曾 徽，李 飛，余西龍，陳連忠，姚兆普，張 偉

（1.中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院電弧等離子體應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074；2.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190；3.北京控制工程研究所，北京 100190）

ADN基推力器中紅外吸收光譜燃燒診斷

曾 徽1，2，＊，李 飛2，余西龍2，陳連忠1，姚兆普3，張 偉3

（1.中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院電弧等離子體應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074；2.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190；3.北京控制工程研究所，北京 100190）

ADN（二硝酰胺銨鹽）基單組元綠色推進(jìn)技術(shù)是空間推進(jìn)領(lǐng)域的國際研究熱點(diǎn)，目前國內(nèi)外對(duì)ADN基推進(jìn)劑分解和燃燒過程缺乏統(tǒng)一、完善的燃燒動(dòng)力學(xué)機(jī)理，尤其欠缺對(duì)推力器內(nèi)部燃燒過程和關(guān)鍵中間產(chǎn)物定量信息的實(shí)驗(yàn)研究。本文通過發(fā)展先進(jìn)中紅外光譜診斷技術(shù)（QCLAS），實(shí)時(shí)診斷ADN基推進(jìn)劑分解、燃燒反應(yīng)中的CO，N2O多種關(guān)鍵組分濃度、燃?xì)鉁囟鹊汝P(guān)鍵參數(shù)。推力器穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了ADN推進(jìn)劑催化分解和燃燒兩步反應(yīng)階段理論研究，脈沖點(diǎn)火下組分濃度變化規(guī)律呈現(xiàn)與脈沖序列一致特性，驗(yàn)證了推力器正常工作的穩(wěn)定性和可靠性?；跍y(cè)量結(jié)果初步評(píng)估了ADN基推力器性能，特征速度達(dá)1130m／s，達(dá)到同類型肼推力器標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了該綠色推力器良好的應(yīng)用前景。

ADN基推力器；中紅外量子級(jí)聯(lián)激光吸收光譜；溫度測(cè)量；濃度測(cè)量

0 引 言

綠色推進(jìn)技術(shù)已成為空間推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1］，其中單組元液體推進(jìn)劑以其高能、綠色無毒、相容性好、低特征信號(hào)等特性，成為了新型綠色推進(jìn)劑的合適候選［2-5］。ADN基單組元推力器既具有單元推力器推進(jìn)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，又擁有接近雙組元推進(jìn)的性能特性，在未來的航天任務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用前景，國外在此領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量的工作［6-11］。

ADN基推進(jìn)劑的分解、燃燒反應(yīng)過程非常復(fù)雜，目前國內(nèi)外對(duì)ADN基推進(jìn)劑分解和燃燒過程缺乏統(tǒng)一、完善的燃燒動(dòng)力學(xué)機(jī)理，尤其欠缺有效的內(nèi)流測(cè)試手段，對(duì)推力器地面熱試車試驗(yàn)燃燒室內(nèi)部燃?xì)鈪?shù)進(jìn)行在線診斷。內(nèi)部氣流參數(shù)，尤其是組分濃度的定量診斷在國內(nèi)外單組元化學(xué)推力器地面實(shí)驗(yàn)中幾乎是空白，迫切需要發(fā)展具有濃度定量測(cè)試能力的非接觸測(cè)量技術(shù)［12］。近年來，激光吸收光譜技術(shù)以其多參數(shù)同時(shí)測(cè)量，測(cè)量精度和重復(fù)頻率高，已廣泛應(yīng)用于超燃直聯(lián)臺(tái)、激波風(fēng)洞、激波管等設(shè)備的在線氣流診斷［12］，是診斷ADN基推力器燃燒過程的理想手段。中國科學(xué)院力學(xué)研究所利用激光吸收光譜診斷的方法，在國內(nèi)外首次獲得了對(duì)于ADN基單組元推力器內(nèi)部燃燒過程的氣流參數(shù)，初步獲得了關(guān)鍵組分濃度、燃?xì)鉁囟入S時(shí)間的變化規(guī)律［13-16］。

本文利用新型的中紅外量子級(jí)聯(lián)激光吸收光譜技術(shù)（QCLAS），開展ADN基推進(jìn)劑分解、燃燒過程中關(guān)鍵中間產(chǎn)物CO、N2O和燃?xì)鉁囟榷垦芯?，?shí)現(xiàn)了高壓、高溫、短程條件下復(fù)雜燃燒場的在線實(shí)時(shí)診斷。研究了推力器穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火和脈沖點(diǎn)火2種典型工況下，燃燒產(chǎn)物濃度和燃?xì)鉁囟入S噴前壓改變的演化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了ADN基推力器良好的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火和脈沖點(diǎn)火能力，清晰的區(qū)分了推進(jìn)劑催化分解和燃燒2個(gè)階段。本研究工作有益于理解ADN基推進(jìn)劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，進(jìn)一步可作為常規(guī)的推力器地面試驗(yàn)內(nèi)流測(cè)試手段，評(píng)估推力器性能和指導(dǎo)推力器整機(jī)設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 ADN基推進(jìn)劑反應(yīng)機(jī)理介紹

ADN基推進(jìn)劑是ADN（NH4N（NO2）2）、水和燃料（甲醇）3者的混合物。結(jié)合國內(nèi)外的研究工作，其可能機(jī)理與路徑可以歸納為2個(gè)分支，如圖1所示。CO，N2O是ADN基推力器燃燒室分解反應(yīng)和燃燒反應(yīng)的重要產(chǎn)物，本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)這2種組分的實(shí)時(shí)測(cè)量，研究ADN熱分解及燃燒的反應(yīng)進(jìn)程。

圖1 ADN基推進(jìn)劑分解、燃燒過程［17］Fig.1 Decomposition and combustion processes of ADN monopropellant

1.2 激光吸收光譜測(cè)量原理

直接吸收光譜的基本理論已經(jīng)得到研究者的深入研究［18-19］，一束頻率為ν的激光通過待測(cè)流場，前后光強(qiáng)發(fā)生變化，入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)滿足Beer-Lambert定律：

式中：I0為入射光強(qiáng)；I為出射光強(qiáng)；αν表示吸收率，滿足：

P表示靜壓，atm；X為待測(cè)組分濃度，測(cè)量時(shí)用PX表示待測(cè)組分的分壓；S（T）表示吸收譜線的線強(qiáng)度，（cm-2·atm-1）；L表示吸收長度，cm；φ（ν）表示線型函數(shù)，與溫度和壓力有關(guān)，φ（ν）滿足，對(duì)公式（2）積分，可得積分吸收率A：

譜線線強(qiáng)度S（T）是溫度的單值函數(shù)：

Q（T）是組分的配分函數(shù)，對(duì)于H2O雙線測(cè)溫，積分吸收比R表示2條待測(cè)譜線積分吸收率之比，有如下表示：

通過R與T的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可得到燃燒室氣流的溫度，待測(cè)組分濃度測(cè)量采用單線吸收，通過公式（6）得出：

本文選用的中紅外量子級(jí)聯(lián)激光吸收光譜技術(shù)（QCLAS）是在原有近紅外吸收光譜技術(shù)（NIRLAS）基礎(chǔ)上發(fā)展的流場診斷技術(shù)，在近年來才逐步應(yīng)用于對(duì)實(shí)際燃燒流場的診斷［20-21］。中紅外吸收光譜相比于近紅外吸收探測(cè)，最大的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)各種組分的探測(cè)極限可以至少提高2～3個(gè)量級(jí)，適用于對(duì)ADN基推力器（小尺寸、高溫、高壓、微量組分）燃燒內(nèi)流的探測(cè)。本實(shí)驗(yàn)采用4.6和5.2μm波長附近的2臺(tái)DFB量子級(jí)聯(lián)激光器進(jìn)行濃度測(cè)量。4.6μm量子級(jí)聯(lián)激光器的可調(diào)諧頻率范圍在2187和2201cm-1之間，結(jié)合ADN基推力器燃燒室對(duì)應(yīng)的溫度、壓力和濃度條件，N2O選用2192.48cm-1（P33）和2193.54cm-1（P32）2條譜線，CO選用2193.36cm-1（R13）吸收線。實(shí)驗(yàn)中同時(shí)掃描這3條譜線，同時(shí)測(cè)量N2O，CO。表1給出了濃度測(cè)量譜線的光譜參數(shù)：

借鑒本研究小組早期對(duì)超燃直聯(lián)臺(tái)燃燒室、激波風(fēng)洞等高超設(shè)備的近紅外H2O測(cè)溫［36］，基于本實(shí)驗(yàn)ADN推力器點(diǎn)火工作的實(shí)驗(yàn)條件（T：500～1500K，P：0.1～0.6MPa，XH2O：0.2～0.6），實(shí)驗(yàn)選擇7185cm-1（J′K′-1K′-1＝660←J″K″-1K″-1＝661）和7444cm-1（J′K′-1K′-1＝13，2，12←J″K″-1K″-1＝12，2，11）雙線組成雙色測(cè)溫線對(duì)，表2給出了這2條測(cè)溫譜線的光譜參數(shù)。

表1 待測(cè)組分譜線光譜參數(shù)Table 1 Spectroscopic line parameters for species concentration measurements

表2 H2O測(cè)溫譜線光譜參數(shù)Table 2 Spectroscopic line parameters for H2O temperature measurements

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

ADN基光學(xué)推力器組件包含電磁閥，噴注器，催化床，帶光學(xué)窗口的燃燒室和尾噴管，如圖2所示。推力器通過燃燒生成的高溫高壓氣體經(jīng)噴管排出產(chǎn)生推力。

圖2 ADN基推力器激光燃燒診斷系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of laser-based absorption sensors for ADN based thruster

光學(xué)測(cè)量的位置位于燃燒中心截面，光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)分為2部分：（1）H2O雙線測(cè)溫；（2）CO、N2O濃度測(cè)量。H2O雙線測(cè)溫采用分時(shí)直接探測(cè)策略，將信號(hào)發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)脈沖鋸齒波經(jīng)方波調(diào)制成2個(gè)半鋸齒波，分別調(diào)制2臺(tái)電流控制器。2臺(tái)H2O激光器的輸出激光經(jīng)光纖耦合器耦合進(jìn)入1根單模光纖中，經(jīng)準(zhǔn)直器進(jìn)入推力器燃燒室待測(cè)截面，透射光由對(duì)測(cè)單臺(tái)硅探測(cè)器采集，近紅外測(cè)量頻率為1kHz。在光學(xué)測(cè)量過程中，為了有效避免室內(nèi)空氣H2O的干擾，可以引入光纖，同時(shí)在光路上采用N2吹除。濃度測(cè)量采用中紅外吸收光譜技術(shù)，CO和N2O測(cè)量使用單臺(tái)4.6μm量子級(jí)聯(lián)激光器，中紅外測(cè)量頻率為100Hz。中紅外激光盡可能保證與近紅外H2O雙線測(cè)溫在同一個(gè)測(cè)量截面，激光通過燃燒室后，透射光用InSb探測(cè)器接收。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

ADN基推力器有2種典型的工作模式：穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火和脈沖點(diǎn)火。影響其工作性能的參數(shù)主要有3個(gè)：（1）噴注器入口壓力，即噴前壓。改變噴前壓會(huì)影響推進(jìn)劑的流量，影響推進(jìn)劑在催化床和燃燒室的反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而改變推進(jìn)劑的釋熱率；（2）催化床預(yù)熱溫度。催化劑需要高于一定溫度才能發(fā)揮催化活性，使ADN快速分解；（3）催化床長度。合適的床長既能保證推進(jìn)劑分解完全，又能最小化流動(dòng)損失和熱損失，合適的床長是推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)采用的推力器，催化床長度設(shè)計(jì)為19mm，對(duì)應(yīng)現(xiàn)有的原理樣機(jī)設(shè)計(jì)方案。催化床溫度確定為推力器在軌點(diǎn)火啟動(dòng)溫度200℃，實(shí)驗(yàn)主要考察了1.2、0.8和0.5MPa（絕對(duì)壓力）3組噴前壓下，推力器穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火和脈沖點(diǎn)火的燃燒過程。其中200℃，1.2MPa噴前壓（對(duì)應(yīng)質(zhì)量流量為0.48g／s）條件下點(diǎn)火對(duì)應(yīng)ADN基推力器的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火工況。

2.1 穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火

圖3給出了10s穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火（噴前壓：1.2MPa）過程中N2O濃度的測(cè)量結(jié)果。點(diǎn)火開始前催化劑已預(yù)熱，此時(shí)N2O濃度很低（小于0.1%），這些N2O來自于催化床中殘留推進(jìn)劑在預(yù)熱過程中發(fā)生的熱分解。點(diǎn)火啟動(dòng)后N2O濃度急劇上升，達(dá)到峰值之后N2O開始迅速下降，在2s以后基本達(dá)到平衡，平衡濃度值約為0.3%，說明這個(gè)階段內(nèi)燃燒反應(yīng)進(jìn)行程度非常高，可以定義為圖1中ADN推進(jìn)劑反應(yīng)的燃燒階段，在2s之前的時(shí)間段界定為ADN的分解反應(yīng)階段。1.2、0.8和0.5MPa噴前壓下，N2O濃度均呈現(xiàn)類似的趨勢(shì)，可以明顯地區(qū)分分解反應(yīng)和燃燒反應(yīng)。

圖3 穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火N2O濃度Fig.3 Measured concentration of N2O in the combustion chamber for steady-state firing

文獻(xiàn)［22］是基于ADN推進(jìn)劑分解機(jī)理的數(shù)值計(jì)算，研究認(rèn)為點(diǎn)火開始的早期階段，溫度較低時(shí)，反應(yīng)分支一（NH4N（NO2）2→NH4NO3＋N2O）占據(jù)主導(dǎo)。這與本實(shí)驗(yàn)中N2O濃度迅速上升階段是一致的。其后，作為一種高能、小分子氧化劑，N2O迅速與燃料反應(yīng)生成N2，消耗殆盡。與之對(duì)應(yīng)，CO作為燃燒反應(yīng)的典型產(chǎn)物，表征燃燒反應(yīng)進(jìn)行程度。CO組分濃度的升高來自甲醇脫氫反應(yīng)，點(diǎn)火初期，反應(yīng)以推進(jìn)劑分解為主，CO濃度上升；隨著燃燒反應(yīng)程度加深，部分CO進(jìn)一步被氧化，CO濃度出現(xiàn)回落，最終達(dá)到平衡。詳細(xì)分析CO的生成，它來源于推進(jìn)劑中燃料甲醇的燃燒反應(yīng)。Li等發(fā)展的甲醇氧化詳細(xì)機(jī)理顯示［23］，CO是來自于甲醇逐步的脫氫反應(yīng)。從圖4和5可以看到，同一噴前壓工況下，推進(jìn)劑反應(yīng)過程中CO與N2O發(fā)生反應(yīng)，CO濃度達(dá)到峰值的時(shí)刻對(duì)應(yīng)N2O濃度達(dá)到平衡的時(shí)刻。隨著噴前壓的下降，該時(shí)刻向后推遲，顯示一個(gè)逐步變慢的燃燒反應(yīng)進(jìn)程。需要強(qiáng)調(diào)的是，在圖4中點(diǎn)火即將結(jié)束（t＝8～10s）時(shí)，0.5MPa點(diǎn)火條件下CO濃度出現(xiàn)上升，顯示一個(gè)不穩(wěn)定的燃燒過程，推力器點(diǎn)火工作異常。

圖4 穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火CO濃度Fig.4 Measured concentration of CO in the combustion chamber for steady-state firing

圖5 穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火燃?xì)鉁囟菷ig.5 Measured temperature in the combustion chamber for steady-state firing

圖5給出了10s穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火過程中，1.2、0.8和0.5MPa噴前壓下推力器燃燒室內(nèi)的燃?xì)鉁囟葴y(cè)量結(jié)果。在1.2MPa時(shí)，點(diǎn)火啟動(dòng)后燃?xì)鉁囟妊杆偕仙?，很快達(dá)到平衡溫度（約1500K）。在0.8MPa時(shí)，點(diǎn)火啟動(dòng)后燃?xì)鉁囟冉⑵胶庾兟阅苓_(dá)到平衡，平衡溫度與噴前壓1.2MPa點(diǎn)火工況接近，說明此噴前壓范圍內(nèi)推進(jìn)劑燃燒穩(wěn)定，釋熱完全，推力器屬于正常工作狀態(tài)。在較低的噴前壓點(diǎn)火工況（0.5MPa），燃燒室燃?xì)鉁囟葻o法建立平衡，出現(xiàn)劇烈的上下震蕩，且燃?xì)鉁囟缺３衷?200K以下，遠(yuǎn)低于正常值，說明此工況下推進(jìn)劑燃燒不穩(wěn)定，釋熱不完全，推力器處于異常工作狀態(tài)。

2.2 脈沖點(diǎn)火

脈沖點(diǎn)火模式是推力器在軌工作的重要方式，用于微量調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)。本文研究ADN基推力器在脈沖點(diǎn)火模式下推進(jìn)劑的燃燒過程。實(shí)驗(yàn)通過定時(shí)控制器輸出的脈沖信號(hào)控制電磁閥開啟和閉合，以實(shí)現(xiàn)推力器的脈沖點(diǎn)火。電磁閥開關(guān)時(shí)間為0.1sON／2sOFF，每次實(shí)驗(yàn)脈沖次數(shù)為10次。

圖6和7分別給出了20s脈沖點(diǎn)火過程中測(cè)得的N2O和CO濃度結(jié)果。N2O、CO組分濃度變化規(guī)律與點(diǎn)火脈沖序列顯示良好的一致性：隨著脈沖啟動(dòng)，組分濃度迅速升高，單脈沖點(diǎn)火結(jié)束，組分濃度迅速回落。對(duì)于N2O，隨著脈沖序列的進(jìn)行，每個(gè)脈沖的N2O峰值濃度逐漸減小，說明燃燒反應(yīng)逐漸加?。欢鴮?duì)于CO，脈沖的峰值濃度上下震蕩，且低于穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火的結(jié)果，說明燃燒反應(yīng)進(jìn)行程度較低，反應(yīng)不穩(wěn)定，10個(gè)脈沖點(diǎn)火下，推進(jìn)劑分解燃燒反應(yīng)無法達(dá)到平衡，推力器工作難以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

此外，最初幾個(gè)脈沖周期內(nèi)，N2O、CO組分濃度下降的速率較慢，隨著點(diǎn)火脈沖序列繼續(xù)，下降速率逐漸加快，這應(yīng)歸結(jié)于脈沖啟動(dòng)初期的分解燃燒反應(yīng)速率較慢，多個(gè)脈沖點(diǎn)火后推進(jìn)劑分解燃燒反應(yīng)速率逐漸上升。

圖6 脈沖點(diǎn)火N2O濃度Fig.6 Measured concentration of N2O in the combustion chamber for pulse-mode firing

圖7 脈沖點(diǎn)火CO濃度Fig.7 Measured concentration of CO in the combustion chamber for pulse-mode firing

圖8給出了推力器脈沖點(diǎn)火工況下的燃?xì)鉁囟鹊臏y(cè)量結(jié)果。推力器在1.2、0.8和0.5MPa噴前壓下點(diǎn)火工作，燃?xì)鉁囟冉⒑突芈渑c脈沖序列非常一致。由于脈沖點(diǎn)火時(shí)間較短，推進(jìn)劑燃燒不完全，燃?xì)鉁囟葻o法達(dá)到平衡，10個(gè)脈沖周期內(nèi)，燃?xì)鉁囟瘸尸F(xiàn)震蕩上升的趨勢(shì)。在1.2MPa點(diǎn)火工況，脈沖周期內(nèi)燃?xì)鉁厣黠@，燃?xì)鉁囟冉咏?200K，低于穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火燃?xì)鉁囟戎?，說明此脈沖工況，ADN分解反應(yīng)較完全，而燃燒反應(yīng)進(jìn)行程度低于對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火工況，推力器仍然沒有達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。在0.8和0.5MPa點(diǎn)火工況，脈沖周期內(nèi)燃?xì)鉁厣陀?00K，燃?xì)鉁囟戎档陀?00K，說明此時(shí)ADN分解反應(yīng)不完全，燃燒反應(yīng)進(jìn)行程度接近于0，推力器工作不正常。

圖8 脈沖點(diǎn)火燃?xì)鉁囟菷ig.8 Measured temperature in the combustion chamber for pulse-mode firing

3 推力器性能評(píng)估

特征速度C＊表征推進(jìn)劑化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的有效度量，是評(píng)估推力器工作性能的關(guān)鍵指標(biāo)，其值取決于推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物的熱力學(xué)特性，與燃燒溫度Tc、產(chǎn)物氣體常數(shù)R和比熱比γ相關(guān)，C＊越大，說明推進(jìn)劑的能量越高，對(duì)應(yīng)更高的氣體噴出速度。C＊可以用公式（7）表示［24］：

圖9給出了1.2、0.8和0.5MPa這3組噴前壓下推力器穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火和脈沖點(diǎn)火的特征速度。對(duì)于穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火工況，推力器正常點(diǎn)火工況下，推力器的特征速度在1130m／s左右，同類型肼推力器的特征速度一般在1100m／s，說明ADN基的性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了同類型肼推力器的標(biāo)準(zhǔn)［25］。隨著噴前壓下降，特征速度有一個(gè)先維持穩(wěn)定、后逐漸降低的變化趨勢(shì)。

對(duì)于脈沖點(diǎn)火工況，特征速度定義為10個(gè)脈沖點(diǎn)火周期內(nèi)最大特征速度的平均值。隨著噴前壓的下降，推力器的特征速度呈整體下降的趨勢(shì)，但較低的噴前壓下出現(xiàn)波動(dòng)。這是因?yàn)槊}沖點(diǎn)火下，點(diǎn)火初期的幾個(gè)脈沖周期內(nèi)推進(jìn)劑分解、燃燒過程以分解反應(yīng)為主，推進(jìn)劑無法保證進(jìn)行充分的催化分解，燃燒反應(yīng)進(jìn)行程度非常低，燃燒室內(nèi)燃燒處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著噴前壓的下降，燃燒不穩(wěn)定加劇。

圖9 穩(wěn)態(tài)、脈沖點(diǎn)火下推力器性能比較Fig.9 Performance comparison of steady-state firing and pulsemode firing

4 結(jié) 論

本文以1NADN基單組元衛(wèi)星推力器為研究對(duì)象，利用中紅外量子級(jí)聯(lián)激光吸收光譜技術(shù)開展了推力器穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火和脈沖點(diǎn)火下燃燒室內(nèi)的燃燒過程定量診斷，得到如下結(jié)論：

（1）首次實(shí)現(xiàn)了ADN基推力器內(nèi)部燃燒過程中的多參數(shù)測(cè)量，獲得了實(shí)時(shí)的CO，N2O多組分濃度和溫度的結(jié)果。多參數(shù)的在線實(shí)時(shí)診斷從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了ADN推進(jìn)劑分解和燃燒兩步反應(yīng)階段，對(duì)于理解ADN基分解、燃燒反應(yīng)路徑具有重要意義。

（2）ADN基推力器穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火和脈沖點(diǎn)火2種主要工況測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了推力器良好的穩(wěn)態(tài)、脈沖工作特性，證明了所發(fā)展光學(xué)非接觸式測(cè)量技術(shù)可作為推力器熱試車試驗(yàn)的常規(guī)有效測(cè)試手段。

（3）推力器性能評(píng)估顯示，標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火工況下，ADN基推力器的特征速度在1130m／s左右，性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了肼推力器的標(biāo)準(zhǔn)。

在后續(xù)的研究工作中，將基于激光吸收光譜技術(shù)（LAS），開展對(duì)燃燒室沿軸向多點(diǎn)空間分布測(cè)量，進(jìn)而獲得ADN推力器工作過程中燃燒室內(nèi)分解燃燒反應(yīng)的整個(gè)過程。

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Mid-infrared absorption combustion diagnostics for an ADN based thruster

Zeng Hui1，2，＊，Li Fei2，Yu Xilong2，Chen Lianzhong1，Yao Zhaopu3，Zhang Wei3
（1.China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing Key Laboratory of Arc Plasma Application Equipment，Beijing 100074，China；2.Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；3.Beijing Institute of Control Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100190，China）

ADN monopropellant green space propulsion is perceived as a focus of the space propulsion research worldwide.Experimental study is in urgent requirement for understanding the combustion process in the ADN based thruster and for quantitative evaluation and optimization of the combustion stability and the thruster performance.In this paper，experiments were conducted to measure the concentration of the key intermediate products（CO，N2O）and the temperature of the combustion gas flow based on the mid-infrared quantum cascade laser absorption spectroscopy（QCLAS）.Two main ignition modes of the 1NADN based thruster are studied：the steady-state firing and the pulse-mode firing over the injection pressure of 0.5～1.2MPa bar with catalytic bed length of 19mm，corresponding to a current thruster prototype.It is found in the steady-state firing experiments that the whole process can be divided into the catalytic decomposition stage and the combustion stage，and the combustion kinetics mechanism of the monopropellant is experimentally demonstrated.Experiments for the pulse-mode firing show the variance of the measured multispecies concentration and temperature in consistence with the pulse trains，verifying the good performance of the thruster pulse-mode firing operation.

ADN based thruster；mid-infrared quantum cascade laser absorption spectroscopy；temperature measurement；concentration measurement

V430；V211.7

A

（編輯：李金勇）

2016-10-08；

2016-12-16

＊通信作者E-mail：zenghuikeda＠outlook.com

ZengH，LiF，YuXL，etal.Mid-infraredabsorptioncombustiondiagnosticsforanADNbasedthruster.JournalofExperimentsinFluid Mechanics，2017，31（1）：47-53.曾 徽，李 飛，余西龍，等.ADN基推力器中紅外吸收光譜燃燒診斷.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2017，31（1）：47-53.

1672-9897（2017）01-0047-07

10.11729／syltlx20160147

曾徽（1989-），男，湖南益陽人，工程師。研究方向：吸收光譜、發(fā)射光譜、燃燒診斷。通信地址：北京市云崗西路17號(hào)中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院（100074）。E-mail：zeng huikeda＠outlook.com