HAN基無毒單元發動機常溫啟動技術研究

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(上海空間推進研究所，上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

目前，我國主要運載火箭的輔助動力系統均采用有毒肼類推進劑。肼類推進劑具有很強的毒性和致癌性，后處理困難，發生泄漏還可能對環境造成污染甚至損害周圍人員的身體健康。隨著社會的不斷進步和航天技術的不斷發展，人們對人員健康和環境保護的要求更為嚴格，采用無毒無污染的推進技術替代現有毒肼類推進技術正成為目前國內外航天推進系統的發展方向[1]。

與肼類推進劑相比，硝酸羥胺 (Hydroxyl Ammonium Nitrate, 簡稱HAN)基推進劑具有無毒無污染、高密度比沖的特點，有助于減小貯箱推進劑質量，減小推進系統體積，提高航天器的使用壽命[2]。此外，推進系統采用HAN基推進技術還可以提高其使用維護性，簡化加注流程，降低操作成本，縮短發射周期。

由于HAN基推進劑在相同條件下催化反應速率比肼類推進劑慢得多，因此目前世界各國研制的HAN發動機啟動工作前均需對發動機催化床進行預先加熱，該要求對在軌運行的衛星動力系統而言影響較小，但對于運載火箭、導彈武器甚至飛船返回艙等，通常要求發動機能夠常溫啟動，在一定程度上限制了HAN基發動機的應用。

相對于催化床預熱啟動，無毒HAN基發動機的常溫啟動具有明顯優勢，例如無需為HAN基發動機配備加熱系統，簡化了HAN基推進系統，減小系統質量；簡化發動機工作流程，減少發動機工作前的準備時間，提高了系統的可靠性；可原位替代現有毒類推進系統，應用于我國新一代載人運載火箭輔助動力系統實現“全箭無毒化”，應用于導彈武器姿控動力系統實現應急發射，應用于載人飛船增加有效載荷等。

1 國內外HAN基推進技術概況

美國自20世紀90年代就開始了HAN基推進技術的研究。2012年8月，NASA 啟動了綠色推進劑飛行演示任務，由Ball空間技術公司負責，主要演示AF-M315E推進劑和Aerojet公司研制的HAN基發動機，計劃2018年飛行，但目前沒有公開報道飛行情況[3-7]。發動機如圖 1所示，發動機預熱啟動溫度為315℃。

2017年，美國Busek公司報道了1U立方體衛星綠色推進系統的進展[8-10]。該項目也被稱為立方體衛星的先進單元技術應用(Advanced Monopropellant Application for CubeSats，AMAC)，其系統使用HAN基無毒單組元推進劑AF-M315E，目前已完成工程樣機研制。該系統濕重1.5kg，能提供0.1N～0.5N的可變推力以及565N·s的總沖，換算下來可為3U/4kg的立方體衛星提供146m/s的速度增量，系統需求的功率為20W。AMAC系統已經完成系統集成并成功完成了系統級的熱點火測試，目前已成飛行產品。0.5N發動機是AMAC項目的關鍵單機，發動機采用催化點火方式進行工作。BUSEK公司為了解決傳統顆粒催化劑磨損的問題，發動機催化床采用了整裝式催化劑的設計。該設計首先在0.5N發動機上進行了驗證，并形成了系列化，推力包括0.1N、0.5N、5N和22N，如圖2所示。

圖1 Aerojet公司研制的HAN基單元發動機Fig.1 HAN-based green monopropellant thruster of the Aerojet company

圖2 Busek公司研制的無毒單元發動機系列Fig.2 HAN-based green monopropellant thruster of the Busek company

Kappenstein研究小組報道了一種將Pt負載在Si改性氧化鋁載體上的催化劑[9]，由于Si-Al2O3載體酸性表面對降低催化分解溫度具有促進作用，該催化劑可以將79%HAN水溶液的催化預熱溫度從115℃降到40℃，其中10%Pt/Si-Al2O3催化劑在40℃預熱溫度下，連續完成79%HAN水溶液15次穩定啟動。

在BMDO/NASA、空軍SBIR計劃的支持下，美國開展了AMCAT(advanced monolithic catalyst)研究計劃，催化劑為鉑組金屬及其氧化物，11種催化劑啟動溫度低于60℃，2種催化劑在室溫可以啟動，但使用的催化劑和推進劑配方未見報道。

近年來，俄羅斯也開始著手HAN基無毒推進技術的研究。2017年，俄羅斯的法克爾實驗設計局(Experimental Design Bureau Fakel)對HAN基發動機進行了研制[10-11]，該發動機主要包括一個帶特殊保護涂層的高溫合金燃燒室，其中有加熱器、催化床、噴注器、熱控系統、安裝板等。設計的樣機是可拆解的，便于分解與優化設計。地面試驗進行了100個連續脈沖點火試驗，單脈沖重復性很好。

國內對HAN基推進技術也進行了研究，上海空間推進研究所牽頭聯合多家科研單位進行新型無毒單組元推進劑及發動機工程應用的可行性研究工作。通過前期的研究工作，在無毒空間單元發動機技術研究方面獲得了較大的成果，發動機與推進劑、催化劑的匹配性得到進一步提升，發動機壽命也顯著增加，目前研制的推力品種包括1N、5N、25N、60N、150N、250N和400N。本文針對無毒單元5N和60N發動機，介紹了發動機常溫啟動技術、試驗結果分析及后續工作等。

2 發動機推進劑催化劑簡介

2.1 發動機簡介

HAN基無毒單元5N和60N發動機實物圖如3所示，發動機由閥門、噴注器、催化床和噴管等組成。其中噴注器包括帶法蘭的集合器、支架、噴注管和噴注板，催化床包括圓筒、隔板、擋板和催化劑等。

圖3 無毒單元發動機結構圖Fig.3 Structure of green monopropellant thruster

2.2 推進劑簡介

HAN基推進劑主要由硝酸羥胺HAN(分子式為NH3OHNO3)、相容的燃料、添加劑和適量的水組成，是一種新型綠色單組元推進劑，由于具有密度大、能量高、冰點低、穩定性好等優點而成為肼類單組元推進劑的優良替代品種。

2.3 催化劑簡介

HAN基催化劑主要包括高活性催化劑和耐高溫催化劑。高活性催化劑基體主要采用改性氧化鋁，耐高溫催化劑主要采用硅鋁粉體燒結法制備莫來石陶瓷載體催化劑。HAN基發動機前床的催化劑以催化分解為主，而后床以燃燒為主，所以前床溫度較低，后床溫度較高。為了保證推進劑在前床快速分解，前床催化劑需要較高活性，而后床燃燒溫度較高，需要裝填耐高溫催化劑。

3 發動機常溫啟動試車結果及分析

本次進了3臺5N、2臺60N和1臺150N共6臺發動機試車，發動機試車編號分別為S18-01、S18-02、S18-03、S18-04、S18-05和S18-06。發動機試車原理如圖4所示，發動機試車數據如表1所示。

圖4 HAN基無毒發動機試車系統原理圖Fig.4 Schematic diagram of HAN-based green monopropellant thruster test system

試車編號推力/N額定室壓/MPa床載荷/(g/cm2)毛細管數量啟動溫度啟動程序長穩態壽命/sS18-0150.92.5425℃(0.1s/1s)×10400S18-0250.92.54120℃(0.1s/1s)×10768(推進劑耗光)S18-0350.92.5425℃(0.04s/2s)×101200S18-04600.92.230120℃(0.2s/2s)×101200S18-05600.92.23025℃-168S18-061501.12.23525℃-500

S18-01次試車情況：在室溫條件下，發動機進行了10個0.1s/1s的脈沖啟動，前床溫度約為120℃，中床溫度約為140℃，后床溫度約為80℃，隨后發動機進行了10s穩態工作和長穩態工作，400s時室壓明顯下降，發動機關機，發動機啟動特性及長穩態曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，在室溫條件下，發動機前5個脈沖無室壓，催化床溫度緩慢增加，表明推進劑在催化床內發生了緩慢的催化分解反應；發動機從第6個脈沖開始建壓，表明推進劑在催化床內發生了較劇烈的催化燃燒反應。發動機長穩態工作了400s后性能快速下降，說明發動機的工作壽命較低。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 脈沖啟動催化床溫度

(c) 長穩態室壓圖5 5N發動機常溫脈沖啟動及長穩態特性曲線Fig.5 Pulse and long steady state curves of 5N green monopropellant thruster under normal temperature

S18-02次試車情況：在120℃條件下，發動機進行了10個0.1s/1s的脈沖啟動，前床溫度約為300℃，中床溫度約為400℃，后床溫度約為230℃，隨后發動機進行了10s穩態工作和長穩態工作，768s時推進劑耗完，發動機關機，發動機啟動特性及長穩態曲線如圖6所示。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 脈沖啟動催化床溫度

(c) 長穩態室壓圖6 5N發動機120℃脈沖啟動及長穩態特性曲線Fig.6 Pulse and long steady state curves of 5N green monopropellant thruster at 120℃

從圖6可以看出，在120℃條件下，發動機第1個脈沖開始建壓，催化床溫度迅速上升，表明推進劑在催化床內發生了較劇烈的催化燃燒反應，且脈沖的一致性良好，表明發動機能夠快速脈沖啟動。發動機連續工作768s后推進劑耗完，且發動機性能無下降趨勢，表明發動機長穩態壽命較長。

與S18-01次試車對比表明：在120℃條件下，發動機第1個脈沖開始建壓，常溫條件下，發動機第6個脈開始建壓，說明發動機120℃脈沖啟動性能明顯高于常溫啟動性能，120℃時推進劑的催化反應活性遠高于常溫時推進劑的催化反應活性；發動機120℃條件下啟動，長穩態壽命比常溫脈沖啟動時長1倍以上，說明常溫脈沖啟動對發動機的壽命影響較大。

S18-03次試車情況：在室溫條件下，發動機進行了10個0.04s/2s的脈沖啟動，前床溫度約為170℃，中床溫度約為120℃，后床溫度約為80℃。隨后發動機進行了10s穩態工作和長穩態工作和脈沖程序，發動機性能良好。發動機啟動特性及長穩態曲線如圖7所示。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 脈沖啟動催化床溫度

(c) 長穩態室壓圖7 5N發動機常溫脈沖啟動及長穩態特性曲線Fig.7 Pulse and long steady state curves of 5N green monopropellant thruster under normal temperature

從圖7可以看出，在室溫條件下，發動機前2個脈沖無室壓，催化床溫度緩慢增加，表明推進劑在催化床內發生了緩慢的催化分解反應；發動機第3個脈沖開始建壓，表明推進劑在催化床內發生了較劇烈的催化燃燒反應。發動機長穩態工作了1200s，且發動機性能無下降趨勢，表明發動機長穩態壽命較長。

與S18-01次試車對比表明：發動機常溫脈沖啟動時，S18-03試車第3個脈沖開始建壓，而S18-01試車第6個脈沖開始建壓，說明脈沖工作時間和脈沖間隔時間直接影響著發動機啟動快慢，脈沖工作時間較短，間隔時間較大時，推進劑催化分解環境更好，發動機啟動較快。對比催化床溫度可以看出：S18-03次試車比S18-01次試車催化床溫度更高，但總的脈沖時間更短，消耗推進劑更少，說明短脈沖工作時間長脈沖間隔推進劑催化分解效率更高。對比兩次試車長穩態工作可以看出：S18-03次試車發動機壽命更長，且性能無下降趨勢，說明短脈沖工作時間、長脈沖間隔有利于提高發動機的長穩態壽命。

S18-04次試車情況：在120℃條件下，發動機進行了10個0.2s/2s的脈沖啟動，隨后發動機進行了10s穩態工作和1200s長穩態工作，發動機性能良好，發動機啟動特性及1200s長穩態曲線如圖8所示。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 長穩態室壓圖8 60N發動機120℃脈沖啟動及長穩態特性曲線Fig.8 Pulse and long steady state curves of 60N green monopropellant thruster at 120℃

從圖8可以看出，在120℃條件下，發動機第1個脈沖開始建壓，催化床溫度快速上升，隨著催化床溫度的上升，脈沖室壓逐漸上升，第6個脈沖已接近額定室壓。發動機長穩態工作了1200s，室壓稍有下降，表明發動機長穩態壽命較長。

與S18-02次試車對比表明：S18-02次試車脈沖啟動時脈沖一致性很好，室壓接近額定室壓，S18-04次試車脈沖啟動時前兩個脈沖室壓較低，之后緩慢升高，說明60N發動機啟動性能相對5N發動機較差。

S18-05次試車情況：在常溫條件下，發動機進行了脈沖啟動，脈沖分別為10個0.02/4s、10個0.02/3s、10個0.02/2s、10個0.04/2s和10個0.08/2s，隨后發動機進行了10s穩態工作和1200s長穩態工作，發動機長穩態工作160s后性能大幅下降，發動機關機。發動機啟動特性及長穩態曲線如圖9所示。

從圖9可以看出，在常溫條件下，發動機前3組脈沖無室壓，催化床溫度緩慢增加，表明推進劑在催化床內發生了緩慢的催化分解反應；發動機從第4組脈沖開始建壓，表明推進劑在催化床內發生了較劇烈的催化燃燒反應。發動機長穩態工作了160s后性能快速下降，說明發動機的工作壽命較低。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 脈沖啟動催化床溫度

(c) 長穩態室壓圖9 60N發動機常溫脈沖啟動及長穩態特性曲線Fig.9 Pulse and long steady state curves of 60N green monopropellant thruster under normal temperature

與S18-02次試車對比表明：在120℃條件下，發動機第1個脈沖開始建壓，常溫條件下，發動機第4組開始建壓，說明發動機120℃脈沖啟動性能明顯高于常溫啟動性能，120℃時推進劑的催化反應活性遠高于常溫時推進劑的催化反應活性；發動機常溫條件下啟動，長穩態壽命僅有160s，說明常溫脈沖啟動對發動機的壽命影響較大。

S18-06次試車情況：在常溫條件下，發動機進行了脈沖啟動，脈沖分別為10個0.02/5s、10個0.02/4s、10個0.02/3s、10個0.04/3s和10個0.08/3s，隨后發動機進行了10s穩態工作和長穩態工作，長穩態工作室壓平穩，無下降趨勢，表明發動機長穩態壽命較長。發動機啟動特性及長穩態曲線如圖10所示。

(a) 脈沖啟動室壓

(b) 脈沖啟動催化床溫度

(c) 長穩態室壓圖10 150N發動機常溫脈沖啟動及長穩態特性曲線Fig.10 Pulse and long steady state curves of 150N green monopropellant thruster under normal temperature

從圖10可以看出，在常溫條件下，發動機前4組脈沖基本無室壓，催化床溫度緩慢增加，表明推進劑在催化床內發生了緩慢的催化分解反應；發動機從第5組脈沖開始建壓，表明推進劑在催化床內發生了較劇烈的催化燃燒反應。發動機長穩態工作了500s，性能無下降趨勢，說明發動機的工作壽命較長。

與S18-03次和S18-05次試車對比表明：常溫條件下，5N發動機第3個脈沖開始建壓，60N發動機第4組脈沖開始建壓，150N發動機第4組脈沖開始建壓，說明發動機推力越大，發動機的常溫啟動越緩慢。

4 結論與展望

通過對3臺5N發動機、2臺60N發動機和1臺150N發動機的對比試驗，對發動機常溫啟動有了更清晰的認識：

1)發動機120℃條件下脈沖啟動時，啟動性能明顯高于常溫啟動，說明120℃時推進劑的催化反應活性遠高于常溫時，相對于120℃啟動，常溫啟動會縮短發動機的長穩態工作壽命；

2)脈沖工作時間和脈沖間隔時間直接影響著推進劑的催化反應活性，脈沖工作時間較短，間隔時間較長時，推進劑催化分解活性和催化分解效率更高，發動機啟動更快，長穩態工作壽命更長；

3)發動機隨推力增大，發動機啟動變慢，長穩態壽命變短。

近年來，HAN基無毒單元發動機技術取得了較大的突破，實現了較小推力發動機的常溫啟動技術和長穩態工作，后續擬開展常溫啟動發動機的長壽命技術研究和大推力發動機的常溫啟動技術研究，以達到現役肼類發動機的性能指標，實現姿軌控動力系統發動機的更新換代。