HAN基綠色推進劑點火技術研究進展

王新強，鄧康清，李洪旭，余小波

（湖北航天化學技術研究所，湖北襄陽，441003）

HAN基綠色推進劑點火技術研究進展

王新強，鄧康清，李洪旭，余小波

（湖北航天化學技術研究所，湖北襄陽，441003）

針對HAN基綠色推進劑普遍存在點火困難的問題，總結了國內外HAN基綠色推進劑點火技術的研究和應用情況。HAN基液體推進劑的點火方式主要包括催化分解點火、電火花點火、無弧點火、電解點火和激光點火。HAN基凝膠推進劑仍采用傳統煙火藥方式，難以實現點火。HAN基固體推進劑采用電極電解點火方式，在電壓的控制下實現了點火、燃燒和熄火可控。分析認為，采用電解方式能夠顯著提高HAN推進劑的點火效率，是HAN基推進劑點火技術的發展方向。

硝酸羥胺；催化點火；電點火；電解點火

0 引言

硝酸羥胺（hydroxy lammonium nitrate，HAN）一般以水溶液形式存在。HAN基推進劑由于其具有綠色無毒，能量水平高等特征，目前被作為綠色推進劑的首要選擇。傳統的HAN基推進劑主要是HAN基液體推進劑[1-2]。但近年來，國內外學者陸續探索研制了HAN基凝膠推進劑和HAN基固體推進劑，擴展了HAN基推進劑的應用范圍。但HAN基推進劑仍然存在點火和燃燒困難的技術問題，限制了HAN基發動機的廣泛應用[3]。本文具體介紹了HAN基液體推進劑、HAN基凝膠推進劑和HAN基固體推進劑的點火技術，指出了電解點火是HAN基推進劑點火方式的發展方向。

1 HAN基液體推進劑點火技術

HAN基液體推進劑主要由氧化劑HAN、其他燃料和水復配形成的氧燃共存體系，是一種新型離子液體推進劑，具有蒸汽無毒、冰點低、密度高、比沖高等特點。典型的HAN基液體推進劑主要有：以 TEAN為燃料的 LP1845和LP1846，以HEHN為燃料的AF-315系列單元推進劑。

采用傳統的煙火藥點火方式無法實現HAN基液體單元推進劑的可靠點火。Comer采用密閉爆發器研究了HAN基液體推進劑在0.1～100 MPa壓力下的點火以及燃燒特性[4]。研究發現：在低壓下，HAN基液體推進劑只能進行分解燃燒，不能形成可見的火焰；當環境壓力超過26 MPa之后，液體推進劑燃燒時會發出明亮的火焰。

目前，關于HAN基液體推進劑點火方式的研究主要集中于催化分解點火、電點火和激光點火，而電點火主要包括電火花點火、無弧點火和直流電解點火。

1.1 催化分解點火

HAN基液體推進劑最初主要采用催化分解點火方式，HAN基液體推進劑的催化分解與肼類單組元推進劑有本質的區別。肼類推進劑的催化分解是肼在催化劑的作用下發生化學鍵的斷裂，分解成小分子的N2，H2和NH3的過程，催化劑床溫度較低。而HAN基液體推進劑首先是HAN在催化劑的作用下催化分解成氧化性組分放出熱量，同時，氧化性組分又與燃料進一步發生二次分解燃燒，提高了推進劑的能量，催化床溫度高達1 200℃以上。

最早用于HAN基液體推進劑催化點火的催化劑主要是銥、鉑貴金屬催化劑，但是，點火前需要將催化床預熱至200℃，較低溫度下的點火延遲期長，甚至無法實現點火。推進劑在催化床上積存較多，限制了發動機的啟動性能。Schmidt以氧化鋁為載體的鉑族貴金屬催化劑，通過改變不同催化劑配比，催化劑點火溫度最低為113℃；Pt/Ta合金片催化劑點火預熱溫度為250℃[5]。催化劑點火啟動溫度過高，無法實現室溫或低溫條件下的催化點火。實現HAN基液體推進劑催化分解點火的關鍵是必須找到一種能在室溫條件下催化HAN分解的高活性催化劑。

任曉光制備了以SiO2為載體的負載型貴金屬催化劑[6]。用熱重法考察了催化劑對80%HAN液體推進劑的分解活性。結果表明，Ir/SiO2催化劑能夠在20.7℃實現催化分解，驗證了HAN基液體推進劑實現室溫條件下催化點火的可能性。

近年來，在美國空軍的主導下，Fokema等研制了一系列高性能的熱穩定催化劑和非貴金屬催化劑[7]，與傳統銥、鉑貴金屬催化劑相比具有更低的點火溫度。

預熱溫度過高是限制HAN基推進劑催化點火的主要瓶頸之一，因此，降低反應溫度，提高催化劑活性，是HAN基推進劑催化點火的研究方向。2007年，Aerojet公司和雷聲公司在兩級空射武器系統NCADE上采用AF-315E推進劑，通過催化點火方式進行了飛行驗證試驗，可提供680 N的推力。

1.2 電點火點火方式

由于HAN基液體推進劑燃燒溫度高，采用傳統的催化分解點火方式，易于破壞催化床，會嚴重縮短發動機的壽命。Yetter等提出了HAN基液體推進劑電點火方式[8]。關于HAN基液體推進劑電點火技術的研究主要有電火花點火、無弧點火和低壓電解點火。電點火比催化分解點火耗能少，延遲時間短，適合于微小型推進器使用。

1）電火花點火方式

Despirito采用高壓脈沖放電方式，研究了微量HAN基液體推進劑的電點火特性[9]。余永剛設計了一種周期性序列脈沖放電火花的模擬點火裝置，研究了HAN基液體推進劑LP1846液霧在不同條件下電點火特性[10]。結果表明，電火花在圓周放電空間的分布越密集，電能時空分布越均勻，LP1846液霧點火效果越好。噴霧場流速、液霧細度與周向放電火花能量分布存在一個最佳匹配關系。

2）無弧點火方式

針對HAN基液體推進劑具有較高電導率的特性，Despirito提出了利用加載電壓下電流的熱效應點燃推進劑，并給出了點火裝置的優化方案，指出無弧點火方式可以減小點火能量，提高點火裝置的重復利用率[11]。

余永剛等針對HAN基液體推進劑LP1846設計了一種電加熱點火試驗裝置，研究低壓（6～140 V）不同電加熱速率條件下，LP1846單滴無弧點火燃燒特性，分析了點火延遲時間和點火能量的定性關系，證明了無弧點火的可能性[12]。研究發現，單脈沖點火時放電能量很大，在液體推進劑霧化效果較好的情況下，容易出現爆燃現象。如果點火能量不足，同樣會使點火狀況受到影響。電壓加載速率從80 V·s-1增大到140 V·s-1過程中，液滴點火延遲時間從0.82 s變為0.62 s，呈線性減小關系，且燃燒時火焰越明亮。

劉焜等研究了 HAN基單元液體推進劑LP1846單滴無弧電點火的機理，基于兩步不可逆化學反應機理，同時考慮物性參數隨溫度的變化關系，結合相關實驗，對HAN基液體推進劑LP1846液滴在大氣環境下的無弧電點火過程進行了數值模擬[13]。結果表明：根據化學反應速率和溫度分布變化，將最大加載電壓80 V的無弧點電火過程分為預熱、熱分解及燃燒三個特征階段。預熱階段，液滴保持球形，中心溫度緩慢上升；熱分解階段，反應在液滴中心產生向外發展，液滴膨脹變大，內部出現傘形溫度梯度分布；燃燒階段，火焰在液滴內部生成，LP1846劇烈燃燒生成大量產物，流場溫度先升后降。液滴著火延遲期隨著最大加載電壓的增大而減小，模擬結果與實驗數據變化趨勢一致，最大誤差為2.9%。

3）電解點火方式

采用電火花點火方式，存在能量損耗大、重復性差等缺點。考慮到化學微小型推進器的特點，G.A.Risha等提出了一種直流低壓（2～30 V）電解點火方式，并對懸掛的HAN基液滴進行了電解點火試驗[14]。電解點火比催化床點火耗電少，延遲時間短，適合于微小型推進器使用。

Hua Meng等研究了HAN基推進劑電解點火性能，研究了電流、電壓及初溫與HAN基推進劑點火延遲時間之間的關系[15]，研究發現，隨著電流、電壓和初溫的增加，點火延遲時間減小。

Kai SengKoh等運用直流電壓分別以銅絲、鋁和石墨作為電極研究了HAN溶液的電解點火特性[16]，研究發現，這種犧牲電極的電解點火方式非常有效，在300 W能量條件下，以銅絲為電極有效縮短了HAN水溶液的分解過程，在10 s內溶液達到100℃；以鋁片為電極HAN水溶液組分達到了320℃；但是以石墨為電極其分解緩慢，效率低。電解能量在100～300 W之間，其電解分解效率最高。

1.3 激光點火

近年來，在HAN基液體推進劑的激光點火方面也有學者進行了研究。Alfano等使用激光諧振的方式快速加熱推進劑來點火，其在點火方式上具有一定的優勢，但并不適用與小型推進器，目前仍處于試驗研究階段[17]。

Carleton等研究了HAN基推進劑的激光點火[18]。在鉑網上加入一滴液體推進劑，通過激光在液滴的不同位置聚焦點火，試驗前采用諸如電解、電熱等方式對液滴進行不同程度的預處理，對生成的氣體進行在線分析以便監測分解程度。結果表明硝酸再分解在反應過程中的作用非常重要，這與目前公認的機理一致。

2 HAN基凝膠推進劑點火技術

HAN水溶液具有良好的物理化學特性，且分解產生的氣體潔凈，為安全氣囊高效率氣體發生劑的研制提供了嶄新的思路。HAN須以水溶液形態才能穩定存在，這給氣體發生器的裝藥帶來了困難。Michael把HAN水溶液凝膠化制得一種HAN基水凝膠氣體發生劑應用于安全氣囊中[19]。HAN基凝膠推進劑的點火方式主要還是傳統的煙火藥點火方式。

馬忠亮等以HAN為主氧化劑，AN為輔助氧化劑，PVA為凝膠劑，在水介質中通過“冷凍-解凍-冷凍”工藝制備HAN基凝膠發射藥[20]。在密閉燃燒器通過煙火藥點火方式對該推進劑進行了點火試驗，試驗結果表明：HAN凝膠發射藥點火延遲時間長，點火困難。采用單基發射藥薄片包裹凝膠有利于點火。

曲艷斌制備了HAN/PVA凝膠推進劑，研究了不同含水量HAN凝膠體的燃燒性能[21]，此HAN凝膠體仍具有較高的能量及較少的燃燒時間，并且產氣量較大，但此種凝膠體點火較難。此種凝膠體隨著含水量的增加，能量及燃燒速度有所降低，因此可以通過調節含水量來調節其能量水平。

3 HAN基固體推進劑點火技術

Katzakian等研制了一種燃燒可控的HAN基固體推進劑[22]，這種推進劑與傳統固體推進劑不同，它具有較好的導電性能，能夠通過電壓控制推進劑的燃燒狀態。在電極兩端加載一定電壓，推進劑能夠實現點火，燃燒過程中通過改變電壓大小能夠調節推進劑的燃速，斷電推進劑能夠自動熄火。對直徑6.350 mm的HAN基固體推進劑微型推進器進行了直流電解點火測試，點火電壓為直流300 V，電極為金屬惰性電極。結果表明這種HAN基固體推進劑可以通過直流電壓引燃，燃速可以通過電壓調控，當切斷電壓時，推進劑立即熄火。

4 結束語

HAN基綠色推進劑普遍存在難以點火的問題，由于HAN基液體推進劑燃燒溫度高，采用催化分解點火方式，易于破壞催化床，嚴重縮短了發動機壽命，同時，催化分解的預熱溫度過高也限制了其在發動機中的應用。采用電火花點火方式，存在著能量損耗大、重復性差的缺點。分析認為，直流電解點火方式能在較低電壓條件下實現點火，耗能少，在HAN基液體推進劑和HAN基固體推進劑中的點火試驗中都驗證了其點火的可靠性，是HAN基推進劑點火技術的發展方向。

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(編輯：王建喜)

Research progress on ignition of HAN-based green propellant

WANG Xinqiang,DENG Kangqing,LI Hongxu,YU Xiaobo
（Hubei Institute of Aerospace Chemo-technology,Xiangyang 441003,China）

The recent research and application of the ignition technology of HAN-based green propellants at home and abroad is reviewed to solve the difficulty commonly existing in ignition of HAN-based green propellants.Several ignition methods of the HAN-based liquid propellants includes catalytic decomposition ignition method,electric spark ignition method,electrolytic ignition method and laser ignition method.The HAN-based jel propellant still uses conventional ignition methods, which is difficult to achieve ignition.The electrolytic ignition method can achieve ignition,combustion and flameout control ofa novel HAN-based solid propellant under the condition of voltage control.The analysis results indicate that the electrolytic ignition method can improve the ignition effectiveness of HAN-based propellant obviously,and is the development direction ofHAN-based propellants.

HAN;catalytic ignition;electrical ignition;electrolytic ignition

V434-34

A

1672-9374(2017)02-0072-05

2016-10-10；

2016-10-31

王新強（1993—），男，碩士研究生，研究領域為特種推進劑火箭發動機技術