ADN基推力器中紅外吸收光譜燃燒診斷

曾 徽，李 飛，余西龍，陳連忠，姚兆普，張 偉

（1.中國航天空氣動力技術研究院電弧等離子體應用裝備北京市重點實驗室，北京 100074；2.中國科學院力學研究所，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.中國航天空氣動力技術研究院電弧等離子體應用裝備北京市重點實驗室，北京 100074；2.中國科學院力學研究所，北京 100190；3.北京控制工程研究所，北京 100190）

ADN（二硝酰胺銨鹽）基單組元綠色推進技術是空間推進領域的國際研究熱點，目前國內外對ADN基推進劑分解和燃燒過程缺乏統一、完善的燃燒動力學機理，尤其欠缺對推力器內部燃燒過程和關鍵中間產物定量信息的實驗研究。本文通過發展先進中紅外光譜診斷技術（QCLAS），實時診斷ADN基推進劑分解、燃燒反應中的CO，N2O多種關鍵組分濃度、燃氣溫度等關鍵參數。推力器穩態點火測量結果驗證了ADN推進劑催化分解和燃燒兩步反應階段理論研究，脈沖點火下組分濃度變化規律呈現與脈沖序列一致特性，驗證了推力器正常工作的穩定性和可靠性。基于測量結果初步評估了ADN基推力器性能，特征速度達1130m／s，達到同類型肼推力器標準，驗證了該綠色推力器良好的應用前景。

ADN基推力器；中紅外量子級聯激光吸收光譜；溫度測量；濃度測量

0 引 言

綠色推進技術已成為空間推進技術領域的研究熱點［1］，其中單組元液體推進劑以其高能、綠色無毒、相容性好、低特征信號等特性，成為了新型綠色推進劑的合適候選［2-5］。ADN基單組元推力器既具有單元推力器推進結構簡單、可靠性高的優點，又擁有接近雙組元推進的性能特性，在未來的航天任務中具有廣泛的應用前景，國外在此領域已經開展了大量的工作［6-11］。

ADN基推進劑的分解、燃燒反應過程非常復雜，目前國內外對ADN基推進劑分解和燃燒過程缺乏統一、完善的燃燒動力學機理，尤其欠缺有效的內流測試手段，對推力器地面熱試車試驗燃燒室內部燃氣參數進行在線診斷。內部氣流參數，尤其是組分濃度的定量診斷在國內外單組元化學推力器地面實驗中幾乎是空白，迫切需要發展具有濃度定量測試能力的非接觸測量技術［12］。近年來，激光吸收光譜技術以其多參數同時測量，測量精度和重復頻率高，已廣泛應用于超燃直聯臺、激波風洞、激波管等設備的在線氣流診斷［12］，是診斷ADN基推力器燃燒過程的理想手段。中國科學院力學研究所利用激光吸收光譜診斷的方法，在國內外首次獲得了對于ADN基單組元推力器內部燃燒過程的氣流參數，初步獲得了關鍵組分濃度、燃氣溫度隨時間的變化規律［13-16］。

本文利用新型的中紅外量子級聯激光吸收光譜技術（QCLAS），開展ADN基推進劑分解、燃燒過程中關鍵中間產物CO、N2O和燃氣溫度定量研究，實現了高壓、高溫、短程條件下復雜燃燒場的在線實時診斷。研究了推力器穩態點火和脈沖點火2種典型工況下，燃燒產物濃度和燃氣溫度隨噴前壓改變的演化規律，實驗結果證明了ADN基推力器良好的穩態點火和脈沖點火能力，清晰的區分了推進劑催化分解和燃燒2個階段。本研究工作有益于理解ADN基推進劑反應動力學機理，進一步可作為常規的推力器地面試驗內流測試手段，評估推力器性能和指導推力器整機設計。

1 試驗部分

1.1 ADN基推進劑反應機理介紹

ADN基推進劑是ADN（NH4N（NO2）2）、水和燃料（甲醇）3者的混合物。結合國內外的研究工作，其可能機理與路徑可以歸納為2個分支，如圖1所示。CO，N2O是ADN基推力器燃燒室分解反應和燃燒反應的重要產物，本實驗通過對這2種組分的實時測量，研究ADN熱分解及燃燒的反應進程。

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

1.2 激光吸收光譜測量原理

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

式中：I0為入射光強；I為出射光強；αν表示吸收率，滿足：

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

譜線線強度S（T）是溫度的單值函數：

Q（T）是組分的配分函數，對于H2O雙線測溫，積分吸收比R表示2條待測譜線積分吸收率之比，有如下表示：

通過R與T的對應關系即可得到燃燒室氣流的溫度，待測組分濃度測量采用單線吸收，通過公式（6）得出：

本文選用的中紅外量子級聯激光吸收光譜技術（QCLAS）是在原有近紅外吸收光譜技術（NIRLAS）基礎上發展的流場診斷技術，在近年來才逐步應用于對實際燃燒流場的診斷［20-21］。中紅外吸收光譜相比于近紅外吸收探測，最大的優勢在于其對各種組分的探測極限可以至少提高2～3個量級，適用于對ADN基推力器（小尺寸、高溫、高壓、微量組分）燃燒內流的探測。本實驗采用4.6和5.2μm波長附近的2臺DFB量子級聯激光器進行濃度測量。4.6μm量子級聯激光器的可調諧頻率范圍在2187和2201cm-1之間，結合ADN基推力器燃燒室對應的溫度、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。實驗中同時掃描這3條譜線，同時測量N2O，CO。表1給出了濃度測量譜線的光譜參數：

借鑒本研究小組早期對超燃直聯臺燃燒室、激波風洞等高超設備的近紅外H2O測溫［36］，基于本實驗ADN推力器點火工作的實驗條件（T：500～1500K，P：0.1～0.6MPa，XH2O：0.2～0.6），實驗選擇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）雙線組成雙色測溫線對，表2給出了這2條測溫譜線的光譜參數。

表1 待測組分譜線光譜參數Table 1 Spectroscopic line parameters for species concentration measurements

表2 H2O測溫譜線光譜參數Table 2 Spectroscopic line parameters for H2O temperature measurements

1.3 實驗系統

ADN基光學推力器組件包含電磁閥，噴注器，催化床，帶光學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噴管排出產生推力。

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

光學測量的位置位于燃燒中心截面，光學測量系統分為2部分：（1）H2O雙線測溫；（2）CO、N2O濃度測量。H2O雙線測溫采用分時直接探測策略，將信號發生器的標準脈沖鋸齒波經方波調制成2個半鋸齒波，分別調制2臺電流控制器。2臺H2O激光器的輸出激光經光纖耦合器耦合進入1根單模光纖中，經準直器進入推力器燃燒室待測截面，透射光由對測單臺硅探測器采集，近紅外測量頻率為1kHz。在光學測量過程中，為了有效避免室內空氣H2O的干擾，可以引入光纖，同時在光路上采用N2吹除。濃度測量采用中紅外吸收光譜技術，CO和N2O測量使用單臺4.6μm量子級聯激光器，中紅外測量頻率為100Hz。中紅外激光盡可能保證與近紅外H2O雙線測溫在同一個測量截面，激光通過燃燒室后，透射光用InSb探測器接收。

2 實驗結果和分析

ADN基推力器有2種典型的工作模式：穩態點火和脈沖點火。影響其工作性能的參數主要有3個：（1）噴注器入口壓力，即噴前壓。改變噴前壓會影響推進劑的流量，影響推進劑在催化床和燃燒室的反應時間，進而改變推進劑的釋熱率；（2）催化床預熱溫度。催化劑需要高于一定溫度才能發揮催化活性，使ADN快速分解；（3）催化床長度。合適的床長既能保證推進劑分解完全，又能最小化流動損失和熱損失，合適的床長是推力器結構設計的重要一環。對于本次實驗采用的推力器，催化床長度設計為19mm，對應現有的原理樣機設計方案。催化床溫度確定為推力器在軌點火啟動溫度200℃，實驗主要考察了1.2、0.8和0.5MPa（絕對壓力）3組噴前壓下，推力器穩態點火和脈沖點火的燃燒過程。其中200℃，1.2MPa噴前壓（對應質量流量為0.48g／s）條件下點火對應ADN基推力器的標準點火工況。

2.1 穩態點火

圖3給出了10s穩態點火標準點火（噴前壓：1.2MPa）過程中N2O濃度的測量結果。點火開始前催化劑已預熱，此時N2O濃度很低（小于0.1%），這些N2O來自于催化床中殘留推進劑在預熱過程中發生的熱分解。點火啟動后N2O濃度急劇上升，達到峰值之后N2O開始迅速下降，在2s以后基本達到平衡，平衡濃度值約為0.3%，說明這個階段內燃燒反應進行程度非常高，可以定義為圖1中ADN推進劑反應的燃燒階段，在2s之前的時間段界定為ADN的分解反應階段。1.2、0.8和0.5MPa噴前壓下，N2O濃度均呈現類似的趨勢，可以明顯地區分分解反應和燃燒反應。

圖3 穩態點火N2O濃度Fig.3 Measured concentration of N2O in the combustion chamber for steady-state firing

文獻［22］是基于ADN推進劑分解機理的數值計算，研究認為點火開始的早期階段，溫度較低時，反應分支一（NH4N（NO2）2→NH4NO3＋N2O）占據主導。這與本實驗中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迅速與燃料反應生成N2，消耗殆盡。與之對應，CO作為燃燒反應的典型產物，表征燃燒反應進行程度。CO組分濃度的升高來自甲醇脫氫反應，點火初期，反應以推進劑分解為主，CO濃度上升；隨著燃燒反應程度加深，部分CO進一步被氧化，CO濃度出現回落，最終達到平衡。詳細分析CO的生成，它來源于推進劑中燃料甲醇的燃燒反應。Li等發展的甲醇氧化詳細機理顯示［23］，CO是來自于甲醇逐步的脫氫反應。從圖4和5可以看到，同一噴前壓工況下，推進劑反應過程中CO與N2O發生反應，CO濃度達到峰值的時刻對應N2O濃度達到平衡的時刻。隨著噴前壓的下降，該時刻向后推遲，顯示一個逐步變慢的燃燒反應進程。需要強調的是，在圖4中點火即將結束（t＝8～10s）時，0.5MPa點火條件下CO濃度出現上升，顯示一個不穩定的燃燒過程，推力器點火工作異常。

圖4 穩態點火CO濃度Fig.4 Measured concentration of CO in the combustion chamber for steady-state firing

圖5 穩態點火燃氣溫度Fig.5 Measured temperature in the combustion chamber for steady-state firing

圖5給出了10s穩態點火過程中，1.2、0.8和0.5MPa噴前壓下推力器燃燒室內的燃氣溫度測量結果。在1.2MPa時，點火啟動后燃氣溫度迅速上升，很快達到平衡溫度（約1500K）。在0.8MPa時，點火啟動后燃氣溫度建立平衡變慢，但仍能達到平衡，平衡溫度與噴前壓1.2MPa點火工況接近，說明此噴前壓范圍內推進劑燃燒穩定，釋熱完全，推力器屬于正常工作狀態。在較低的噴前壓點火工況（0.5MPa），燃燒室燃氣溫度無法建立平衡，出現劇烈的上下震蕩，且燃氣溫度保持在1200K以下，遠低于正常值，說明此工況下推進劑燃燒不穩定，釋熱不完全，推力器處于異常工作狀態。

2.2 脈沖點火

脈沖點火模式是推力器在軌工作的重要方式，用于微量調整衛星姿態。本文研究ADN基推力器在脈沖點火模式下推進劑的燃燒過程。實驗通過定時控制器輸出的脈沖信號控制電磁閥開啟和閉合，以實現推力器的脈沖點火。電磁閥開關時間為0.1sON／2sOFF，每次實驗脈沖次數為10次。

圖6和7分別給出了20s脈沖點火過程中測得的N2O和CO濃度結果。N2O、CO組分濃度變化規律與點火脈沖序列顯示良好的一致性：隨著脈沖啟動，組分濃度迅速升高，單脈沖點火結束，組分濃度迅速回落。對于N2O，隨著脈沖序列的進行，每個脈沖的N2O峰值濃度逐漸減小，說明燃燒反應逐漸加劇；而對于CO，脈沖的峰值濃度上下震蕩，且低于穩態點火的結果，說明燃燒反應進行程度較低，反應不穩定，10個脈沖點火下，推進劑分解燃燒反應無法達到平衡，推力器工作難以達到穩定狀態。

此外，最初幾個脈沖周期內，N2O、CO組分濃度下降的速率較慢，隨著點火脈沖序列繼續，下降速率逐漸加快，這應歸結于脈沖啟動初期的分解燃燒反應速率較慢，多個脈沖點火后推進劑分解燃燒反應速率逐漸上升。

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

圖7 脈沖點火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火工況下的燃氣溫度的測量結果。推力器在1.2、0.8和0.5MPa噴前壓下點火工作，燃氣溫度建立和回落與脈沖序列非常一致。由于脈沖點火時間較短，推進劑燃燒不完全，燃氣溫度無法達到平衡，10個脈沖周期內，燃氣溫度呈現震蕩上升的趨勢。在1.2MPa點火工況，脈沖周期內燃氣溫升明顯，燃氣溫度接近1200K，低于穩態點火燃氣溫度值，說明此脈沖工況，ADN分解反應較完全，而燃燒反應進行程度低于對應穩態點火工況，推力器仍然沒有達到穩定工作狀態。在0.8和0.5MPa點火工況，脈沖周期內燃氣溫升低于200K，燃氣溫度值低于700K，說明此時ADN分解反應不完全，燃燒反應進行程度接近于0，推力器工作不正常。

圖8 脈沖點火燃氣溫度Fig.8 Measured temperature in the combustion chamber for pulse-mode firing

3 推力器性能評估

特征速度C＊表征推進劑化學能轉化為熱能的有效度量，是評估推力器工作性能的關鍵指標，其值取決于推進劑燃燒產物的熱力學特性，與燃燒溫度Tc、產物氣體常數R和比熱比γ相關，C＊越大，說明推進劑的能量越高，對應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態點火和脈沖點火的特征速度。對于穩態點火工況，推力器正常點火工況下，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基的性能指標已經達到了同類型肼推力器的標準［25］。隨著噴前壓下降，特征速度有一個先維持穩定、后逐漸降低的變化趨勢。

對于脈沖點火工況，特征速度定義為10個脈沖點火周期內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，但較低的噴前壓下出現波動。這是因為脈沖點火下，點火初期的幾個脈沖周期內推進劑分解、燃燒過程以分解反應為主，推進劑無法保證進行充分的催化分解，燃燒反應進行程度非常低，燃燒室內燃燒處于不穩定狀態，隨著噴前壓的下降，燃燒不穩定加劇。

圖9 穩態、脈沖點火下推力器性能比較Fig.9 Performance comparison of steady-state firing and pulsemode firing

4 結 論

本文以1NADN基單組元衛星推力器為研究對象，利用中紅外量子級聯激光吸收光譜技術開展了推力器穩態點火和脈沖點火下燃燒室內的燃燒過程定量診斷，得到如下結論：

（1）首次實現了ADN基推力器內部燃燒過程中的多參數測量，獲得了實時的CO，N2O多組分濃度和溫度的結果。多參數的在線實時診斷從實驗上驗證了ADN推進劑分解和燃燒兩步反應階段，對于理解ADN基分解、燃燒反應路徑具有重要意義。

（2）ADN基推力器穩態點火和脈沖點火2種主要工況測量結果驗證了推力器良好的穩態、脈沖工作特性，證明了所發展光學非接觸式測量技術可作為推力器熱試車試驗的常規有效測試手段。

（3）推力器性能評估顯示，標準點火工況下，ADN基推力器的特征速度在1130m／s左右，性能指標已經達到了肼推力器的標準。

在后續的研究工作中，將基于激光吸收光譜技術（LAS），開展對燃燒室沿軸向多點空間分布測量，進而獲得ADN推力器工作過程中燃燒室內分解燃燒反應的整個過程。

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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.實驗流體力學，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、發射光譜、燃燒診斷。通信地址：北京市云崗西路17號中國航天空氣動力技術研究院（100074）。E-mail：zeng huikeda＠outlook.com