氧化亞氮基氧燃一體化推進劑及推進系統研究進展

韓 偉，王永忠，單世群，杜宗罡，朱成財，于忻立

(西安航天動力試驗技術研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

液體動力技術尤其是液體軌姿控及上面級動力技術迫切需要在3個方面有所變革：①迫切需要進一步提高比沖性能及變推力性能，滿足空射小運載、武器機動變軌、衛星及深空探測系統的需求；②采用綠色推進劑，滿足無毒化和維護便捷性的需求，徹底解決當前軌姿控動力系統使用維護難、成本高的問題；③提高環境溫度適用性和地面存儲性能，滿足臨近空間以及深空探測、月球轉移軌道等多種軌道飛行任務。氧化亞氮基氧燃一體化推進劑(Nitrous Oxide Fuel Blends，NOFBX)可以滿足上述三方面的變革需求，是現有肼類推進劑的完美替代[1-8]。

氧燃一體化推進劑是指將氧化劑與燃料按照一定指標需求，利用一種燃料(或氧化劑)對另外一種氧化劑(或燃料)具有溶解性的特點，有時輔之以一定助劑將多種物質復合為一體的推進劑，具有系統簡單的特點。但目前單推-3(DT-3)、硝酸羥胺(HAN)基、二硝酰胺銨(ADN)基等單組元氧燃一體化推進劑均存在比沖低、需要催化點火等缺點。NOFBX是根據氧化亞氮對有機物具有較強溶解性，將氧化劑與燃料復合在一起，成為一種氧燃一體化推進劑，具有高比沖、低冰點、無需催化點火，動力系統簡單、可實現推力深度調節等諸多優點，被美國譽為“可改變未來游戲規則”的新型高性能液體推進劑。該推進劑及其動力系統研究發展迅速，已經成功完成初步熱試車點火試驗，未來極有可能代替肼類推進劑，給航天動力技術帶來全新的理念和顛覆性的影響[9-15]。

近四年來，歐洲的荷蘭國家應用科學研究院(Netherlands Orgersation for Applied Scientific Research，TNO)等與英國研究機構Nammo技術公司合作研究了一種新型的氧化亞氮基氧燃一體化推進劑并進行了熱試車。德國宇航中心(DLR)在推力室點火和防回火等關鍵性技術方面取得了長足的進步。我國科研人員在NOFBX推進劑火焰傳播規律、NOFBX推進劑直接起爆特性、自增壓特性、燃燒反應動力學方面也取得了重要進展。

本文旨在介紹各國在NOFBX推進技術方面的最新研究進展，為科研人員在NOFBX推進劑及動力系統預先研究方面提供參考和思路，避免我國在這一領域與國外形成新的技術差距。

1 美國研究進展

美國Firestar公司從2003年起就對NOFBX推進劑及推進系統開始研發，先后經歷了推進劑研制、發動機初步設計與試驗、推進劑安全性評價、發動機防回火設計、不同推力量級發動機研制、推進系統演示驗證等階段，公開報道其技術成熟度已經達到了6～7級[16-17]。

2015年11月，美國國防高級研究計劃局(DARPA)已對裝備NOFBX37的推進系統進行了4次小規模靜態測試，均出現推進劑爆炸等異常現象[18-21]。結果表明，需要進一步對發動機改進設計，尤其是防回火設計方面需要進一步優化，重新評估并提高氧化劑與燃料一體化后的安全性，同時應增加熱試驗次數以充分暴露目前存在的問題和安全隱患，從而進一步提高NOFBX動力系統的可靠性。為此，DARPA于2015年11月叫停“機載發射輔助空間進入”(ALASA)項目運載火箭技術樣機的研制，并重新致力于此類氧燃一體化推進劑安全性試驗，同時進一步加強了防回火設計與驗證。在2016年和2018年，Firestar公司和Boeing公司發表了關于電點火特性和防回火設計的文章和專利[22-23]，并未表明在安全方面有特別的進展；相對于其他國家，美國在氧化亞氮基燃料一體化推進劑及推進系統研究和應用方面仍處于世界領先地位，雖然其中推進劑中燃料選擇了危險性最高的乙炔不值得借鑒，但推進系統防回火設計仍然值得思考和學習。

2 荷蘭及英國研究進展

在歐洲氧化亞氮燃料一體化推進劑發展計劃支持下，TNO、Bradford Engineering公司與Nammo技術公司聯合對氧化亞氮燃料一體化推進劑進行了研究。首先通過多個維度的篩選，優化出綜合性能優異的燃料，制備了氧化亞氮燃料一體化推進劑，設計推力裝置并進行了相應的試車驗證[24-27]。

2.1 燃料選擇

研究者采用NASA的CEA軟件，先作計算基準假設：①平衡流；②室壓1.0 MPa；③推進劑溫度273 K；④噴管面積比60∶1。

從10個方面對候選的10種燃料(乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔、丁烷、氨、甲醇、乙醇)提出了以下要求：

1)燃料的急性毒性應屬于毒性危害III類或更高；

2)該燃料不應具有致癌、致突變和/或再氧化危險等級；

3)空氣中燃料的自燃溫度大于400 K；

4)燃料與氧化氬氮混合后推進劑溫度應在273 K和臨界溫度之間；

5)燃料在低于7.2 MPa的壓力下爆炸分解溫度不得低于309 K；

6)預混合推進劑在跌落錘試驗下的沖擊敏感性應小于1 J；

7)預混合推進劑的年分解率應小于0.2 %；

8)預混合推進劑的比沖應大于240 s；

9)預混合推進劑的體積比沖應大于249 000(kg·s)/m3；

10)在273 K和混合物的臨界溫度之間，預混合推進劑的蒸氣壓應大于1.5 MPa。

從8個方面對選擇的燃料進行了評分：①比沖；②飽和液體密度；③盡可能小的蒸氣壓力；④在沸點時氣相組成；⑤不滿足需求的風險；⑥最小點火能量；⑦自燃溫度；⑧燃燒溫度。

結果乙醇的評分最高，其次是甲醇、氨、丙烷、丙烯等。氧化亞氮與乙醇按照理論混合比下的推進劑物性如表1所示。

表1 氧化亞氮與乙醇混合物理論性質Tab.1 Theoretical properties of the mixture of nitrous oxide and ethanol

2.2 推進劑點火試驗

點火試驗選用氧化亞氮乙醇一體化推進劑，采用英國AEL公司(Airborne Engineering Limited)600 N銅熱沉推力室，氣氧氣氫火炬點火，噴注器為蓮蓬頭結構形式。點火試驗在AEL公司位于Westcott的試驗區進行。首先進行了冷調試驗，流量、溫度、壓力等參數正常。點火系統及預調試驗如圖1所示。

圖1 點火系統及預調試驗Fig.1 Ignition system and pre-adjustment test

在整個試驗工況下，未發現回火現象。穩定工況點火試驗圖及室壓曲線如圖2所示。

圖2 點火試驗及室壓曲線Fig.2 Ignition test and chamber pressure curve

表2為點火期間在1.88 s和2.83 s時推進劑流量、室壓與計算得到的燃燒效率。

表2 點火試驗參數Tab.2 Ignition test parameters

在最后的試驗過程中，觀察到發動機頭部出現金屬火星。結束試驗后，分解發動機，檢查噴注器，發現噴注器頭部有燒蝕融化現象。分析認為出現此種現象的原因主要是傳熱冷卻設計不夠合理，造成燒蝕現象。燒蝕時試驗現象及燒蝕的噴注器如圖3所示。

從荷蘭的研究可以看出，其燃料選擇從源頭上避免了回火現象的發生，給動力系統防回火設計減輕了壓力；但由于氧化亞氮體系的飽和蒸氣壓不夠高，需要另外設計增壓系統，以確保系統的壓降滿足需求。

圖3 點火燒蝕現象Fig.3 Ignition ablation

3 德國研究進展

DLR研究人員在2014—2015年期間，采用氧化亞氮乙烯一體化推進劑，發現推力室點火時，受某些因素影響會發生回火現象[28]。因此，研究設置合適防回火結構，杜絕回火現象發生，成為DLR技術人員首要解決的問題。由于多孔材料及某些細管結構對防回火具有一定作用[29-31]，從2016年開始，DLR重點對防回火材料及結構進行了研究[32-37]。

3.1 多孔材料用于防回火結構

2016年，DLR的Werling研究團隊對噴注器采用多孔材料進行了防回火研究。試驗采用火花塞點火，燃燒室分為兩部分，一部分為點燃室，另一部分為防回火室，如圖4所示。點燃室配有石英視窗，以觀察不同測試條件下的火焰傳播行為。火焰傳播行為采用高速攝影來記錄。

圖4 采用多孔材料的點火試驗裝置Fig.4 Ignition test device using porous materials

防回火材料共采用了兩種類型的金屬粉末制備：SIKA-R不銹鋼粉末燒結材料和SIKA-B銅粉末燒結材料(見圖5)。兩種材料做成的防回火材料結構參數如表3所示。

圖5 不銹鋼和銅防回火材料Fig.5 Fire-proof materials of stainless steel and copper

表3 不同防回火材料參數

研究表明：兩種燒結材料不同厚度和孔徑對防回火過程均有影響：

1)多孔材料的淬熄火焰能力依賴于多孔材料的厚度，材料越厚，淬熄能力越強。對于7 mm厚多孔材料SIKA R200，臨界淬熄佩科萊數高于40，對于10.5 mm厚多孔材料SIKA R200，臨界淬熄佩科萊數高于80。

2)孔徑越小，淬熄火焰能力越強。相同的孔徑下，SIKA-B材料壓降小于SIKA-R材料。相同孔徑下，SIKA-B銅粉末燒結材料的淬熄能力弱于SIKA-R不銹鋼粉末燒結材料。分析認為出現這種情況的原因在于銅基材料具有催化活性[38]。

3.2 毛細管用于防回火結構

2018年，DLR研究人員采用毛細管防回火結構，研究了毛細管不同長度和孔徑對火焰傳播速度和火焰淬滅的影響。試驗共進行了132次。點火裝置如圖6所示，預混好的氧化亞氮乙烯推進劑從右邊進入，穿過毛細管后在左邊的點燃室被點燃。在整個測試過程中，點火和火焰傳播過程采用高速攝影來記錄。點燃室和防回火室內徑均為25 mm，長度91 mm。點火室和防回火室通過多根毛細管相連。毛細管作為阻火器，毛細管內徑從0.1 mm到0.5 mm多種規格，每種規格進行切換，長度21 mm，毛細管裝置如圖7所示。

圖6 采用毛細管的點火試驗裝置Fig.6 Ignition test device with capillary tube

圖7 配備毛細管的裝置Fig.7 Fittings with a selection of tested capillaries

通過火焰傳播速度可得到以下結論：

1)從火花塞到毛細管前的固定位置，不同點火壓力下火焰傳播速度不同。壓力越大，火焰傳播速度越大，壓力上升和速度上升呈線性關系。

2)在一個試驗過程中，火焰傳播速度可分為以下部分：①在電火花塞周圍，球形層流火焰開始加速；② 當火焰到達壁面時，在軸向方向，指狀火焰進一步加速；③ 在毛細管前方區域，火焰開始減速。

火焰在毛細管前方區域減速說明了毛細管對回火具有一定的抑制作用。

通過淬熄試驗和臨界淬熄佩科萊數計算，可以得到以下結論：

1)隨著毛細管孔徑從0.1～0.5 mm變化，臨界淬熄佩科萊數分布為30～40。管徑越小，臨界淬熄佩科萊數越大。

2)相對于理論臨界淬熄佩科萊數分布50～60，實際得到的臨界淬熄佩科萊數值較小。

3)在低壓范圍內，火焰能穿過毛細管進入防回火室，但在該室內未燃燒的氣體不會被點燃。管徑越小，進入未燃燒氣體中的火焰能量越小，存在一個能將未點燃氣體加熱到點燃狀態的臨界火焰能量。

4)當回火發生后，火焰速度以近音速(大約270 m/s)湍流狀態前進。

德國人的研究表明，多孔材料和毛細管對抑制回火具有一定的作用，但多孔材料的孔徑、厚度以及毛細管的孔徑、長度，推進劑供應系統壓力與防回火之間的耦合關系還需進一步探索和研究。

4 國內研究進展

國內研究人員以氧化亞氮基氧燃一體化推進劑為對象，研究主要集中在以下幾個方面：推進劑流動特性研究、燃燒反應機理研究、燃燒及傳熱特性仿真研究、燃燒特性試驗研究、燃燒過程中火焰傳播速度研究以及復合惰性氣體后的火焰傳播及爆炸特性試驗研究。

4.1 流動特性研究

楊學森等[39-40]綜合運用MATLAB、FLUENT、AMESim 多種仿真模擬手段，從建立NOFBX物性參數著手，研究了貯箱自增壓特性、系統流動特性以及管路氣化特性，得到的結果如下：①當推進劑排出時，貯箱中液體推進劑發生氣化，溫度下降，飽和壓力下降；且質量流量與排出時間與多種因素相關，其中最主要的是管路直徑與系統流阻。②推進劑在管路內的氣化分數與管路長度和流阻密切相關，流阻越大，管路出口氣化率越高。

4.2 燃燒反應機理研究

魏豪等[41]以氧化亞氮-C2烴類燃料氧燃一體化推進劑為對象建立了包含26種組分、46個反應的簡化燃燒化學反應機理模型，并與試驗數據進行比較，誤差低于10 %；鄭東等[42]建立了包含52種組分、325個反應的燃燒化學反應機理模型。王偉龍等[43]基于GRI3.0和USC-Ⅱ機理，提出8種關鍵基元反應，并與試驗相結合，較好地揭示了著火延遲時間與火焰傳播速度關系。楊學森等[40]建立了包含128種組分、800個反應的燃燒化學反應機理模型，準確計算了氧化亞氮受熱分解一系列過程中各種重要組分分布情況，而且在較寬的溫度、壓力、化學計量比范圍內準確預測了氧燃一體化推進劑體系著火延遲時間和層流火焰傳播速度；同時，楊學森將理論預測的層流火焰傳播速度與實驗得到的層流火焰傳播速度進行了比較，誤差為9.6 %，說明該模型可信度較高。

4.3 燃燒及傳熱特性仿真研究

魏豪等[44-45]通過對不同質量流量、燃燒室長度、氧化劑與燃料化學計量比3個參數進行CFD仿真計算，分析不同參數對燃燒特性的影響，并對部分參數優化計算。最后對推力器再生冷卻通道內的傳熱過程進行模擬，研究通道壁面傳熱特性，獲得入口處不同溫度下推進劑在通道壁面散熱情況及在流通通道內的相變，對推力器設計提供理論參考。

王偉龍等[46]對氧化亞氮乙烯一體化推進劑推力室噴注面板熱反侵著火現象進行了數值模擬，發現噴注面板的孔板面積比對燃燒室向噴注面板及集氣腔的傳熱有顯著影響，并存在臨界值，為氧化亞氮燃料一體化推進劑噴注器設計提供了新的約束準則。

4.4 燃燒特性試驗研究

張鋒等[47]開展了氧化亞氮乙烯一體化推進劑在室壓0.7 MPa和1.0 MPa條件下、混合比6.2～10.6范圍內的燃燒特性試驗，獲得了混合比、燃燒室特征長度等對特征速度和燃燒效率的影響規律。結果表明：當量孔徑為65 μm、厚度為5 mm的不銹鋼多孔材料具有良好的防回火效果；隨著混合比的增大，氧化亞氮/乙烯的理論特征速度和試驗特征速度均減小，燃燒效率最高達到95.0%；隨著燃燒室特征長度的不斷增大，燃燒效率先增大后減小。

4.5 燃燒過程中火焰傳播速度研究

李智鵬等[48-50]采用PREMIX軟件模擬氧化亞氮乙烯一體化推進劑在0.1～1.5 MPa下層流火焰傳播速度，得到不同壓力和化學計量比下該體系的火焰傳播速度、火焰溫度。同時，采用高速攝影儀對氧化亞氮乙烯一體化推進劑實際燃燒過程中的層流火焰傳播速度進行測定，通過對比模擬計算值與真實測量值，驗證了模型的準確性和計算方法可靠性。

4.6 復合其他氣體后的火焰傳播及爆炸特性的試驗研究

曾祥敏等[51]研究了加入惰性氣體二氧化碳后氧化亞氮/乙烯/二氧化碳的火焰傳播及爆炸特性，為解決氧化亞氮基氧燃一體化推進劑的自燃和防回火問題提供參考。試驗采用長200 cm、內徑1.5 cm的有機玻璃管，內含螺旋加速環裝置，電阻絲點火方式，進行混合氣體的燃燒爆炸試驗；利用壓力傳感器測量爆炸壓力和爆轟速度，并利用高速攝影儀測量燃燒時的火焰速度。結果表明，加入惰性氣體二氧化碳預混氣體在燃燒管內快速燃燒，最大火焰速度為2 235.2 m/s；Zhang等[52]研究了未加二氧化碳的氧化亞氮/乙烯體系燃燒轉爆轟時的爆轟速度為2 349 m/s，說明惰性氣體二氧化碳的加入有利于降低火焰傳播速度。Li[53-54]研究了在氧化亞氮/丙烷/氨氣體系中，氨氣的加入則隨著丙烷含量的不同，火焰傳播速度呈現出不同的結果，分析認為與氨氣在整個反應過程中與丙烷形成的中間產物有關。另外的研究表明火焰加速和危害性順序為：氧化亞氮/乙烯>氧化亞氮/丙烷>氧化亞氮/氨。

曾祥敏和Li等的試驗氣體壓力均未超過0.1 MPa，雖然與實際推進劑使用壓力有一定差別，但對推進劑配方優化具有很好的參考意義。

5 結語

對于氧化亞氮基氧燃一體化推進劑及推進系統的研究，國內外主要以推進劑配方研制、防回火研究和應用研究為主。目前該推進劑實現工程化應用的障礙主要是其工程安全性問題，因此提出以下建議：

1)在推進劑配方研制過程中，荷蘭、英國有其自身特點，因而在點火過程中未發生回火現象；但如果燃料選擇C2烴類，鈍感安定劑選擇、鈍感安定劑的加入量問題，鈍感安定劑加入量與電點火能量及系統提供的點火能量之間的耦合關系問題需要深入研究。

2)在點火方式的選擇上，采用氣氧/氣氫火炬點火或是電點火方式，需要綜合考慮，既要考慮系統復雜性，又要考慮系統安全性問題。同時還需要考慮點火器位置對整個系統安全性的影響。

3)在防回火設計中，燒結材料的厚度、當量孔徑，毛細管的長度、孔徑均與推進劑的流阻及系統安全性存在相應關系，后續還需深入研究。

4)建議國內在氧燃一體化推進劑及推進系統方面加快工程化研究步伐。