電控固體推進劑點火技術研究*

王新強，鄧康清，李洪旭，余小波，王鹍鵬，楊育文，朱雯娟

(湖北航天化學技術研究所，襄陽 441003)

電控固體推進劑點火技術研究*

王新強，鄧康清，李洪旭，余小波，王鹍鵬，楊育文，朱雯娟

(湖北航天化學技術研究所，襄陽 441003)

采用一種層狀電極式點火裝置，分別研究了電極材料、電極形狀和電極極性對電控固體推進劑點火過程的影響。試驗結果表明，電極材料、推進劑端面電流密度和電極極性是影響電控固體推進劑點火過程的重要因素，當推進劑兩端面電流密度相同時，采用不同材料的電極優先點火順序依次為鈦、鋁、石墨、銅。當兩端電極材料相同時，ESP始終在電流密度較大的一端點火，且電流密度越大，點火效果越好，臨界點火電壓越低；當兩電極與藥柱端面的接觸面積比為1∶1和0.64∶1時，ESP優先在正極端點火；但當兩電極與藥柱端面的接觸面積比為0.16∶1時，ESP在電流密度較大的一端點火。電控固體推進劑能通過電壓控制實現多次點火、熄火循環。

電控固體推進劑；點火；電極；電流密度

0 引言

固體發動機具有結構簡單、響應快速、使用維護方便等優點，在戰術導彈武器中具有廣泛的應用。但固體火箭發動機無法主動熄火，一經點火，只有待推進劑裝藥全部燃燒后，發動機才能停止工作，難以實現多次啟動和推力調節，嚴重限制了固體導彈的機動飛行能力[1]。隨著軍事需求的不斷提升，固體推進劑燃燒可控是除了高能化之外的另一個重要發展方向。

美國率先探索研制了一種燃燒可控的電控固體推進劑(Electric Solid Propellant)，主要以HAN為氧化劑，具有獨特的電化學特性，在推進劑中嵌入合適的電極，在電極兩端加載合適的電壓，能夠點燃推進劑，斷電后，推進劑能夠主動熄火；燃燒過程中，可通過調節電壓的大小來調節推進劑的燃速[2-6]。因此，使用電控固體推進劑的發動機，有望實現多次啟動和推力大小隨機控制。另外，電控固體推進劑還具有良好的安全性能，滿足DOT1.4級安全等級要求[7]。Andrew等[8]在常壓條件下，采用明火對ESP樣品進行了點火試驗，點火能量為1.9 J/(s·mm2)，持續時間達60 s。結果表明，ESP無法燃燒，僅發生軟化和碳化。Sawka等[2]采用內外包覆電極的方法，制作了微小型電控固體推進器，并分別對直徑3.175 mm和6.350 mm的微型推進器進行電控多次點火性能測試。試驗結果表明，電控固體推進劑能通過電壓控制實現多次點火和主動熄火。

在固體火箭發動機中，推進劑的點火直接影響發動機工作可靠性，是發動機設計的重要基礎。電控固體發動機無需專門的煙火藥點火裝置，在推進劑中，嵌入合適的電極，通過電壓控制推進劑的燃燒狀態。目前，國內外關于電控固體推進劑點火和燃燒特性的研究幾乎空白。為了研究影響電控固體推進劑點火過程的因素，得到電控固體推進劑實現點火的條件，本文通過試驗研究了電極材料、藥柱端面的電流密度和電極極性對電控固體推進劑點火過程的影響，對于電控固體推進劑動力裝置的設計具有一定的參考意義。

1 試驗系統及方案

1.1 試驗系統

圖1為電控固體推進劑點火試驗系統示意圖，包括層狀電極式點火裝置、電源、調壓裝置及高速攝影機。其中，層狀電極式點火裝置由電極A、電極B、連桿和試驗臺組成，電極A和電極B通過導線分別連接電源兩端；電源采用交流220 V、50 Hz電源；調壓裝置用于轉換電壓，根據需求輸出不同大小的電壓，當采用交流電點火時，調壓裝置采用0～300 V交流變壓器；當采用直流電點火時，調壓裝置采用0～300 V可調直流穩壓電源。高速攝影機用于記錄推進劑樣品點火過程。

試驗所用的電控固體推進劑主要由氧化劑HAN和粘合劑PVA組成，推進劑樣品為圓柱狀，直徑為25 mm，長10 mm。試驗過程中，將推進劑樣品放置于電極A和電極B之間。電極B通過工裝固定在試驗臺上；電極A通過螺紋與連桿連接，利用連桿重力作用保證推進劑樣品與電極表面持續接觸。在每組試驗中，電極A和電極B的形狀和材料都是不同的。定義電極A與推進劑樣品接觸面積為SA，電極B與推進劑樣品接觸面積為SB。

點火過程中，首先通過調壓裝置設定工作電壓；然后接通電源，在電極A和電極B之間加載一定電壓，實現電控固體推進劑點火。通過高速攝影圖像，判斷電控固體推進劑發生點火的電極端。定義能夠維持電控固體推進劑燃燒的最低電壓為臨界點火電壓。

1.2 試驗方案

(1)電極材料對ESP點火過程的影響試驗

本組試驗中，電極A和電極B均為圓板電極，兩電極端面直徑均為25 mm，與推進劑樣品直徑相等。兩端電極與推進劑樣品接觸面積相等(SA=SB)。

選用鋁、鈦、銅和石墨4種材料作為電極材料。采用上述4種不同材料分別制作電極A和電極B，進行交叉組合點火試驗。采用交流電點火，電壓為150 V。

通過高速攝像機記錄的點火過程判斷ESP點火發生的電極端。為表征電極材料對ESP點火過程的影響，引入點火順序，點火順序指除了電極材料不同，其他點火條件完全相同時，若采用任意兩種材料電極組成1對電極進行點火，推進劑在哪一端電極點火，表明該端電極材料的點火順序越靠前。

(2)電極形狀對ESP點火過程的影響試驗

電極形狀的不同主要影響藥柱的電流密度分布和反應接觸面積。本組試驗中，電極A為多孔網格結構，通過控制移動電極A的凸起部分的大小來改變藥柱表面的電流密度大小，圖2為3組不同形狀的電極A。電極B為平面電極，電極A和電極B的材料分別為不銹鋼和石墨。采用交流電點火。

首先，在150 V電壓條件下，對比3種形狀電極的點火效果；其次，同樣采用上述3種電極，逐漸增大電壓，得到采用3種形狀電極的臨界點火電壓。

(3)不同材料、不同電流密度對ESP點火過程的共同影響試驗

本組試驗中，電極A為多孔網格結構，與推進劑樣品接觸面積為144 mm2，電極B為圓板電極。電極A端推進劑表面具有更大的電流密度。采用鋁、鈦、銅和石墨4種材料，分別制作電極A和電極B，進行兩兩交叉組合點火試驗。采用交流電點火。

首先，在150 V電壓條件下，對比分析不同電極組合的點火過程；其次，采用鈦、鋁、石墨3種材料，分別制作電極A，采用石墨制作電極B，逐漸增大電壓，得到不同電極組合條件下的臨界點火電壓。

(4)電極極性、電流密度對ESP點火過程的共同影響試驗

本組試驗中，電極A和電極B均為圓板電極，均采用不銹鋼材料，3組電極A的直徑分別為10、20、25 mm，采用直流電點火，電壓為150 V。表1為直流點火過程的電極條件。

表1 直流點火條件

(5)重復點火試驗

本組試驗中，電極A為多孔網格結構，電極B均為圓板電極，兩端電極材料均采用不銹鋼，采用交流電點火。

首先，加載電壓75 V開始點火，點火成功后，斷電熄火；再次加載電壓150 V，點火成功后斷電熄火。驗證ESP重復點火、熄火特性，對比不同電壓大小條件下ESP的點火效果。

2 試驗結果與分析

2.1 電極材料對ESP點火過程的影響

試驗中，兩端電極與推進劑樣品的接觸面積比SA/SB=1∶1。電極A和電極B分別采用鈦、鋁、石墨和不銹鋼4種材料進行兩兩交叉組合點火試驗，試驗結果如圖3所示，得到不同材料的點火優先順序分別為(a)鈦>鋁；(b)鈦>石墨；(c)鈦>銅；(b)鋁>石墨；(e)鋁>銅；(f)石墨>銅。

綜上所述，在相同燃面電流密度條件下，不同材料電極的點火優先順序依次為鈦、鋁、石墨、銅。

2.2 電極形狀對ESP點火過程的影響

根據電流密度分布理論，在加載相同電壓時，電極與推進劑樣品接觸面積越小，電流密度越大。

圖4(a)中，SA=200 mm2時，藥柱電流密度最小，點火效果最差；圖4(b)中，SA=126 mm2時，電流密度較大，點火效果適中；圖4(c)中，SA=88 mm2時，局部電流密度最大，點火效果最佳。

表2為不同接觸面積的電極對ESP臨界點火電壓的影響結果，接觸面積越小，臨界點火電壓越低。所以，電流密度是影響ESP點火性能的關鍵因素。電流密度越大，燃面端電解反應越劇烈；同時，燃面產生的焦耳熱越大，電控固體推進劑更易實現點火。為提高點火可靠性，應設計合理的電極結構，增加推進劑燃面端的電流密度。

表2 SA對ESP臨界點火電壓的影響

2.3 電極材料、電流密度對ESP點火的共同影響

兩電極與推進劑兩端面的接觸面積比SA/SB為0.3∶1，電極A端的推進劑表面具有更大的電流密度。圖5(a)～(b)為鈦和鋁的交叉組合點火試驗結果，當增大電極A端推進劑的電流密度，ESP在電流密度較大的一端點火；圖5(k)～(l)為石墨和銅的交叉組合點火試驗結果，當增大電極A端推進劑的電流密度，ESP也在電流密度較大的一端點火；結果表明，以鈦和鋁、石墨和銅為電極材料時，電流密度對ESP的點火過程起主導作用。

圖5(c)～(j)分別為鈦和石墨、鈦和銅、鋁和石墨、鋁和銅的交叉組合點火試驗結果，當電極A材料點火順序優于電極B材料點火順序時，ESP始終在電極A端點火，即電流密度較大的一端；當電極B材料點火順序優于電極A材料點火順序時，ESP始終在電極B端點火，即電流密度較小的一端。試驗結果表明，在以鈦和石墨、鈦和銅、鋁和石墨、鋁和銅為電極材料時，電極材料的影響對ESP的點火過程起主導作用。

表3為試驗得到的不同材料電極的臨界點火電壓。結果表明，一端材料相同，另一端電極材料的點火順序越靠前，ESP的點火性能越好，其臨界點火電壓越低。2.4 電極極性、電流密度對ESP點火的共同影響

圖6為采用直流電點火的試驗結果。圖6(a)中，兩端電極與推進劑樣品接觸面積比SA/SB=1∶1，ESP始終在正極端點火；圖6(b)中，兩端電極與推進劑樣品接觸面積比SA/SB=0.64∶1，ESP優先在正極端表面點火；ESP也始終在正極端點火；圖6(c)中，兩端電極與推進劑樣品接觸面積比SA/SB=0.16∶1，ESP從電流密度大的一端點火。

結果表明，相同電流密度條件下，ESP優先從正極端開始燃燒。當兩電極與推進劑接觸面積比SA/SB=0.64∶1時，雖然負極端ESP電流密度較高，但正極反應仍起主導作用。所以，ESP的點火優先發生在正極端；但當兩電極與推進劑接觸面積比SA/SB降低到0.16∶1時，負極端ESP電流密度遠大于正極端。此時，電流密度對ESP點火起主導作用，點火發生在電流密度較大的一端。

表3 不同材料電極條件下ESP的臨界點火電壓

所以，當采用直流電源控制電控固體推進劑點火過程中，燃面端電極應連接電源正極，且燃面端應具有較大的電流密度，能有效提高電控固體推進劑的點火性能。

2.5 重復點火特性

圖7(a)為ESP在75 V電壓條件下的點火過程，實現了點火，但存在燜燃現象；燃燒2 s后，切斷電源，推進劑主動熄火，如圖7(b)所示。圖7(c)為ESP在150 V電壓條件下的二次點火過程，實現了重復點火，火焰強度明顯高于第一次火焰強度，燃燒較劇烈。結果表明，電控固體推進劑在一定電壓條件下，能夠實現電點火，電壓越大，其點火性能越好；斷電后，能夠實現主動熄火，可通過控制電壓大小，實現對電控固體推進劑燃燒狀態的多次循環控制。

3 結論

(1)電極材料是影響電控固體推進劑點火過程的因素之一，在相同電流密度條件下，不同材料的電極點火優先順序依次為鈦、鋁、石墨、銅。

(2)通過推進劑表面的電流密度大小是影響電控固體推進劑的重要因素。當兩端電極材料相同時，ESP始終電流密度較大的一端點火。電流密度越大，點火效果越好，臨界點火電壓越低。

(3)當兩端電極的材料和形狀都不相同時，ESP的點火過程受兩者因素的共同影響。當通過ESP兩端面的電流密度相差不大時，電極材料對ESP的點火過程起主導作用。反之，當兩端電極材料點火順序相近時，電流密度對ESP的點火過程起主導作用。

(4)相同電流密度條件下，ESP優先從正極端開始燃燒。但當SA/SB降低到0.16∶1時，靠近負極端的ESP電流密度遠大于正極端ESP的電流密度。此時，電流密度對ESP的點火過程起主導作用，點火發生在燃面電流密度較大的一端。

(5)電控固體推進劑能夠在電壓控制下點火，斷電后，主動熄火，具備重復點火、熄火能力。電壓越大，推進劑點火性能越好。

[1] 張淑慧,胡波,孟雅桃. 推力可控固體火箭發動機應用及發展[J]. 固體火箭技術, 2002, 25(4): 12-15.

[2] Sawka W N, Katzakian A, Grix C. Solid state digital cluster thrusters for small satellites, using high performance electrically controlled extinguishable solid propellants[C]//19th Annual AIAA/USUSmall Satellite Conference, 2005.

[3] Kimberly Chung, Eugene Rozumov. Development of electrically controlled energetic materials for 120 mm tank igniters[C]//Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium , 2012.

[4] Andrew Nicholas, Sawka Wayne N. SpinSat mission overview[C]//27th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2013.

[5] James K Baird, Joshua R Lang, Andrew T Hiatt. Electrolytic combustion in the polyvinyl alcohol + hydroxylammonium nitrate solid propellant[R]. AIAA 2016-4908.

[6] Matthew S G, Joshua L R. Observation of late-time ablation in electric solid propellant pulsed microthrusters[R]. AIAA 2016-4845.

[7] Wayne N Sawka, Michael Mc Pherson. Electrical solid propellants: a safe micro to macro propulsion technology[R]. AIAA 2013-4168.

[8] Andrew T H, Robert A F. Laboratory experimentation and basic research investigating electric solid propellant electrolytic characteristics[R]. AIAA 2016-4935.

(編輯：崔賢彬)

Experimental investigation of electrically stimulated ignition characteristics of electric solid propellant

WANG Xin-qiang, DENG Kang-qing, LI Hong-xu, YU Xiao-bo, WANG Kun-peng,YANG Yu-wen, ZHU Wen-juan

(Hubei Institute of Aerospace Chemo-Technology, Xiangyang 441003, China)

Electric Solid Propellants (ESP)are capable of multiple ignitions, extinguishments and throttle control by the application of electrical power. When an ESP is fitted with electrodes and the required voltage are applied, the solid propellant was ignited and continues to burn until the voltage is removed, causing extinguishment. In this work, we developed an end-burner with layered electrodes to investigate the ignition characteristics of electric solid propellants at ambient pressure. Testing results indicated that electrode material, current density, electrode polarity are the mainly factors that influence the ignition characters of ESP. The ignition preferentially occurs on the active surface of metal electrode. The initial ignition of ESP was taken place on the surface with larger current density using the same electrode material. The flame becomes more observable as the applied voltage increases. The ESP is preferentially ignited at the anode when the contact area ratio of the two electrodes to the ESP grain is 1∶1 and 0.64∶1, but when the contact area ratio of two electrodes to ESP grain is 0.16∶1, ESP could be ignited on the surface with higher current density.

electric solid propellant；ignition；electrode；current density

2017-02-16；

2017-03-23。

王新強(1993—)，男，碩士生，研究方向為特種固體推進技術。E-mail:wxq_casc@163.com

鄧康清(1966—)，男，博士，研究員，研究方向為宇航推進理論與工程。E-mail:kdeng11@163.com

V438

A

1006-2793(2017)03-0313-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.03.008