陳 君，李國岫，張 濤，王 夢

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院， 北京 100044；2.北京控制工程研究所，北京 100190;3 北京市高效能及綠色宇航推進(jìn)工程技術(shù)研究中心，北京 100190)

【系統(tǒng)工程、測量與控制】

綠色高性能ADN基推力器關(guān)鍵組件測試及點火性能研究

陳 君1,2,3，李國岫1，張 濤2,3，王 夢2,3

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院， 北京 100044；2.北京控制工程研究所，北京 100190;3 北京市高效能及綠色宇航推進(jìn)工程技術(shù)研究中心，北京 100190)

對新型綠色高性能ADN基推力器關(guān)鍵組件進(jìn)行測試，介紹了ADN推進(jìn)劑和材料之間的相容性，驗證了催化劑在測試程序條件下的運行狀態(tài)，闡述了點火結(jié)束后催化劑的活性以及推力器的狀態(tài)。搭建了地面真空點火測試系統(tǒng)，按照程序的要求，考察了ADN基單組元推進(jìn)劑及其在1N級ADN基發(fā)動機(jī)中的長穩(wěn)態(tài)和脈沖點火性能，為后續(xù)推力器的設(shè)計和制造提供參考。

二硝酰胺銨；推力器；組件測試；點火性能

二硝酰胺銨(ADN)基液體推進(jìn)劑作為一種高性能、綠色無毒、可存儲的新型推進(jìn)劑，代表了空間化學(xué)推進(jìn)技術(shù)的一個新的研究方向和發(fā)展趨勢。ADN基推力器內(nèi)催化分解和高壓燃燒過程的研究，對于提高推力器性能，實現(xiàn)衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的預(yù)包裝，提高我國衛(wèi)星發(fā)射的快速響應(yīng)能力等都具有重要意義[1-2]。表1所示，對比分析了ADN基液體推進(jìn)劑與肼推進(jìn)劑性能。

表1 ADN基液體推進(jìn)劑與肼推進(jìn)劑性能比較

圖1是一個1N推力的ADN基推力器外觀圖。其中一個典型的ADN基液體推力器包括電磁閥、噴注器、催化床、燃燒室及噴管四個部分。

圖1 1N ADN基推力器組件外觀圖

ADN基液體推力器的工作過程可以描述為：ADN基液體推進(jìn)劑由霧化噴嘴噴入推力器內(nèi)部；首先經(jīng)過預(yù)熱段，使得液體推進(jìn)劑蒸發(fā)，增大與催化劑接觸的表面積；通過預(yù)熱段后，推進(jìn)劑進(jìn)入催化床，在催化劑顆粒表面發(fā)生ADN的催化分解反應(yīng)，產(chǎn)生大量NO2、N2O以及NO等具有氧化性的小分子中間產(chǎn)物，釋放部分熱量；反應(yīng)物通過催化床后，進(jìn)入燃燒室，具有氧化性的NO2、N2O以及NO等組分與推進(jìn)劑中的甲醇發(fā)生進(jìn)一步的燃燒反應(yīng)，進(jìn)一步釋放熱量；最后，高溫高壓的燃?xì)馔ㄟ^噴管噴出，產(chǎn)生推力。

本文以1N級ADN基液體推力器為研究對象，采用星載ADN基液態(tài)推進(jìn)劑為工質(zhì)。同時基于星載工況，對ADN基推力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了鑒定試驗，包括傳感器，催化劑性能，材料相容性，力學(xué)性能等進(jìn)行探討，明確了ADN基推力器各關(guān)鍵部件穩(wěn)定性和可靠性。并基于所搭建的地面真空點火試驗臺架系統(tǒng)，研究了ADN基液體推力器真空點火性能，明確了ADN基推力器催化分解和燃燒過程所涉及到的各階段特征信息。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

蘇聯(lián)最早將ADN基固體推進(jìn)劑應(yīng)用在蘇聯(lián)SS-24戰(zhàn)略導(dǎo)彈第二級推力器中[3]。瑞典研究人員利用ADN在水中的高溶解度，將固體ADN推進(jìn)劑溶于水并添加燃料合成ADN基液體混合推進(jìn)劑。在1997年最早公布了代號為LMP-101的ADN基液體混合推進(jìn)劑(61%ADN、26%水和13%丙三醇)，并最早研制了1N推力的ADN基液體空間推力器。瑞典空間公司對基于LMP-101推進(jìn)劑的推力器進(jìn)行點火實驗，對推進(jìn)劑的性能特性進(jìn)行評估。通過對不同配方ADN基液體推進(jìn)劑的性能實驗比較，發(fā)現(xiàn)含甘油的ADN基液體推進(jìn)劑在120℃時就可分解，其他配方的混合推進(jìn)劑要到170℃才可以分解[4]。

2010年2月，ECAPS公司推出了LMP-103S型ADN基液體推進(jìn)劑。LMP-103S是ADN與水、甲醇、氨的混合物。同年6月，基于LMP-103S的1N推力器系統(tǒng)在瑞典發(fā)射的“棱鏡”(PRISMA)雙技術(shù)實驗衛(wèi)星之mango主星上進(jìn)行首次實驗運行。在PRISMA飛行期間，對基于LMP-103S的1N推力器進(jìn)行了推力、比沖、燃燒穩(wěn)定性能等的實驗測試研究[5-7]。

國內(nèi)對于ADN 基推進(jìn)劑的研究，之前也主要是針對基于固體形態(tài)的ADN推進(jìn)劑的燃燒特性和催化分解動力學(xué)機(jī)理的研究。北京控制工程研究所率先開展了針對ADN基液體推進(jìn)劑及相關(guān)空間推力器的基礎(chǔ)研究工作，其中包括推進(jìn)劑噴注霧化特性的實驗測量與推力器原理樣機(jī)的真空艙內(nèi)點火特性研究等[8]。此外，中科院大連化學(xué)物理所在ADN基液體混合推進(jìn)劑的配方，催化劑的研制，以及推力器熱試車實驗方面，也做了大量研究工作。另外，北京交通大學(xué)也針對ADN基液體推進(jìn)劑的撞網(wǎng)破碎霧化過程、推力器內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程，開展了相應(yīng)的實驗與計算研究工作[9-10]。2016年12月，由北京控制工程研究所研制的ADN基推力器在實踐十七號衛(wèi)星上成功進(jìn)行了驗證試驗，這成為我國第一套星上應(yīng)用的無毒推進(jìn)系統(tǒng)。

2 ADN基液體推力系統(tǒng)關(guān)鍵組件性能鑒定與測試

在推力器點火之前，需要對推力器點火實驗中所涉及到的傳感器，催化劑熱試性能，ADN基推進(jìn)劑與材料之間的相容性，推力器力學(xué)測量進(jìn)行鑒定級測量。具體測量結(jié)果如下：

2.1 ADN基推進(jìn)劑與材料之間的相容性實驗鑒定測量結(jié)果

針對與ADN基推進(jìn)劑長期接觸的材料，在工作溫度范圍內(nèi)，開展1年相容性實驗。選取所涉及的材料種類包括乙丙膠M203，乙丙膠M204，GYJ130，GYJ130與1Cr18Ni9Ti焊接件，0Cr17Ni12Mo2和00Cr18Ni9，并選取不同規(guī)格的材料試片，包括長方形試片，電子束焊接試片和圓形試片)和數(shù)量(包括20×10×2和φ25×2)。綜合高低溫浸泡實驗和催化分解實驗結(jié)果，得到相容性分級結(jié)論如表2。

2.2 傳感器鑒定測量結(jié)果

在推力器點火測試前后，對壓力傳感器與燃壓測試通道進(jìn)行聯(lián)校標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，分別選取設(shè)定值壓力為0 MPa，0.4 MPa，0.8 MPa，1.2 MPa，1.6 MPa和2.0 MPa時，壓力傳感器所測得的實驗前后相對誤差均較小，滿足點火實驗的需求。

表2 ADN基單組元推進(jìn)劑材料相容性綜合評級

表3 燃壓壓力傳感器標(biāo)定結(jié)果

推力器組件使用的閥入口壓力傳感器的計算結(jié)果，如表4所示。可以看出，分別選取設(shè)定值壓力為0 MPa，0.4 MPa，0.8 MPa，1.2 MPa，1.6 MPa和2.0 MPa時，壓力傳感器所測得的實驗前后的相對誤差均較小，滿足點火實驗的需求。通過對比燃壓壓力傳感器和閥入口壓力傳感器的實驗結(jié)果，可以看出，試車前后，壓力傳感器與燃壓測試通道性能無明顯變化，均滿足實驗精度要求，燃壓數(shù)據(jù)可靠。

2.3 催化劑熱試性能鑒定測量結(jié)果

在催化劑研制完成后，為了驗證催化劑的性能及壽命，進(jìn)行了2臺份熱試車催化劑的鑒定實驗。此程序按照星載工況的考核要求，完成了在不同穩(wěn)態(tài)和脈沖工況，包括不同箱壓，不同啟動溫度，不同時間/占空比，不同脈沖次數(shù)的測試工作，

表5可以看出，1N級ADN催化劑在整個壽命周期，其指標(biāo)穩(wěn)定性很好。通過本次實驗，對新研1N ADN催化劑的性能指標(biāo)進(jìn)行了考核。得到了額定比沖大于220 s，累計工作時間大于1 500 s等實驗結(jié)果。如表5所示，催化劑熱試性能達(dá)到指標(biāo)要求。

全部實驗結(jié)束后對推力器組件進(jìn)行拆除分解?？梢钥闯?，催化床完整，無空腔；催化劑松散無破碎、結(jié)塊現(xiàn)象；噴注面網(wǎng)絲完整，無斷裂及燒蝕現(xiàn)象。

表5 催化劑熱試性能與指標(biāo)對照表

對試后催化劑回收稱重，狀態(tài)如圖2所示。從圖2中可以看出，催化劑在實驗前裝量為2 g，而在實驗后催化劑余量為2.06 g，催化劑的損耗率為3.0%。試后催化劑略微增重應(yīng)是由于反應(yīng)中間產(chǎn)物沉積于催化劑表面所致。

圖2 試后催化劑稱量結(jié)果

3 ADN基發(fā)動機(jī)點火性能測試

為了進(jìn)一步探究ADN基推力器的性能，同時對推力器點火工況進(jìn)行測試，以滿足星載工況的要求。圖3為1N級ADN推力器組件按程序進(jìn)行長穩(wěn)態(tài)點火時的視頻截圖?？梢钥闯?，在ADN基推力器的催化床和燃燒室內(nèi)存在強烈的放熱現(xiàn)象。

圖4展示的是典型的穩(wěn)態(tài)和脈沖點火曲線。ADN基推力器表現(xiàn)出良好的性能。實驗累計溫啟動次數(shù)2 000次，總脈沖數(shù)累計20萬次，最長連續(xù)工作時間2 000 s，過推進(jìn)劑量16 kg，達(dá)到項目指標(biāo)要求。試車過程中未出現(xiàn)異常情況，試車前后系統(tǒng)無明顯變化，實驗系統(tǒng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠。

圖3 1N ADN推力器組件連續(xù)300 s工作截圖

圖4 1N ADN推力器典型穩(wěn)態(tài)和脈沖曲線

4 結(jié)論

1) 研究了燃壓壓力傳感器和閥口壓力傳感器在點火實驗前后性能變化。結(jié)果表明，試車前后，壓力傳感器與燃壓測試通道性能無明顯變化，均滿足實驗精度要求，燃壓數(shù)據(jù)可靠。

2) 針對與ADN基推進(jìn)劑長期接觸的材料，開展了1年的相容性實驗。所得到的高低溫浸泡實驗和催化分解的實驗結(jié)果可知，絕大部分材料達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)。

3) 研究了ADN基推力器在實驗程序完成后，穩(wěn)態(tài)點火數(shù)據(jù)。明確了ADN基推力器在實驗程序完成后，推力器的仍舊滿足額定比沖，累計脈沖工作次數(shù)，最長連續(xù)工作時間等指標(biāo)要求，同時驗證得到催化劑具有良好的活性。

[1] 賈向華, 徐明.太陽同步回歸軌道衛(wèi)星的重訪特性研究[J].兵器裝備工程學(xué)報, 2017, 38(5): 159-163.

[2] 吉雯龍, 于小紅.國外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用分析[J].四川兵工學(xué)報, 2014, 35(10): 118-120.

[3] 任曉雪,趙鳳起,鄭斌.ADN 推進(jìn)劑的研究發(fā)展[J].飛航導(dǎo)彈，2008(12)：53-55.

[4] WINGBORG N, JOHANSSON M,BODIN L.Initial Development of a Laboratory Rocket Thruster for ADN-based Liquid Monopropellants[M].Swedish Defence Research Agency, 2006.

[5] POKRUPA N, ANFLO K, SVENSSON O.Spacecraft System Level Design with Regards to Incorporation of a New Green Propulsion System[R].AIAA Paper, 2011,6129.

[6] LANGE M, LEIN A, GOTZIG U, et al.Introduction of a high-performance ADN based monopropellant thruster on the Myriade propulsion subsystem[C]//International Conference on Recent Advances in Space Technologies.IEEE, 2013:549-553.

[7] LANGE M, HOLZWARTH M, SCHULTE G, et al.Feasibility study and performance assessment of a myriade propulsion module with an ADN based green monopropellant[C]//The 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE joint propulsion conference, Nashville.2010.

[8] 張偉, 沈巖, 姚兆普, 等.基于量子級聯(lián)激光器的 ADN 基液體推力器穩(wěn)態(tài)燃燒 CO 特征濃度的實驗測量[J].中國科學(xué) 技術(shù)科學(xué) (中文版), 2015, 45(1): 15-20.

[9] ZHANG T, LI G, YU Y, et al.Numerical simulation of ammonium dinitramide (ADN)-based non-toxic aerospace propellant decomposition and combustion in a monopropellant thruster[J].Energy Conversion and Management, 2014, 87: 965-974.

[10] ZHANG T, LI G, YU Y, et al.Effects of Catalytic Bed Thermal Characteristics on Liquid Monopropellant Decomposition and Combustion Characteristics within an Eco-Friendly Thruster Based on Ammonium Dinitramide[J].Combustion Science and Technology, 2016, 188(6): 910-923.

ResearchonKeyComponentsTestandIgnitionPerformanceofGreenHighPerformanceADNBasedThruster

CHEN Jun1,2,3， LI Guoxiu1， ZHANG Tao2,3， WANG Meng2,3

(1.School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University，Beijing 100044, China；2.Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China；3.Beijing Engineering Research Center of Efficient and Green Aerospace Propulsion Technology, Beijing 100190, China)

The key components thruster is investigated based on a new green high performance ADN-based thruster. The test of key components is carried out. The compatibility between ADN propellant and material is introduced. The state of the catalyst is verified under the test procedure. The activity of catalyst and the state of thruster after ignition are expounded. After then, a ground vacuum ignition test system is built. According to the requirements of the program, the long steady state and pulse ignition performance of ADN-based propellant and its performance are investigated. This provides a reference for the design and manufacture of subsequent thrusters.

ammonium dinitramide; component testing ; thruster; ignition performance

2017-09-26；

2017-10-15

陳君(1978—)，男，高級工程師，主要從事航天器推進(jìn)系統(tǒng)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.037

本文引用格式：陳君，李國岫，張濤，等.綠色高性能ADN基推力器關(guān)鍵組件測試及點火性能研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(12):163-166.

formatCHEN Jun，LI Guoxiu，ZHANG Tao,et al.Research on Key Components Test and Ignition Performance of Green High Performance ADN Based Thruster[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):163-166.

V43;TJ768

A

2096-2304(2017)12-0163-04

(責(zé)任編輯唐定國)