微推進器電控固體推進劑常壓點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.航天化學動力技術重點實驗室，襄陽 441003；2.湖北航天化學技術研究所，襄陽 441003；3.中國航天科技集團有限公司第四研究院，西安 710025)

0 引言

固體火箭發動機具有結構簡單、響應快速、使用維護方便等優點，在各類導彈武器中具有廣泛的應用，但固體火箭發動機難以實現多次點火和推力可調[1]。為了滿足導彈武器裝備智能化、高機動、快速突防的發展需求，固體火箭發動機需要實現推力可控、可多次啟動，這要求推進劑必須實現可控燃燒。為了解決上述問題，國外研究人員研發出一種智能型電控固體推進劑[2-5]，該推進劑是一種通過外加電壓(電流)控制推進劑自身點火、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劑。該類推進劑具有良好的安全特性，對火焰刺激表現出良好的鈍感特性，同時比沖與傳統固體推進劑相當，能夠產生較大的推力，通過電路控制系統對推力進行智能、精確調節，屬于一種智能推進劑。電控固體推進技術一旦取得突破，有望為微納衛星的姿態調整和小型戰術武器裝備的快速機動提供有力技術支撐[6-8]。

目前，電控固體推進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，該類推進劑具有能量高(約245 s)[6]、安全鈍感和產物綠色潔凈等優點，但貯存過程易吸濕；高氯酸鹽基以高氯酸鋰(LP)研究為主，該類推進劑具有良好的熱穩定性和抗吸濕性，但能量性能偏低(約189 s)[12]。國外研究主要以美國為主[2-11]，其在推進劑配方及相應發動機技術領域均處于世界領先地位。從2012年開始，國內湖北航天化學技術研究所[13-15]、重慶大學[16]、國防科技大學[12，17-21]和南京理工大學[22-24]等單位也相繼開展了電控固體推進劑相關技術研究，主要以推進劑配方和電點火燃燒機理探索等基礎研究為主，而相關發動機結構和電點火工作模式研究開展較少。

本文采用內外同軸結構的固體微推進器為電控固體推進劑工作載體，研究電極材質、直徑、工作電壓、推進劑配方組成和電點火方式等條件對電控固體推進劑電點火燃燒效率的影響，為推進劑配方設計、發動機結構設計和工作模式的研究提供參考依據。

1 試驗

1.1 推進劑原材料及配方

本試驗所采用電控固體推進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。

本試驗電控固體推進劑配方特點見表1，HAN-TS-1為HAN基電控固體推進劑基礎配方。

表1 電控固體推進劑配方編號及特點

1.2 燃燒性能測試試驗過程

通過機械開關和電子開關兩種方式主動控制微推進器電點火時間，保證總工作時間為6 s；電點火方式分為單次電點火和多次電點火，其中多次電點火可通過電子開關設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)兩種規格，提供維持推進劑燃燒所需電壓；采用高清攝影機記錄微推進器點火過程；通過高精度天平稱量得到推進劑燃燒前后的質量，計算得出實際燃燒質量和燃燒效率(推進劑實際燃燒質量/裝藥質量)。

圖1為電控固體微推進器結構示意圖，電控固體推進劑填充于內外電極之間，其中內電極表面包覆絕緣層，距離內電極頂端1 mm內不包覆絕緣層，使推進劑與內電極表面直接接觸，形成導通狀態。

圖1 電控固體微推進器結構示意圖

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

2 結果與分析

2.1 內電極材質和直徑的影響

采用大功率電源開展了不同內電極材質和直徑條件下微推進器電點火試驗，配方為HAN-TS-1，通過機械開關控制電點火試驗時間(時間為6 s)。表2為不同內電極材質和直徑條件下試驗結果，試驗現象如圖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 不同內電極條件下試驗結果

不同內電極條件下電點火試驗結果表明，當工作電壓為200 V時，除鎢絲內電極外，其余鋼材質內電極對推進劑燃燒效率影響不大，實際燃燒效率約為10%；內電極直徑變化對推進劑燃燒效率影響不大，其中直徑為1.0 mm的304#不銹鋼內電極在電點火試驗過程中容易被熔斷噴出。

當工作電壓提升至250 V時，推進劑燃燒反應明顯更加劇烈，相應燃燒效率也提升至40%左右，但斷電后推進劑存在熄火延遲時間較長，甚至產生陰燃現象，不斷產生大量煙霧。當內電極為H08鋼，直徑從1.6 mm增加至2.0 mm時，推進劑燃燒效率從33%提升至41%。分析認為，這可能與燃燒面積增大有關。直徑≤1.6 mm的鋼材質內電極均被熔斷。點火后2 s左右，鎢絲內電極與外電極發生了短路，燃燒反應停止，導致推進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劑的燃燒效率。分析認為，鎢絲電極可能具有催化反應活性，在一定程度上提高了推進劑電化學反應速率，從而提高了推進劑的燃燒效率[25-26]。鋼材質電極直徑對推進劑燃燒效率影響不大。分析認為，這可能是因為低電壓時內電極表面實際電流密度數值均較小，推進劑燃燒反應速率均較慢，并沒有表現出明顯區別。適當增大內電極直徑，可有效解決燃燒過程中內電極熔斷問題。在高電壓條件下(250 V)，鋼材質電極直徑對推進劑燃燒質量有一定的影響。

2.2 工作電壓的影響

采用電子開關(設定單次工作時間為2 s、間隔時間為5 s、重復啟動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器電點火試驗，配方為HAN-TS-1。表3為不同電壓條件下微推進器電點火試驗結果，試驗現象如圖4所示。

表3 不同電壓條件下試驗結果

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

不同電壓電點火試驗結果表明，隨著工作電壓的降低，推進劑燃燒效率總體呈下降趨勢，斷電后推進劑陰燃現象得到緩解，當電壓下降至215 V時，斷電后推進劑基本不再發生陰燃現象。

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

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器(內電極直徑為1.0 mm，外電極直徑為10 mm)電點火試驗，電子開關控制工作時間(設定單次工作時間為2 s、間隔時間為5 s、重復啟動3次，總工作時間為6 s)。表4為不同推進劑配方條件下試驗結果，圖5為不同配方電點火試驗后圖片。

表4 不同配方條件下試驗結果

不同配方電點火試驗結果表明，與基礎配方相比，繼續提高副氧化劑TS含量對燃燒效率并沒有改善，而且高TS含量容易導致推進劑斷電后發生陰燃；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配方中加入5%Al粉時，燃燒效率基本沒有影響，當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，通過配方組分優化可在推進劑的可熄火特性和燃燒效率之間找到最佳平衡點。與基礎配方相比，副氧化劑TS、副氧化劑AH、含能產氣劑GN和Al粉等固體填料的加入其實都不利于推進劑的可熄火特性，而有利于推進劑燃燒效率的增加；且加入量超過一定數值后，推進劑將失去可熄火特性，斷電后容易發生陰燃或自持燃燒。試驗結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，推進劑實際燃燒效率基本呈上升趨勢。

2.4 微推進器尺寸的影響

采用電子開關(設定單次工作時間為2 s、間隔時間為5 s、重復啟動3次，總工作時間為6 s)開展了不同微推進器尺寸條件下電點火試驗。表5為不同微推進器尺寸條件下試驗結果，圖6為不同尺寸微推進器電點火試驗后圖片。

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

表5 不同微推進器尺寸條件下試驗結果

不同微推進器尺寸電點火試驗結果表明，在相同配方條件下減小微推進器外徑尺寸有利于提高推進劑燃燒效率；在保證不發生陰燃前提下，外徑D≤8 mm時，推進劑燃燒效率>30%，其中采用內電極直徑為1 mm，外徑為6 mm的微推進器進行電點火試驗，推進劑燃燒效率可達80%以上，燃燒效率改善結果要明顯優于調整配方和升高點火電壓。

分析認為，燃燒效率的變化與微推進器尺寸結構對內電極表面電流密度分布情況有較大影響有關，在相同電壓條件下，當微推進器尺寸變小時，內電極表面電流密度的數值變大，電流密度分布更為集中，推進劑燃燒反應速率加快，反應更加劇烈，燃燒效率提高。

2.5 電點火方式的影響

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

(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 不同電點火方式條件下試驗結果

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

分析認為，燃燒效率的變化與電點火方式對推進劑燃燒表面熱反饋溫度較大影響有關，在相同電壓條件下，適當增加每個脈沖工作的時間，有利于增加推進劑表面熱反饋溫度，使更多推進劑繼續發生燃燒反應，從而提高燃燒效率。

3 結論

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

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

(3)微推進器尺寸和電點火方式對燃燒效率的影響要大于配方調整的影響。

同時，電控固體推進劑的燃燒性能很大程度與樣機結構有關，當結構發生改變時，燃燒性能結果可能會隨之發生變化，而且現階段缺乏有效的電控固體推進劑燃燒性能測試與表征標準和方法。因此，有必要聯合國內相關研究單位盡快建立相應測試系統。