2003, 19(6): 978-1007.
- [19]MITTENDORF D, FACINELLI W, SARPOLUS R, et al. Experimental development of a monopropellant for space propulsion systems[C]//33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston, Virginia: AIAA, 1997.
- [20]夏连根, 赵许群, 王晓东. 硝酸羟胺单元推进技术研究进展[C]//第四届全国化学推进剂学术交流会. 酒泉: 中国化学会, 2009.
- [21]MEINHARDT D, CHRISTOFFERSON S, WUCHERER E, et al. Performance and life testing of small HAN thrusters[C]//35th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston, Virginia: AIAA, 1999.
- [22]WUCHERER E, CHRISTOFFERSON S, REED B. Assessment of high performance HAN-monopropellants[C]//36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston, Virginia: AIAA, 2000.
- [23]ZUBE D, CHRISTOFFERSON S, WUCHERER E, et al. Evaluation of HAN-based propellant blends[C]//39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston, Virginia: AIAA, 2003.
- [24]王宏伟, 王建伟. AF-315液体单元推进剂研究进展[J]. 化学推进剂与高分子材料, 2010, 8(5): 6-9.
- [25]SACKHEIM R L. Overview of United States rocket propulsion technology and associated space transportation systems[J]. Journal of Propulsion and Power, 2006, 22(6): 1310-1332.
- [26]ADAM B. Reduced toxicity high performance monopropellant[Z]. 2010.
- [27]NOBUHIKO T, TETSUYA M, KATSUMI F, et al. The “greening” of spacecraft reaction control systems[Z]. 2011.
- [28]鲍世国, 公绪滨, 陈艺, 等. 一种HAN基单元推进剂及催化分解性能研究[J]. 火箭推进, 2018, 44(2): 39-45.
- [29]白梅杉, 戴佳, 姚天亮, 等. HAN基无毒单元发动机常温启动技术研究[J]. 宇航总体技术, 2019, 3(2): 36-43.
- [30]CAVENDER D P, MARSHALL W M, MAYNARD A. NASA green propulsion roadmap[C]//2018 Joint Propulsion Conference. Reston, Virginia: AIAA, 2018.
- [31]BROWN N. First successful NCADE flight trial proves key technology[Z]. 2008.
- [32]MCLEAN C H. Green propellant infusion mission program overview[C]//49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Reston, Virginia: AIAA, 2013.
- [33]MCLEAN C H. Green propellant infusion mission program development and technology maturation[C]//50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Reston, Virginia: AIAA, 2014.
- [34]HARBAUGH J. NASA's green propellant infusion mission nears completion[Z]. 2020.
- [35]TSAY M, FENG C, ZWAHLEN J. System-level demonstration of busek's 1U CubeSat green propulsion module “AMAC”[C]//53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Reston, Virginia: AIAA, 2017.
- [36]DAWN A, GRAYSON H. Design of a green monopropellant propulsion system for the lunar flashlight cubesat mission[C]//34th Annual Small Satellite Conference.[S. l. ]:[s. n. ], 2020.
- [37]ANDREWS D, LIGHTSEY E. Design of a green monopropellant propulsion system for the lunar flashlight mission[EB/OL]. https: //www. semanticscholar. org/paper/Design-of-a-Green-Monopropellant-Propulsion-System-Andrews-Lightsey/13849f425ddb3c05e00d41decbf93fb9ba0465e0, 2019.
- [38]SARAH F. NASA selects small businesses for orbital debris, surface dust tech[EB/OL]. http: //www. nasa. gov/directorates/spacetech/sbir_sttr/nasa-selects-small-businesses-for-orbital-debris-surface-dust-tech, 2023.
- [39]Rubicon's ASCENT propulsion system to power NASA dual mode project[EB/OL]. https: //www. rubicon. space/news/19/rubicon-s-ascent-propulsion-system-to- power-nasa-dual-mode-project, 2024.
- [40]Dual mode green monopropellant propulsion system for interplanetary missions ISBIR. gov[EB/OL]. https: //www. sbir. gov/node/2117115, 2024.
- [41]CLARENCE O. Flight works creates modular propulsion system for AFRL with $5.7M contract[EB/OL]. https: //www. spacedaily. com/reports/Flight_Works_creates_modular_propulsion_system_for_AFRL_with_5_7M_contract_999. html, 2024.
- [42]SHINJI I, YOSHIKI M. Development status of a hydrazine alternative and low-cost thruster using HAN/HN-based green propellant[C]//53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.[S. l. ]:[s. n. ], 2017.
- [43]HIKARU U, DAIJIRO S, TSUTOMU T, et al. Green propulsion systems for satellites: development of thrusters and propulsion Systems Using Low-Toxicity Propellants[J]. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, 2019, 56(1): 1-7.
- [44]HORI K, KATSUMI T, SAWAI S, et al. HAN-based green propellant, SHP163: its R&D and test in space[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2019, 44(9): 1080-1083.
- [45]黑猫武器说. 返回舱直径从4.5米升级为5米, 我国新飞船这么大?[EB/OL]. https: //mq. mbd. baidu. com/r/1dTy68DovhS?f=cp&u=fe90fab8ac9d8b36, 2023.
- [46]陈兴强, 张志勇, 滕奕刚, 等. 可用于替代肼的2种绿色单组元液体推进剂HAN、ADN[J]. 化学推进剂与高分子材料, 2011, 9(4): 63-66.
- [47]NAGAMACHI M Y, OLIVEIRA J I S, KAWAMOTO A M, et al. AND: the new oxidizer around the corner for an environmentally friendly smokeless propellant[J]. Journal of Aerospace Technology and Management, 2009, 1(2): 153-160.
- [48]刘波, 刘少武, 于慧芳, 等. 二硝酰胺铵防吸湿技术研究进展[J]. 化学推进剂与高分子材料, 2011, 9(6): 57-60.
- [49]周晓杨, 唐根, 庞爱民. ADN推进剂国外研究进展[J]. 飞航导弹, 2017(2): 87-92.
- [50]NEGRI M, WILHELM M, HENDRICH C, et al. New technologies for ammonium dinitramide based monopropellant thrusters: The project RHEFORM[J]. Acta Astronautica, 2018, 143: 105-117.
- [51]WILHELM M, NEGRI M, CIEZKI H, et al. Preliminary tests on thermal ignition of ADN-based liquid monopropellants[J]. Acta Astronautica, 2019, 158: 388-396.
- [52]陈兴强, 王学敏, 许华新, 等. ADN基液体单组元推进剂配方国外研究进展[J]. 化学推进剂与高分子材料, 2018, 16(1): 19-23.
- [53]WINGBORG N. Ammonium dinitramide-water: Interaction and properties[J]. Journal of Chemical & Engineering Data, 2006, 51(5): 1582-1586.
- [54]ANFLO K, GRONLAND T, WINGBORG N. Development and testing of ADN-based monopropellants in small rocket engines[C]//36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston, Virginia: AIAA, 2000.
- [55]ANFLO K, GRONLAND T A. Towards green propulsion for spacecraft with ADN-based monopropellants[C]//38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Reston, Virginia: AIAA, 2002.
- [56]WURDAK M, STRAUSS F, WERLING L, et al. Determination of fluid properties of the green propellant FLP-106 and related material and component testing with regard to applications in space missions[EB/OL]. https: //www. semanticscholar. org/paper/Determination-of-fluid-properties-of-the-green-and-Wurdak-Strauss/c87cdcf802e1c4cb1540e8270f689f16ae243cc0, 2012.
- [57]NEGRI M, GRUND L. Replacement of hydrazine overview and first results of the H2020 project rheform[C]//6th European Conference for Aeronautics and Space Sciences(EUCASS).[S. l. ]:[s. n. ], 2015.
- [58]THORMAHLEN P, ANFLO K. Low-temperature operational and storable ammonium dinitramide based liquid monopropellant blends: WO2012/166046[P]. 2012-12-06.
- [59]IWAIK, NOZOE K. Liquid propellant: WO2014/084344[P]. 2014-06-05.
- [60]WITT W, REINELT K. Liquid propellant: US5047098[P]. 1991-09-10.
- [61]TAKAHASHI T, IWAI K. Liquid propellant and production method therefor: JP2016069228[P]. 2016-05-09.
- [62]松永浩貴, 塩田謙人, 伊里友一朗. イオン液体を用いた新規ロケット推進剤の研究開発[R]. JAXA-RR-16-006, 2016.
- [63]IDE Y, TAKAHASHI T, IWAI K, et al. Potential of ADN-based ionic liquid propellant for spacecraft propulsion[J]. Procedia Engineering, 2015, 99: 332-337.
- [64]BOHN M A, ANIOL J, PONTIUS H, et al. Thermal stability and stabilization of ADN-water gels[C]//International Annual Conference of Information and Communication Technology. [S. l. ]:[s. n. ], 2007.
- [65]张万生, 王晓东, 夏连根, 等. 绿色ADN液体推进剂应用研究进展[C]//第八届全国化学推进剂学术会议. 青岛: 中国化学会, 2017.
- [66]姚兆普, 张伟, 王梦, 等. ADN基液体空间发动机的实验研究与在轨验证[J]. 火箭推进, 2018, 44(1): 8-14.
- [67]ANFLO K, CROWE B. In-space demonstration of an ADN-based propulsion system[C]//47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston, Virginia: AIAA, 2011.
- [68]ANFLO K, PERSSON S, THORMAHLEN P, et al. Flight demonstration of an ADN-based propulsion system on the PRISMA satellite[C]//42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Reston, Virginia: AIAA, 2006.
- [69]ANFLO K, MÖLLERBERG R. Flight demonstration of new thruster and green propellant technology on the PRISMA satellite[J]. Acta Astronautica, 2009, 65(9/10): 1238-1249.
- [70]MANI K V, CERVONE A, TOPPUTO F. Combined chemical-electric propulsion for a stand-alone Mars CubeSat[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2019, 56(6): 1816-1830.
- [71]姚天亮, 邱鑫, 刘川, 等. “绿色”高性能HAN 基单元推力器非催化点火技术研究进展[J]. 空间推进, 2015, 1(9): 1-7.
- [72]LARSSON A, WINGBORG N, ELFSBERG M, et al. Electrical ignition of new environmental-friendly propellants for rockets and spacecrafts[C]//2005 IEEE Pulsed Power Conference. Monterey, CA: IEEE, 2005.
- [73]MENG H, KHARE P, RISHA G, et al. Decomposition and ignition of HAN-based monopropellants by electrolysis[C]//47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Reston, Virigina: AIAA, 2009.
- [74]WU M H, YETTER R, YANG V. Development and characterization of ceramic micro chemical propulsion and combustion systems[C]//46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston, Virigina: AIAA, 2008.
- [75]余永刚, 李明, 周彦煌, 等. 液体推进剂液滴电点火特性的实验研究[J]. 含能材料, 2008, 16(5): 625-628.
- [76]THRASHER J, WILLIAMS S, TAKAHASHI P, et al. Pulsed plasma thruster development using a novel HAN-based green electric monopropellant[C]//52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Reston, Virginia: AIAA, 2016.
- [77]WILHELM M, NEGRI M, CIEZKI H, et al. Preliminary tests on thermal ignition of ADN-based liquid monopropellants[J]. Acta Astronautica, 2019, 158: 388-396.
- [78]NEGRI M, WILHELM M, CIEZKI H K. Thermal ignition of ADN-based propellants[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2019, 44(9): 1096-1106.
- [79]李雷, 李国岫, 李洪萌, 等. 不同电极材料下ADN基液体推进剂电点火特性的实验研究[J]. 推进技术, 2020, 41(1): 65-72.
- [80]LI L, LI G X, LI H M, et al. Effects of ignition voltage and electrode structure on electric ignition and combustion characteristics of Ammonium Dinitramide(ADN)-based liquid propellants in electric ignition mode in inert gas environment[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2024, 37(4): 229-242.
- [81]KAKAMI A, IDETA K, ISHIBASHI T, et al. One Newton thruster by plasma-assisted combustion of HAN-based monopropellant[C]//48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Reston, Virigina: AIAA, 2012.
- [82]IIZUKA T, SHINDO T, SATO J, et al. Basic characteristics of reaction initiation system using dishcharge plasma for 1 N-class thruster with green propellants[EB/OL]. https: //www. semanticscholar. org/paper/Basic-Characteristics-of-Reaction-Initiation-System-Iizuka-Shindo/1355d6065cbc518ffc34215e6d8646888d4d8155, 2013.
- [83]ALFANO A J, MILLS J D, VAGHJIANI G L. Resonant laser ignition study of HAN-HEHN propellant mixture[J]. Combustion Science and Technology, 2009, 181(6): 902-913.
- [84]LANI B P. Microwave ignition of green monopropell-ants[D]. Pennsylvania: The Pennsylvania State University, 2014.
- [85]MATSUNAGA H, KATOH K, HABU H, et al. Ignition of the droplets of ammonium dinitramide-based high-energy ionic liquid[J]. Transactions of the Japan Society of Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan, 2020, 18(6): 323-329.
- [86]ITOUYAMA N, MATSUNAGA H, HABU H. Characterization of continuous-wave laser heating ignition of ammonium dinitramide-based ionic liquids with carbon fibers[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2020, 45(6): 988-996.
- [87]CHENG J, CAO J L, LI F W, et al. Microwave controlled ignition and combustion characteristics of ADN-based ionic liquid propellant with fast response and environmental friendliness[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 471: 144412.
- [88]HOU Y Y, YU Y S, LI Y, et al. Experimental study on microwave ignition of ADN-based liquid propellant droplets doped with alumina nanoparticles[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2024, 57(14): 145505.
- [89]WHITMORE S A, MERKLEY D P, JUDSON M I, et al. Development and testing of a green monopropellant ignition system[C]//49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Reston, Virginia: AIAA, 2013.
- [90]WHITMORE S A, MERKLEY S L, SPURRIER Z S, et al. Development of a power efficient, restartable, “green” propellant thruster for small spacecraft and satellites[Z]. 2015.
- [91]WHITMORE S A, MERKLEY D P, EILERS S D, et al. Hydrocarbon-seeded ignition system for small spacecraft thrusters using ionic liquid propellants[Z]. 2013.
- [92]JOSHI P B, PIPER L G, OAKES D B, et al. Fast ignition and sustained combustion of ionic liquids: US20130205751[P]. 2013-08-15.
2.1 ADN基推进剂配方体系ADN基单组元推进剂与HAN基单组元推进剂共同被称为绿色单组元推进剂,由于其具有高能量密度、低毒性、易于贮存等特点,在国内外得到了广泛关注[46-47]。ADN是一种性能良好的新型含能氧化剂,既可以应用于单组元液体推进剂,也可以作为推进剂中的氧化剂而应用于固体推进剂领域[47]。与高氯酸铵(AP)相比,ADN不含有卤素,不会产生引起烟雾的气体,同时具有更高的能量密度、低特征信号,ADN被认为有望取代复合推进剂中的氧化剂AP[48]。
ADN基单组元推进剂是由二硝酰胺铵、相容的燃料和水通过复配形成的均匀液态混合物,二硝酰胺铵是推进剂中的主要组分,在推进剂中起氧化性作用,由氧化剂N(NO2)-2和还原剂NH+4共同组成,受到引发时可发生如下分解反应。
NH4 N(NO2)2 → N2 + H2O + O2 + NOx
从推进剂氧燃平衡组成角度分析,二硝酰胺铵分子中含有多余的氧,通过与燃料化合物复配可以维持燃料化合物的燃烧以获得更高的能量。其催化分解燃烧过程可概括为两个阶段,即二硝酰胺铵的催化分解和燃料化合物的燃烧。
催化分解过程为
NH4 N(NO2)2→ 氧化性组分 + 小分子气体
燃烧过程为
氧化性组分 + 燃料 → N2 + H2O + CO2
与HAN基推进剂的工作原理相似,ADN基推进剂工作时二硝酰胺铵首先在催化剂的作用下发生催化分解,生成氧化性中间产物并释放出热量,生成的氧化性中间产物再与燃料发生燃烧,生成N2、H2O和CO2等小分子气体并释放出大量的热量,实现发动机的对外膨胀做功。
2.1.1 国外ADN基推进剂配方体系20世纪70年代,苏联率先实现了ADN的合成,目前国内外已开发不少于20种ADN的合成方法,制备工艺的不断改进优化,使得ADN在推进剂领域逐渐被推广[48]。ADN在常温常压下为白色固体粉末,是由铵根阳离子(NH+4)和二硝酰胺基阴离子(DN-)构成的离子盐。ADN性质如表5所示,ADN具有较大的密度,毒性明显小于无水肼(半数致死量为59 mg/kg),但ADN安定性较差、感度较高。ADN易溶于水等极性溶剂,在水中具有较高的溶解度,并且具有极强的吸湿性。基于ADN强吸湿性和在水中高溶解度的特性,可以将其配成水溶液,添加适当的燃料和助剂,形成ADN基单组元液体推进剂[49-50]。ADN形成水溶液一定程度上提高了其安定性,提高了安全性能,同时不必再考虑ADN极强的吸湿性。
20世纪90年代,瑞典航空公司(SSC)和瑞典国防研究局(FOI)率先开展ADN基单组元绿色推进系统的研究,并研制出了一系列ADN基单组元推进剂配方(见表6)[51-52]。研究人员结合溶解度、燃料蒸气压、安全性等因素,筛选出1,4-丁二醇、甘油、乙二醇和三羟甲基丙烷4种燃料,通过点滴以及热量释放等试验,选择甘油作为燃料,推进剂代号为LMP-101。LMP-101推进剂密度为1.42 g/cm3、比冲为2 420 N·s/kg、燃烧温度为1 970 K。研究表明,LMP-101推进剂具有高密度、低敏感性和低毒性等特点,但通过地面热试车发现,LMP-101推进剂加热到一定温度时会发生自分解,燃烧不稳定,具有爆炸的风险。
表6 瑞典研制的一系列ADN基单组元推进剂配方与性能
Tab.6 Formula and properties of ADN-based monopropellants developed by Sweden由于LMP-101推进剂出现不稳定燃烧的现象,SSC和FOI重新调整配方组成[53-55],新配方组成与性能如表7所示。通过大量助剂的筛选实验,研究发现,氨不仅具有稳定剂的作用,还有助于推进剂性能的提升,选定燃料为甲醇、助剂X为氨,推进剂代号为LMP-103S。2009年,SSC进一步公开了LMP-103S推进剂相关研究内容,LMP-103S推进剂组成为:ADN含量占比60%~65%; 甲醇含量占比15%~20%; 氨含量占比3%~6%; 水含量占比9%~22%。LMP-103S推进剂的理论比冲为252 s,比肼提高约5%; LMP-103S推进剂在常温下的密度为1.24 g/cm3,比肼的密度(1.01 g/cm3)高24%,进而密度比冲比肼提高30%。研究表明,LMP-103S推进剂遇明火不易燃烧、毒性低、贮存稳定性良好、材料相容性良好。
FOI研制了FLP-106推进剂,其燃料为低挥发性碳氢燃料甲基甲酰胺,理论比冲和密度比冲均超过LMP-103S[56-57],性能进一步提升。FLP-106 推进剂具有低蒸气压的特点,在常温条件下的蒸气压为2.13 kPa,蒸气由99.8%的水和0.2%的燃料组成。如表8所示,瑞典ECAPS公司公开了燃料为甲醇、助剂为氨的ADN基推进剂低温配方,通过配方组成比例的调整,可以使结晶温度降低至-30 ℃以下[58-59]。
2014—2016年,日本Carlit公司公布了ADN单组元离子液体推进剂配方,研究人员进行了大量的配方设计研究[60-61]。ADN单组元离子液体推进剂主要由ADN、燃料和降冰点剂组成,研究结果如表9所示。
2015年,日本Carlit公司与宇宙航空研究开发机构(JAXA)研制出一种无溶剂的ADN基离子液体推进剂[62-63],其组成与性能如表 10所示。该推进剂由ADN、硝酸甲胺(MMAN)和尿素组成,ADN、MMAN为氧化剂和燃料,尿素为降冰点剂。这些化合物在室温下均是固体,但进行混合后,由于降冰点剂尿素的引入,使得体系冰点降低,从而形成离子液体(见图 11)。该类推进剂可以调节组分,从而改变推进剂性能,根据需求以选择合适的推进剂配方组成。同时,该类推进剂燃烧效率可能优于溶液型推进剂。由于ADN基离子液体推进剂挥发性很差,导致推进剂不能维持长时间燃烧。Carlit公司对组成为ADN、MMAN和尿素,组分间质量比例为30:40:30的推进剂进行了燃烧测试,试验结果如表 11所示。
表 10 无溶剂ADN基离子液体推进剂配方组成与性能
Tab.10 Composition and properties of AND-based ionic liquid propellant without solvent图 11 ADN基离子液体推进剂制备示意图[62]
Fig.11 Preparation of ADN-based ionic liquid propellant[62]2007年,Bohn等[64]在ICT行业国际年会公布了ADN凝胶推进剂配方,该推进剂由ADN、水、凝胶剂和稳定剂组成。研究表明,由93%ADN/水(3.5/1.0)、5%凝胶剂 AerosilTM200和2%稳定剂组成的ADN凝胶推进剂性能较为理想,密度比冲达到2 421 N·s/dm3,氧平衡为18%~19%。同时,添加合适的稳定剂后,ADN在凝胶推进剂贮存过程中的分解速率明显下降,提高了ADN凝胶推进剂的贮存和使用寿命。
2.1.2 国内ADN基推进剂配方体系我国于1995年才掌握ADN的合成工艺,对于ADN基液体推进剂的研究起步较晚,其中大连化学物理研究所和北京控制工程研究所在ADN液体推进方面开展了大量工作。大连化学物理研究所根据我国卫星姿轨控动力系统的需求,研制出新型ADN基液体推进剂,并开展ADN基液体推进剂催化分解研究,实现了国内首次ADN基液体推进剂试车(见图 12)[65]。大连化学物理研究所与北京控制工程研究所合作开展地面验证,目前已经实现低环境温度条件下的稳定点火,并顺利完成100个连续脉冲和600 s长稳态性能验证试验。
图 12 我国ADN基液体推进系统试车实况[65]
Fig.12 Test of ADN-based liquid propulsion system in China[65]2018年,北京控制工程研究所姚兆普等[66]公布了研制的ADN基液体推进剂及其在空间发动机中的实验研究和在轨飞行验证情况。研究人员基于可调谐二极管红外吸收光谱的测量方法,对1 N推力ADN基发动机进行了实验研究,获得了在不同喷注压力的条件下燃烧室内燃气温度和组分浓度等特征参数的关系。研究表明,在较高的喷注压力条件下,燃烧室内产生较高的燃烧温度、较低的CO平衡摩尔浓度及较低的N2O峰值摩尔浓度,高喷注压力更有利于ADN基液体推进剂能量的释放,有利于提高发动机的整体性能。研究人员针对不同的使用需求开发出了2种不同能量级别的ADN基液体推进剂,其理论比冲分别为220 s和245 s。同时,针对2种推进剂与催化剂之间的分解匹配性也进行了优化研究,使二者获得了改进和提高。开展了0.2 N、1 N、5 N及20 N发动机的高空模拟热试车试验并获得了其主要性能指标。空间发动机稳态比冲性能如表 12所示,试车情况如图 13所示。
表 12 不同推力量级ADN基液体空间发动机稳态比冲性能
Tab.12 Steady-state specific impulse of ADN-based liquid thruster with different thrust levels图 13 不同推力量级ADN基液体空间发动机的热试车试验[66]
Fig.13 Fire tests of ADN-based liquid thrusters with different thrust levels[66]2.2 ADN基推进剂的演示验证与应用2.2.1 国外ADN基推进剂的应用2010年6月15日,欧空局在拜科努尔发射场用俄罗斯“第聂伯”火箭成功发射“棱镜”(PRISMA)任务卫星。这颗卫星1 N姿控发动机采用LMP-103S二硝酰胺铵基单组元推进剂,进行“高性能绿色推进系统”(HPGP)验证飞行试验,该卫星是旨在证实LMP-103S推进剂可用于小推进器精密工作的瑞典卫星,图 14为HPGP推进系统示意图[67-69]。飞行试验成功完成了相关的基本任务,并完成了部分拓展任务。为了进行推进剂性能对比,该卫星也携带了无水肼,3位工作人员花费了7 d将LMP-103S推进剂加注于发射台,而加注无水肼则花费了5位工作人员14 d的时间,可见使用ADN基推进剂缩短了推进剂加注的时间,节约了成本。
图 14 HPGP推进系统示意图[67-69]
Fig.14 Schematic diagram of HPGP propulsion system[67-69]欧空局一直通过“通用支持技术计划”(GSTP)支持着高能绿色推进计划,以实现高能绿色ADN基推进技术由实验室里的原型机向实际飞行技术转化,并应用于欧空局编队飞行测试任务Proba-3中。在欧空局无毒推进技术研制时间表中也将LMP-103S无毒推进剂作为研制重点,到2014年完成LMP-103S推进系统1 N发动机的研制与验证,同时开展5 N和20 N大推力单组元发动机的研制开发工作。2016年至今,在十余颗SkySat地球观测卫星中使用了LMP-103S推进剂和ECAPS公司的1 N HPGP推力器,累计在轨工作时间长达28 a。未来欧空局计划在“火星大气层辐射呈像轨道飞行器任务”(MARIO)中使用FLP106推进剂[70]。MARIO任务是一项采用立方星进行火星探测的任务,用以验证立方星在轨道提升、小推力空间巡航、火星捕获和火星精确入轨方面的性能。
2.2.2 国内ADN基推进剂的应用北京控制工程研究所和大连化学物理研究所自主研制1 N ADN基液体推进剂绿色推进系统,突破了ADN基单组元无毒推进剂配方设计、长期贮存、催化剂的高催化分解活性和耐高温烧结等关键技术,解决了卫星推进系统绿色化和快响应的技术难题。使用新型ADN基推进剂于2016年搭载实践17号卫星成功完成在轨验证(见图 15),打破了国外的技术封锁[65-66]。2022年,ADN基0.2 N液体推进剂用推力器完成了在轨性能验证,推力器推力、比冲正常,满足任务指标要求。ADN基0.2 N推力器是国际在轨飞行验证的最小推力高能绿色推力器,进一步拓展了ADN绿色无毒推进技术在微推进领域的应用。目前,国内已发射数十颗装配ADN基液体推进剂的绿色推进系统卫星,标志着我国在无毒单组元液体推进领域实现重大突破。
图 15 我国ADN基液体推进剂用卫星[65-66]
Fig.15 China's ADN-based liquid propellant satellite[65-66]
1.1 HAN基推进剂配方体系HAN基单组元推进剂是由硝酸羟铵、相容的燃料和水通过复配形成的均匀液态混合物,硝酸羟铵是推进剂中的主要组分,在推进剂中起氧化性作用,由氧化剂NO-3和还原剂NH3OH+共同组成,受到引发时可发生如下分解反应。
NH3OHNO3 → N2 + H2O + O2 + NOx
从推进剂氧燃平衡组成角度分析,硝酸羟铵分子中含有多余的氧,通过与燃料化合物复配可以维持燃料化合物的燃烧以获得更高的能量。其催化分解燃烧过程可概括为两个阶段,即硝酸羟铵的催化分解和燃料化合物的燃烧。
催化分解过程为
NH3OHNO3 → 氧化性组分 + 小分子气体
燃烧过程为
氧化性组分 + 燃料 → N2 + H2O + CO2
硝酸羟铵首先在催化剂的作用下发生催化分解,生成氧化性中间产物并释放出热量,生成的氧化性中间产物再与燃料发生燃烧,生成N2、H2O和CO2等小分子气体并释放出大量的热量,实现发动机的膨胀做功。基于上述工作过程原理,燃料化合物在HAN基单组元推进剂中起到了关键作用,能量高、燃烧性能好的燃料化合物更容易提高HAN基推进剂的综合性能。
综合分析HAN基推进剂的发展历程,可以看到HAN基推进剂的发展从本质上是与硝酸羟铵匹配的高性能燃料化合物的发展和演变过程,经历了从高含碳量到低含碳量、从醇类等低能量物质到高能量富氮含能离子盐的转化。
1.1.1 国外HAN基推进剂配方体系HAN基绿色单组元推进剂的早期配方是基于液体火炮发射药的LP1846(XM46),其燃料化合物选用含能离子盐硝酸三乙醇胺。以该配方为基础,美国对比分析了无水肼和HAN基单组元推进剂的性能差异,确认了HAN基单组元推进剂在绿色无污染、使用维护简单和密度比冲高等方面的优势,被NASA选作有毒肼类单组元推进剂的首选替代品种[19]。
随后,美国开展了新型燃料化合物的筛选与配方性能评价研究,通过实测和理论计算的方式对甲醇、乙醇、甘氨酸和乙酸等化合物作为燃料组分的推进剂配方进行了评价。在被评价的推进剂配方中,选择HAN/Glycine(硝酸羟铵/甘氨酸)配方进行了发动机点火试验,结果表明发动机点火可靠并且燃烧洁净,在试后的催化剂上没有发现积碳[20-21]。本阶段所选配方的比冲大部分在200~230 s之间,燃温在1 050~1 400 ℃之间,是典型的低燃温中能推进剂配方,表1为推进剂的性能对比。
表1 低燃温中能HAN推进剂配方性能对比
Tab.1 Formulation performance comparison of HAN monopropellant with low combustion temperature为进一步提高HAN基单组元推进剂的比冲,NASA格林研究中心设计了7种理论比冲不低于250 s的HAN基单组元推进剂,并进行了催化点火和燃烧性能研究,均表现出良好的启动点火性能和燃烧性能,特别是HAN284MEO和HAN278HEHN两组配方,点火和燃烧性能明显优于无水肼推进剂,表现出了高能量特性[22-23]。表2为几种高能HAN基推进剂的主要性能。
表2 部分高能HAN基单组元推进剂的主要性能[22]
Tab.2 Main properties of some high energy HAN-based mono-propellants[22]在NASA推动的“综合高性能火箭推进技术计划”(IPRPHT计划)的支持下,美国空军实验室开展了HAN基单组元推进剂配方的系统设计和开发研究,从肼类含能离子盐、氨基含能离子盐和含能离子三唑盐等100多种燃料化合物中筛选出5种进行了配方的燃烧和点火性能研究,并最终根据测试结果研发了AF-M315E配方(后更名为ASCENT)[24-25]。该配方主要由硝酸羟铵、硝酸羟乙基肼和水组成,各组分之间的质量百分含量为44.5% HAN、44.5%硝酸羟乙基肼和11%水。通过对比研究发现,与无水肼相比,AF-M315E推进剂的理论比冲提高了14.2%,密度比冲提高了70%,是典型的高能单组元推进剂。然而,若要实现AF-M315E推进剂稳定可靠的催化分解,发动机启动时催化床初始预热温度不能低于300 ℃。按照AD报告(NO 0704-0188)公开的技术指标,AF-M315E推进剂通常在催化床预热温度为370 ℃条件下启动[26]。无水肼和AF-M315E推进剂的性能对比如表3所示。
除美国之外,日本空间研究机构(JAXA)还研制了代号为SHP163的高能HAN基单组元推进剂,它由HAN、硝酸铵、水和甲醇组成,组分间质量比例为95:5:8:21[27]。日本三菱重工(Mistubishi Heavy)航天公司对SHP163配方性能进行了深入研究,发现其具有低毒、高比冲[理论比冲276 s和密度比冲386(s·g)/cm3]、低冰点(≤-30 ℃)等优点,目前已经完成1 N发动机催化点火性能评价。研究表明,与无水肼相比,采用SHP163推进剂提供同样的比冲,推进系统质量可减少14%,能耗可降低约33%。SHP163推进剂仍然需要在对催化床预热的条件下进行启动,催化床初始预热温度不低于300 ℃。无水肼和SHP163推进剂的性能对比如表3所示。
1.1.2 国内HAN基推进剂配方体系与国外追求高比冲目标不同,国内HAN基单组元推进剂则侧重于降低启动预热温度,实现在120 ℃或常温条件下的启动工作,在推进剂配方设计上更侧重于燃料化合物在低预热温度下的催化分解和与硝酸羟铵的协同燃烧。北京航天试验技术研究所设计开发了一种可在不高于120 ℃预热温度下启动的HAN基单组元推进剂并完成了5 N 发动机催化分解性能热试车考核,实现了120 ℃稳态启动、1 200 s长稳态和脉冲工作[28]。上海空间推进研究所对比分析了HAN基5 N、60 N、150 N、300 N和400 N发动机在常温和120 ℃条件下的启动和热试车性能(见表4),发现HAN基单组元推进剂可以实现常温启动,但常温启动对催化床有损伤,会影响发动机启动后的工作稳定性,发动机在120 ℃催化床预热温度下比常温启动速度更快、工作寿命更长[29]。
表4 常温和120 ℃热试车参数[29]
Tab.4 Data of normal temperature and 120 ℃ firing[29]1.2 HAN基推进剂的演示验证与应用1.2.1 国外HAN基推进剂演示验证与应用情况NASA马歇尔空间飞行中心早在2014年就制定了到2040年的绿色推进路线图(见图1),目标是使用绿色推进剂全面替代肼类单组元推进剂[30]。其中,GPIM飞行演示和推进剂的材料相容性测试、将HAN基绿色单组元推进剂在辅助动力装置APU中进行验证、实现HAN基单组元推进剂在月球探测器中的应用等阶段性目标均已完成。到2030—2040年,将实现无毒发动机推力的进一步放大,研究HAN基单组元推进剂在推力为890 N级的HAN基无毒发动机中的应用可行性。
图1 NASA绿色推进路线图[30]
Fig.1 NASA's green propulsion roadmap[30]美国以AF-M315E推进剂配方为基础开展了系列演示验证。2007年,Aerojet公司和雷神公司在以AIM-120先进中程空对空导弹(AMRAAM)为基础的两级空射型武器系统网络中心机载防御单元(NCADE)上对采用AF-M315E推进剂的先进推进系统进行了飞行验证试验,该发动机可提供670 N的推力,工作时间在25 s左右。图2为使用HAN基绿色推进剂的动力系统结构示意图[31]。
图2 NCADE导弹拦截器结构示意图[31]
Fig.2 Schematic diagram of interceptor structure of NCADE missile[31]2012年8月,NASA启动了绿色推进剂飞行演示任务(GPIM),由Ball空间技术公司负责,Aerojet公司、爱德华兹空军基地、空军空间和导弹系统中心、NASA格林中心、NASA肯尼迪中心等单位参与,主要演示美国空军实验室(AFRL)的AF-M315E推进剂和Aerojet公司的HAN基发动机,验证HAN基单组元推进剂在小卫星系统中应用的可行性[32-33]。GPIM项目的推进系统如图3和图4所示,推进系统包括1台22 N变轨发动机GR-22和4台1 N姿控发动机GR-1以及1台可装填大于14 kg推进剂的ATK公司钛合金贮箱。GPIM演示卫星已于2019年搭载SpaceX公司的猎鹰火箭发射升空,于2020年完成在轨飞行验证试验[34]。
图3 GPIM项目的HAN基推进系统[32]
Fig.3 The HAN-based propulsion system for the GPIM project[32]图4 Aerojet公司HAN基推进剂1 N发动机和22 N发动机[32]
Fig.4 Aerojet's HAN-based 1 N and 22 N thrusters[32]美国Aerojet公司在NASA的支持下开展了HAN基推进剂用于立方体卫星MPS-130模块化推进系统的研究,概念图如图5所示[35]。2019年,NASA提出将AF-M315E推进剂应用于“月球手电筒”(Lunar Flashlight)卫星(见图6),“月球手电筒”卫星主要是在月球阴影区陨石坑中寻找、定位冰层,估算水冰的储量,为后续宇航员顺利登陆和开展科学探索“打前站”[36-37]。2022年,NASA成功发射“月球手电筒”立方体卫星,“月球手电筒”是第一个使用新型绿色推进剂AF-M315E的星际航天器,但由于推力器堵塞于2023年5月宣布任务失败。
图5 MPS-130立方体卫星推进系统[35]
Fig.5 MPS-130 cubic star propulsion system[35]图6 Lunar Flashlight卫星模拟图[36]
Fig.6 Simulation diagram of Lunar Flashlight satellite[36]2023年8月,NASA宣布已资助Busek公司340万美元,用于小型卫星离轨的高总冲BET-MAX推进系统。该系统使用无毒推进剂ASCENT为小型卫星提供推进和自主离轨功能,用于空间多物体移除/回收,解决太空轨道碎片问题[38]。2024年3月,在NASA公布的一批立方星发射计划(CSLI)中,预计在2025—2028年演示化电混合绿色推进技术,使用绿色ASCENT单组元推进剂为化学推力器和电推力器同时提供动力[39-40]。2024年4月,Flight Works公司与美国空军研究实验室(AFRL)签订了一份价值570万美元的合同,开发一种绿色可在轨补加推力器,命名为模块化推进装置(PUMA)。该系统采用了Flight Works公司的微型泵推进技术,采用绿色推进剂ASCENT[41]。
日本也以SHP-163推进剂配方为基础开展了系列演示验证。2017年,日本IHI航天公司公开了其开发的名为HNP209、HNP221和HNP225的HAN基单组元推进剂配方,该推进剂是由硝酸羟铵、硝酸肼、甲醇和水组成,理论比冲分别为212 s、240 s和260 s。同时公开了与上述推进剂匹配的代号为IC-20-α和IC-20-β的两种催化剂,两者匹配后能够实现在催化床预热温度≥200 ℃条件下稳定催化分解。图7为HNP系列HAN基单组元推进剂配方性能对比[42]。之后,日本三菱重工在微小卫星的GPRCS推进系统中重点采用HAN/HN基单组元推进剂,推进剂代号HNP225,目前已经完成了振动测试,比冲200 s,累积工作时间5 000 s,累积脉冲10 000个[43]。图8为微小卫星中的GPRCS推进系统。
图7 HNP系列HAN基单组元推进剂配方性能[42]
Fig.7 Performances of HNP series HAN-based monopropellants[42]图8 微小卫星中的GPRCS推进系统[43]
Fig.8 GPRCS propulsion system in microsatellites[43]2019—2020年,日本完成了SHP-163推进剂在RAPIS-1号卫星中的空间飞行试验,性能达到预期目标,如图9所示[44]。
图9 SHP-163推进剂应用于RAPIS-1号卫星[44]
Fig.9 Application of SHP-163 propellant to RAPIS-1 satellite[44]1.2.2 国内HAN基推进剂应用情况从20世纪90年代开始,我国就开展了HAN基推进技术的项目论证和试验探索,通过近30 a的不间断研究,取得了系列进展,突破了1 N发动机重复温启动、400 N发动机120 ℃启动、快响应等关键技术,于2018年先于欧美等国家实现了HAN基推进剂在卫星姿控系统中的应用,于2020年实现了HAN基推进剂在新一代载人飞船试验船中的应用。北京航天试验技术研究所针对新一代载人飞船返回舱姿控发动机快响应和重复使用的性能需求,设计开发了HAN基推进剂,目前已经完成了400 N发动机高空模拟热试车验证,进入了动力系统初样研制阶段。
图 10 新一代载人飞船试验船返回舱[45]
Fig.10 The return capsule of the new generation manned spacecraft test ship[45]1.3 国内外HAN基推进剂配方体系对比分析综合分析国内外HAN基单组元推进剂技术的发展现状,国外HAN基单组元推进剂以高比冲高能配方为主,美国和日本等国家已经完成了HAN基单组元推进剂的配方研究,分别获得了ASCENT和SHP-163等单组元推进剂配方,并以该配方为基础进行了飞行演示验证。同时,对未来HAN基单组元推进剂的发展方向进行了规划,确定了使用绿色推进剂全面替代肼类单组元推进剂的发展目标,设计了HAN基发动机推力逐级放大的发展路线。但是,国外HAN基单组元推进剂的工作方式均采用热床启动方案,催化床预热温度一般在200 ℃以上,对于常温启动或较低预热温度(如120 ℃)下的启动未取得实质性进展。并且,由于ASCENT和SHP-163单组元推进剂配方均为高能配方,其分解燃烧温度均在1 500 ℃以上,这就对分解催化剂的耐高温性能提出了更严格的要求,不利于工程化应用。日本从高能量高燃温的SHP163推进剂转移到开发较低燃温的HNP系列HAN基单组元推进剂,并计划将该系列推进剂应用于微小卫星的GPRCS推进系统,这说明高燃温并不利于发动机系统长寿命可靠工作,开发与催化剂和发动机材料耐温性能匹配的新型HAN基单组元推进剂将是未来发展的主要方向。国内HAN基单组元推进剂则主要以降低启动预热温度为主,在推进剂比冲性能上并未过多要求,开发的推进剂以中能HAN基推进剂为主,实现了推进剂在120 ℃和常温条件下的启动工作,并完成了在卫星和飞船等领域的应用。综上所述,降低启动预热温度和高能化是HAN基单组元推进剂的发展趋势,也带来了常温催化点火、耐高温和长寿命等诸多挑战。