硝酸羥胺基推進系統研究與應用進展

陳 君,張 濤,劉瀛龍

(1.北京控制工程研究所， 北京 100190; 2.北京市高效能及綠色宇航推進工程技術研究中心， 北京 100190)

伴隨著武器裝備技術和載人航天技術發展的不斷深入，高可靠性、高性能和無毒化的推進系統一直是各國專家研究的重點。目前高性能無毒推進劑主要包括二硝酰胺銨(ADN)和硝酸羥胺(HAN)[1-3]。21世紀初，北京控制工程研究所就開始進行了基于高性能綠色無毒推進劑ADN和HAN的快速響應平臺推進系統的研究工作，積累了豐富的研制經驗。2016年12月，北京控制工程研究所研制的ADN基推進系統成功隨實踐十七號衛星進行了我國首次無毒推進系統的在軌驗證，并達到國際一流水平，部分性能處于國際領先[4]。而另一種HAN基推進劑最大的特色是常溫啟動，并同時具有綠色無毒、穩定性好、冰點低、比沖高等優點，這就大幅提高了武器系統的環境適應性。目前，美國、日本和中國等國家相繼開展了HAN基推進劑的基礎研究和推進系統地面點火的測試工作，也是目前認為有望取代肼類推進劑的一種新型推進劑[5,6]。

基于前期的大量研究論證工作，HAN基單組元推進技術的應用將有利于適應小型快速響應平臺和低成本發展的需求，為提高我國武器裝備的戰略機動性，實現部署、行動的快速化提供技術支撐。同時，亦可大幅提高戰略戰術導彈彈頭、運載火箭上面級、臨近空間飛行器等武器裝備性能和工作的可靠性。

1 HAN基推進劑概述

20世紀60年代以來，肼一直是運載和武器裝備推進系統中占主導地位的單組元液體推進劑。由于肼具有比沖低、易燃易爆、毒性大等缺點，因此，尋求更先進的替代燃料一直是業界的奮斗目標。HAN是一種固體燃料，最早應用于魚雷，化學式為NH2OH·HNO3，分子量為96，屬于羥胺的硝酸鹽。之后研究人員發現其具有較高的吸濕性和溶解性，在添加一定燃料后，性能將會獲得大幅提升，同時絕熱火焰燃燒溫度也將逐漸降低[7-8]。隨著研究的深入，應運而生了多種型號的推進劑，其中包括LP1845、LP1846、AF-315E和SHP163等。圖1為HAN推進劑的分子結構[9]。

2 HAN基推進系統內分解和燃燒過程研究現狀

2.1 HAN基推進劑理化特性研究現狀

米向超等[10]介紹了HAN晶體溶于水形成HAN水溶液，無味且無有毒蒸汽產生。陳紅霞[11]總結了HAN基推進劑具有冰點低，密度高等優點。史良煜[12]通過熱重分析法，研究了不同升溫速率下，HAN基液體推進劑的吸放熱特性，同時通過理論計算獲得了推進劑熱分解反應過程的活化能，并指出高溫熱源對推進劑的熱穩定性影響較大。表1為不同推進劑理化特性和性能[13]。可以看出，HAN基推進劑表現出了良好的性能。具體表現為無毒、冰點低和密度比沖高等優點。

表1 不同推進劑的性能參數

2.2 HAN基推進劑電點火和催化點火研究現狀

考慮到目前HAN基推進劑含水量較高，對其點火性能存在著較大影響。HAN推進劑通過電點火的方式測得了分解產物為NH2OH，HNO3，HONO，HNO，N2O，N2，NO，NO2，H2O，H2(g)和O2(g)，學者們得到了一個理論預測模型[14-16]，其可以有效預測物質組分的生成和消耗。Koh等[17]通過理論模型，探討了推進劑中的水含量和電壓對推進劑分解特性的影響規律。同時得到HAN濃度的變化對于銅導線加熱的影響較小。當加熱電壓為300 W時，將有效縮短分解反應所需的時間。當電壓超過300 W時，對于HAN分解反應效率的影響較小。Wu等[18]采用電壓為45 V使微推力器點火成功，并產生200 mN的推力。同時，區別于傳統的火花塞點火方式，劉焜等[19]提出了一種無弧點火的方式，并基于單液滴進行了點火研究，得到了液滴經歷的預熱、分解和燃燒三個階段的特征現象。

而通過催化方式實現點火依然是目前所采用的具有較高可靠性和穩定性的方法。對于催化特性的研究，主要是集中于催化分解效率、反應特征組分的獲取，以及對催化分解和燃燒反應路徑的探討。Amrousse等[20]研究得到當水完全蒸發后，HAN推進劑開始分解。HAN95%推進劑在152°開始分解，且HAN的熱分解過程的放熱峰值要高于ADN的放熱峰值。催化劑的添加有利于HAN推進劑在更低的溫度下分解。同時，他們研究得到IR催化劑可以有效催化HAN分解過程，由于高溫的影響，催化劑逐漸失效。同時點火延遲，燃燒室壓力和催化床溫度變化對于HAN分解效率具有較好的預測效果[21]。LEE等[22]通過FTIR方法得到HAN/水熱分解產物為H2O，N2O，NO，NO2和HNO3。Chang等[23]介紹了兩種HAN基混合推進劑的火焰傳播速率，并測量了反應區溫度。Kappenstein等[15]證明了HAN/水可能在40°開始分解，同時得到在純HAN條件下，催化劑可提升HAN的分解速率。Amariei等[25]通過對比分析ADN、HNF和HAN的點火性能發現，HAN基推進劑具有較高的催化分解效率，能夠在100°條件下開始分解反應。Oommen等[26]通過實驗證明，采用高性能催化劑可以實現在水未完全蒸發的條件下，HAN基推進劑就開始分解。如圖2所示，學者們總結出了HAN的分解路徑，但是對于燃料的加入(如甲醇)，也只是提出了兩步的總包機理(3N2O+CH3OH=2H2O+CO2+3N2，6HNO3+5CH3OH=13H2O+5CO2+3N2)。因此，對于HAN基混合推進劑的研究，仍將是今后研究的一個熱點[27]。

3 HAN基推進系統的研究現狀

3.1 基于LP系列推進劑的HAN基推進系統

LP系列推進劑主要是由硝酸羥胺及其水溶液，并添加燃料和穩定劑配置而成，這一系列推進劑包含多個配方，相關的學者對其進行了大量的研究測試工作。其中，代號XM45(LGP1845)和XM46(LGP1846)是當前美國軍方大力發展的兩種類型的推進劑，他們都是由HAN，TEAN(硝酸銨)和水組成，具體配比如表2所示[28]。研究主要側重于四個方面，首先是燃燒過程的影響因素分析和火焰結構的特征分析[29-30]，其次是HAN基推進劑在分解過程中物質組分的獲取和定量分析[31]，之后是火焰燃燒速率的影響分析[32]。通過研究發現此類推進劑在反應后，會存在大量積碳，不利于推力器燃燒的穩定性[33]。最后進行了點火測試，并獲得成功，考校了推力器的穩態和脈沖性能[34]。

表2 典型LP系列推進劑組分質量分數

3.2 基于AF-315E推進劑的HAN基推進系統

從2001年開始，美國空軍實驗室AFRL就開始AF-315E推進劑的研究，到2011年，推力器達到TRL5級，并實現了11.5小時的點火驗證實驗[35]，其主要配方是由44.5%HAN+44.5%HEHN+11%H2O組成，其比沖比肼提高12%，并具有低冰點的特點，擺脫了肼推進劑需要持續加熱的需求。GPIM系統目前采用4臺1N和1臺22N級HAN基推力器分別作為姿控和軌控，并通過真空實驗獲得了不同箱壓下的推力值。所獲得的推力器關鍵特性參數值如表3所示。

表3 1N和22N推力器性能參數

AF-315系列單元推進劑是肼類單元推進劑最主要的替代品，在彈道導彈、戰略導彈、空間飛行器以及液體發射藥火炮中應用廣泛，是一種新型的高性能單元液體推進劑，具有非常廣闊的應用前景。基于此種推進劑，開展了多型號的發動機測試實驗。它的比沖達到257 s。目前美國基于綠色推進劑飛行演示任務(Green Propellant Infusion Mission-GPIM)已經建立了1N和5N級HAN基推進系統。Shchetkovskiy等[36]基于AF-315E推進劑，對22N和5N發動機進行了點火測試，均獲得成功。Reed等[37]詳細闡述了HAN基推進劑的發展歷史，同時展示了HAN269MEO推進劑理論比沖為269 s，通過點火實驗測得為250 s，燃燒效率為93%以上。Tsay等[38]成功實現了0.5N級HAN基推力器的點火測試。結果表明，推力效率為89%～93%，噴管效率大于94%，比沖為210～220 s之間。目前AF-315E表現出了優良的性能，并將其應用于多種型號任務中，如表4所示[39]。

表4 基于AF-315E推進系統的型號和取代的系統

3.3 基于SHP-163系列推進劑的HAN基推進系統

日本JAXA也開展了HAN基推進劑的相關研究[39-41]。新型的HAN推進劑主要包括兩種，其中之一稱為SHP，是由HAN/AN/Methanol/H2O組成，另外一種包括HAN/HN/TEAN/H2O組成[43]。其中SHP163(163指的是包含質量分數為16.3的甲醇)是目前研究的重點，理論比沖為276 s，密度為1.4 g/cm3，推力為1N級。2016年，日本JAXA在創新技術研究課題的支持下，計劃發射基于HAN基推進系統的小衛星。

學者們針對推力器點火本身以及所涉及的關鍵基礎問題進行了探討。對20 N推力器進行了地面真空點火測試，并開展了催化床初始溫度以及入口質量流量等對推力器性能的影響研究[43]。Amrousse等[44]基于DTA-TG和DSC分析方法，獲得了HAN分解的關鍵路徑。同時通過電點火方式，明確了HAN基推進劑的火焰傳播特性和結構特性，并通過地面點火實驗，獲得了Ir-CuO催化劑性能優于shell-405催化劑。之后，他們又基于HAN/H2O/AN/MeOH組分，在20 N級HAN基推力器上成功實現了點火測試，分析了不同催化劑對于推力器內燃溫和燃壓的影響，并提出了HAN催化分解過程所經歷的三個階段。Matsumoto等[45]通過實驗對比分析了SHP163和肼分解產生的氣體對于推力、比沖和推力效率的影響。HAN基推進劑表現出了更加優良的性能。

3.4 我國HAN基推進系統的研究進展

我國從20世紀90年代末開始，學者們就開始對HAN基液體推進劑進行探索性研究。目前主要圍繞HAN基推進劑霧化蒸發特性，電點火特性以及地面熱試車進行研究。覃粒子等[46]基于HAN基推進劑，闡述了噴孔面積、喉部面積等結構參數對發動機性能的影響規律。研究表明，噴注器行程和喉部面積是對發動機性能影響最大的參數。王婕等[4]基于多普勒粒子分析儀獲得了HAN基推進劑的理論預測模型。劉川等[48]研究了1N級HAN基推力器關鍵組件設計和測試工作，并成功完成了穩態和脈沖性能的地面熱試車測試。孫得川等[3]通過建立推力室內流動和傳熱模型，通過數值模擬方法獲得了物質組分的空間分布。中科院大連化學物理研究所、中國航天801所以及一些高校都開展了推力器點火測試工作。北京控制工程研究所基于實驗、理論和仿真手段開展了面向高可靠性和低成本的推力器內復雜環境下關鍵科學問題的技術攻關，主要包括：推進劑與材料相容性、推力器內火焰傳播特性及多孔介質內傳熱傳質特性、推力器內熱流檢測與控制策略、推力器常溫啟動和長穩態高模點火實驗測試等研究工作，積累了大量的點火測試數據和豐富的HAN基推力器設計研制經驗，為后續應用于武器系統奠定了良好的基礎。

4 結論

對于HAN基推進劑及其推進系統的研究是美國、日本和我國目前關注的熱點，主要涉及推進劑的理化特性、不同模式點火方式選擇，以及不同型號HAN基推進系統點火特性等的研究。其中，電點火方式的引入對于HAN基推進系統的研制提供了良好的思路，但相比催化點火而言，這種點火方式的可靠性和穩定性仍有待進一步探究。雖然各國提出了不同型號的推進劑和不同量級的推力系統，但是對于HAN基推進內氣液兩相流動、燃燒反應路徑選擇、輕質低成本推力器設計和材料選擇等仍需深入的研究。