雙模式離子液體推進(jìn)劑真空條件催化點火特性

方 杰，王 尊，嚴(yán) 浩，高 鶴，姚兆普，李水清

(1.北京控制工程研究所，北京 100190；2.北京市高效能及綠色宇航推進(jìn)工程技術(shù)中心，北京 100190；3.清華大學(xué) 能源與動力工程系，北京 100084)

0 引言

多模式空間推進(jìn)是指將使用共享推進(jìn)劑的兩種或多種推進(jìn)模式，包括單組元和雙組元化學(xué)推進(jìn)、電熱推進(jìn)、電噴霧、電磁電推等，整合到一個推進(jìn)系統(tǒng)中。由于使用同種推進(jìn)劑，多模式推進(jìn)將為航天器提供較高的靈活性和適應(yīng)性，也會為相應(yīng)的航天任務(wù)減小推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量。其中，基于新型離子液體混合推進(jìn)劑的雙模式空間推進(jìn)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。這項技術(shù)采用單組元化學(xué)推進(jìn)模式實現(xiàn)空間推進(jìn)系統(tǒng)的較大推力工作；通過電噴霧模式實現(xiàn)高比沖工作，推進(jìn)劑的綜合使用效率得到顯著提高。

離子液體是一種熔融鹽，陰陽離子處于游離狀態(tài)，具有揮發(fā)性低、熔點低、液態(tài)范圍寬、電化學(xué)窗口寬、導(dǎo)電與導(dǎo)熱性良好、熱穩(wěn)定性高、不易燃易爆、可設(shè)計性強等優(yōu)點。2010年，美國密蘇里科技大學(xué)Rovey課題組的Donius對使用離子液體，結(jié)合了大推力化學(xué)推進(jìn)和高比沖電推進(jìn)的雙模式推進(jìn)系統(tǒng)的性能開展了分析和數(shù)值研究，指出離子液體燃料搭配HAN氧化劑組成的混合推進(jìn)劑具有較好的化學(xué)推進(jìn)性能，并且考慮到其可忽略的蒸氣壓特性，也適用于電噴霧推進(jìn)技術(shù)，Rovey課題組隨后對此開展了持續(xù)性的研究。

基于化學(xué)—電噴霧雙模式推進(jìn)技術(shù)對液體推進(jìn)劑高密度、低熔點、低黏性、高表面張力的物理性質(zhì)及高電導(dǎo)率和高分子質(zhì)量的電化學(xué)性質(zhì)的要求，Berg等在對咪唑基離子液體([Bmim][dca]、[Bmim][NO]和[Emim][EtSO])進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)其理化特性不亞于肼和目前應(yīng)用較為廣泛的[Emim][Im]類電噴霧推進(jìn)劑，將這些離子液體作為燃料與氧化性鹽(如HAN)混合，有構(gòu)成雙模式離子液體推進(jìn)劑的潛力。因此，Berg等合成了HAN與[Bmim][NO]、[Emim][EtSO]混合的推進(jìn)劑，開展電噴霧和化學(xué)推進(jìn)兩種模式下的實驗研究，主要包括在100 μm毛細(xì)管發(fā)射器中不同流動速率下的電噴霧實驗；同時測試了HAN/[Emim][EtSO]在鉑、錸、鈦表面的催化分解特性；在加壓鏈?zhǔn)饺紵髦袑ν七M(jìn)劑在不同壓力下的線性燃燒速率特性進(jìn)行了實驗測定和評估；建立了一個微管模型，整合雙模式推力器硬件裝置，然后輔助設(shè)計了內(nèi)徑為0.4 mm的鉑微管，在微管中對推進(jìn)劑的分解特性進(jìn)行了試驗研究。

Froberg Aerospace LLC演示了一種使用共享推進(jìn)劑(HAN/[Emim][EtSO]混合物，F(xiàn)AM—110A)的單組元推進(jìn)劑—電噴霧推進(jìn)系統(tǒng)(MEPS)，該系統(tǒng)有一組16×16的微通道陣列，每個微通道中嵌有一層催化劑，用作單組元推進(jìn)劑推力器和毛細(xì)管電噴霧推力器，并能在二者之間切換。Berg和UIUC聯(lián)合測試了MEPS的兩種工作模式，在化學(xué)推進(jìn)模式下推力器穩(wěn)定的燃燒時間長達(dá)45 s，在電噴霧模式下工作4 h以上。文獻(xiàn)[15]設(shè)計并測試了一種化學(xué)微推力器，同樣使用FAM—110A推進(jìn)劑。

北京控制工程研究所、清華大學(xué)和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等單位在近些年也開展了雙模式空間推進(jìn)技術(shù)的相關(guān)研究。大連化學(xué)物理研究所制得了一系列咪唑基離子液體，與HAN混合形成新型離子液體推進(jìn)劑，并對其理化性質(zhì)進(jìn)行了研究，其無毒特性也符合無毒推進(jìn)技術(shù)研發(fā)的趨勢；在電噴霧工作模式下，完成了電噴霧特性原理驗證，對泰勒錐形成與轉(zhuǎn)捩、液滴破碎霧化和帶電微粒在電場中運動發(fā)展等過程進(jìn)行系統(tǒng)性研究，成功研制了包含發(fā)射極、抽取極和加速極的多針電極陣列；在化學(xué)推進(jìn)工作模式方面，進(jìn)行了點滴著火試驗，證明HAN/[Emim][EtSO]混合推進(jìn)劑具有良好的催化分解燃燒性能，是一種有潛力的新型多任務(wù)模式離子液體推進(jìn)劑。北京控制工程研究所聯(lián)合清華大學(xué)利用熱重分析—差示掃描量熱法(TGA—DSC)研究了新型離子液體推進(jìn)劑熱分解和催化分解過程，同時聯(lián)用傅里葉紅外光譜(FTIR)分析儀對產(chǎn)生的氣體進(jìn)行了光譜分析；搭建一套催化點火裝置，在大氣環(huán)境下成功進(jìn)行了催化點火，并研究了其催化點火特性；還研制了推力為0.2 N的模型發(fā)動機，進(jìn)行了催化點火熱試車，結(jié)果表明，新型離子液體推進(jìn)劑可以在催化點火條件下實現(xiàn)穩(wěn)定啟動，在空間推進(jìn)領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景。

截至目前，國內(nèi)外就雙模式離子液體推進(jìn)劑的篩選、合成及其理化性質(zhì)的研究進(jìn)行了相對系統(tǒng)的研究工作；對電噴霧工作模式和化學(xué)推進(jìn)模式的可行性也進(jìn)行了試驗探索，但仍缺乏對空間發(fā)動機實際工況下推進(jìn)劑連續(xù)流動、化學(xué)反應(yīng)過程的深入研究，化學(xué)推進(jìn)模式下推進(jìn)劑的催化燃燒反應(yīng)特性有待探索。

本文在之前工作基礎(chǔ)上，將可光學(xué)觀測催化點火模型發(fā)動機放置于真空艙內(nèi)，開展雙模式離子液體推進(jìn)劑在真空環(huán)境下的反應(yīng)特性實驗研究，這對于深化雙模式離子液體推進(jìn)劑化學(xué)推進(jìn)工作模式下物理機理的理解具有重要意義。

1 實驗系統(tǒng)與方法

1.1 系統(tǒng)裝置

整體系統(tǒng)的裝置見圖1。主體是一個直徑200 mm、高560 mm的圓柱形真空艙，艙底側(cè)邊有一根管道和機械真空泵(TRP—12)相連，真空泵可以將艙內(nèi)壓強抽至低于20 Pa；艙內(nèi)頂部法蘭盤下面連接模型發(fā)動機，雙模式離子液體推進(jìn)劑([Emim][EtSO]、HAN和水的混合物)在模型發(fā)動機催化床中發(fā)生催化燃燒。上游的推注器控制注入推進(jìn)劑的體積流量；法蘭盤上有多個接線端子，艙外設(shè)備通過這些端子與艙內(nèi)儀器連接。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Experimental setup

數(shù)據(jù)采集板卡(DAQM—4203)通過USB接口與電腦相連，另一端連接熱電偶和壓力傳感器，采集記錄實驗過程中的溫度和壓強情況；真空艙有4個玻璃觀測窗，在一側(cè)配備了高速相機(Phantom，version 1840)，拍攝記錄模型發(fā)動機的點火燃燒過程，還有兩盞照明燈通過觀測窗來補光；艙底通過壓力傳感器[XTEL—190(M) SERIES]測量記錄艙內(nèi)壓強變化，同時在機械泵和真空艙連接管道中間裝有一個真空規(guī)，可以直接顯示壓強大小；機械泵排氣管出口處有煙氣分析儀(Vario Plus)，對排出氣體成分含量進(jìn)行分析。

1.2 模型發(fā)動機

為方便觀察催化床內(nèi)催化點火的過程，設(shè)計了不帶收縮段的石英材質(zhì)催化床模型發(fā)動機如圖2所示，電磁閥的開閉控制推進(jìn)劑注入與否，推進(jìn)劑經(jīng)過噴注器流入石英催化床，可光學(xué)觀測內(nèi)部的反應(yīng)情況；催化床裝填催化劑顆粒，外部纏繞加熱絲來對其進(jìn)行預(yù)熱；在催化床的4個不同位置插入K型熱電偶，從上游到下游依次編號為TC1、TC2、TC3、TC4，測量4個位置的溫度變化。

圖2 可光學(xué)觀測模型發(fā)動機Fig.2 Optically observable model thruster

1.3 實驗方法

對于在真空艙中的催化點火實驗，在搭建好實驗系統(tǒng)后，開啟真空泵，對模型發(fā)動機的催化床進(jìn)行預(yù)熱；到艙內(nèi)壓強低于20 Pa，預(yù)熱溫度穩(wěn)定在170 ℃后，打開發(fā)動機的電磁閥，啟動推注器，使推進(jìn)劑以固定流量進(jìn)入發(fā)動機；高速相機觀察記錄催化點火過程，電腦通過數(shù)據(jù)采集板卡獲取熱電偶和壓力傳感器測得的催化床溫度和艙內(nèi)壓強數(shù)據(jù)，同時，在真空泵排氣口用煙氣分析儀在線測量產(chǎn)生的燃?xì)獬煞趾蜐舛取?/p>

一次點火實驗完成后，停止推注器注入推進(jìn)劑，轉(zhuǎn)而通入空氣，使殘余的離子液體充分燃燒反應(yīng)，然后通入N對催化劑表面可能吸附的O進(jìn)行吹掃，之后再關(guān)閉電磁閥，結(jié)束本次實驗。改變推注流量，重復(fù)上述過程，開展在不同工況下的實驗研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化點火過程

高速相機透過觀測窗，詳細(xì)記錄了雙模式離子液體推進(jìn)劑在各個流量下的催化點火過程，如圖3所示。3 mL/min流量下推進(jìn)劑完整的點火燃燒過程如圖3 (c)所示，推進(jìn)劑經(jīng)過電磁閥和噴注器進(jìn)入催化床后，與預(yù)熱后的催化劑接觸，變成沸騰的液泡并逐步滲入催化床，同時，在催化床下壁面會觀察到一層液霧；推進(jìn)劑流至催化床下游一定位置后，液泡邊緣不再繼續(xù)深入，前端呈現(xiàn)穩(wěn)定的一條分界線，隨后該位置出現(xiàn)燃燒發(fā)光現(xiàn)象，推進(jìn)劑成功點燃，有少量煙霧懸浮在真空艙內(nèi)；接著燃燒發(fā)光區(qū)域開始擴大，不斷向上下游蔓延，逐步燃燒穩(wěn)定。

在流量為1～4 mL/min時，其著火階段現(xiàn)象類似，但催化床出現(xiàn)肉眼可見亮光的時間隨流量增加會降低。在1 mL/min流量[見圖3(a)]至4 mL/min流量[見圖3(d)]下該時間分別為96.4 s、49.8 s、48.2 s和40.4 s，但是圖3(d)中著火階段會持續(xù)產(chǎn)生大量的煙霧，以至于遮擋觀察窗口，同時，有少量推進(jìn)劑液泡未被點燃而流過催化床到下游出口處；在燃燒階段，可以看到推進(jìn)劑并沒有在整個催化床中劇烈燃燒，而是在催化床內(nèi)某個位置形成一個主要著火區(qū)，然后向上下游擴散逐漸形成一個穩(wěn)定的著火區(qū)，圖3(a)和圖3(b)中的主要著火區(qū)有一個明顯的向上游傳播的過程，圖3(c)中著火區(qū)向上下游均有擴散，并且對比1～3 mL/min流量下穩(wěn)定后的主要著火區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)流量越大，區(qū)域會越寬。圖3(d)中4 mL/min流量下著火后著火區(qū)也會擴散，向著火點下游擴散較多，亮度變亮，但期間仍然不斷有煙霧產(chǎn)生，在95 s時亮度達(dá)到最大，之后視野逐漸變暗直至熄滅。

圖3 各個流量下的點火燃燒過程Fig.3 Combustion process at various flow rates

2.2 溫度和壓強變化

催化床4個位置的熱電偶和真空艙底部壓力傳感器在各個流量下測得的數(shù)據(jù)結(jié)果見圖4。圖4(a)中溫度曲線體現(xiàn)出明顯的熱量傳遞過程，與圖3(a)中主要著火區(qū)向上游傳播的現(xiàn)象相符。4條溫度曲線在達(dá)到最大值后都有一個緩慢下降的趨勢，是因為主要著火區(qū)逐漸向上游傳播后，推進(jìn)劑幾乎不能流到著火區(qū)下游來反應(yīng)釋熱，而下游主要靠上游著火區(qū)的熱量傳遞來維持一定的溫度，緩慢趨于一個傳熱平衡的溫度值。

圖4(b)中TC3最先升溫，從該位置開始著火，TC4處于主要著火區(qū)，溫度也隨之升高，然后主要著火區(qū)傳播至TC2、TC1，相較于圖4(a)，圖4(b)中的主要著火區(qū)傳播速度更快，并且穩(wěn)定時溫度更高，是因為增大流量使得相同時間內(nèi)反應(yīng)釋放出的熱量也更多。

圖4(c)中TC3也是最先升溫的位置，但其升溫速率和達(dá)到的最高溫度都比圖4(b)中的大。TC3和TC4附近成為主要著火區(qū)且保持了較長時間。250 s后，TC2才出現(xiàn)溫度顯著上升的趨勢，同時TC4略微下降，主要著火區(qū)繼續(xù)向上游傳播。此時停止進(jìn)液，觀察熄火過程，壓強反應(yīng)最靈敏，即刻大幅降低，而由于催化床內(nèi)仍有殘余推進(jìn)劑，所以主要著火區(qū)繼續(xù)向上傳播，TC2繼續(xù)上升后開始降低。TC1在進(jìn)液停止后出現(xiàn)明顯的熱回浸現(xiàn)象，催化床下游熱量向上游傳遞使得TC1溫度出現(xiàn)迅速上升。

圖4(d)是4 mL/min流量下的曲線圖，開始時TC4有大幅上升，但其最高溫度未超過1 000 ℃，隨后開始下降，沒能維持高溫，相鄰位置也沒有出現(xiàn)升溫趨勢。

圖4 各個流量下的溫度壓強曲線圖Fig.4 Temperature and pressure curves at various flow rates

位于催化床最下游的TC4首先出現(xiàn)明顯升溫，說明在4 mL/min流量下，推進(jìn)劑需流過較長的催化床床程才能發(fā)生明顯的釋熱反應(yīng)，但高溫區(qū)并沒有維持住，且上游測溫點TC1～TC3也未出現(xiàn)溫度抬升的情況，這說明4 mL/min流量下催化床床載較高，催化能力不足以催化分解流經(jīng)的推進(jìn)劑，催化反應(yīng)不能自維持。同時根據(jù)圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，在1 mL/min流量下也是在TC4位置最先出現(xiàn)溫度迅速升溫現(xiàn)象，這是因為小流量條件下初期反應(yīng)釋熱較少，需經(jīng)過時間累積才能達(dá)到一定的溫度，因此也會流過較長的床程，然后才會發(fā)生明顯的釋熱反應(yīng)。

觀察4幅曲線，在圖中圓圈標(biāo)記處，可以發(fā)現(xiàn)首先升溫的催化床區(qū)域總會形成一個溫度先升高再下降的現(xiàn)象。這是因為在著火位置，推進(jìn)劑中的HAN組分首先發(fā)生分解反應(yīng)、釋放熱量，導(dǎo)致催化床溫度上升；然后在燃料組分與HAN分解的氧化性中間產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)前對流換熱，從而帶走一定的熱量使得溫度有所降低。

2.3 產(chǎn)物分析

煙氣分析儀在真空泵排氣管處采集尾氣并在線測量，結(jié)果如圖5所示。由于排氣管連接大氣環(huán)境，所以初始氧氣含量接近21%，其他幾種氣體幾乎為0，在反應(yīng)開始后產(chǎn)生的尾氣逐漸排出排氣管中的空氣，使得氧氣含量降低，反應(yīng)結(jié)束時，空氣又慢慢填充排氣管，氧氣含量恢復(fù)至大氣水平。

點火階段，推進(jìn)劑中HAN組分首先分解，產(chǎn)生大量氧化性氣體NO(其中以NO為主)，隨后與燃料組分反應(yīng)，將[Emim][EtSO] 中的C氧化為CO，導(dǎo)致CO濃度顯著上升；隨之S被氧化SO，燃料不完全分解產(chǎn)生的CH含量也逐漸上升，且SO含量變化趨勢與NO相似，CH與CO趨勢相似。

在催化燃燒反應(yīng)完全發(fā)生后，NO急劇減少，濃度逼近0，CO隨之下降后逐漸穩(wěn)定，同時不完全燃燒產(chǎn)物CO的含量會上升。在圖5(c)中3 mL/min流量下穩(wěn)定燃燒的時間段內(nèi)，CO、CO與CH的含量百分比為15% ∶16.8% ∶0.1%，其他幾種氣體的含量基本為0，表明催化燃燒穩(wěn)定時，氧化性物質(zhì)基本被完全消耗。

圖5 各個流量下煙氣分析結(jié)果Fig.5 Gas analysis results at various flow rates

3 結(jié)論

本文對真空環(huán)境下雙模式離子液體推進(jìn)劑在模型發(fā)動機中的化學(xué)推進(jìn)模式進(jìn)行了研究，在不同流量的工況下開展了催化點火實驗，可以得到以下結(jié)論。

1)對推進(jìn)劑催化點火的過程有了直觀的認(rèn)識，推進(jìn)劑流至催化床一定深度位置后，才會逐漸出現(xiàn)可見的燃燒發(fā)光現(xiàn)象，著火區(qū)不斷向上下游蔓延，逐步達(dá)到穩(wěn)定，增大流量著火區(qū)會變寬，催化床出現(xiàn)亮光的時間變短；但增至4 mL/min流量下未能成功點火。

2)著火時，在著火點位置溫度會迅速上升，升至最大后有所降低并趨于一個穩(wěn)定值，然后與燃燒發(fā)光區(qū)類似，溫度曲線也出現(xiàn)一個傳遞的過程，催化床著火點上、下游溫度也隨之上升，小流量時主要向上游傳遞，增大流量則也會出現(xiàn)向下游傳遞。

3)催化床中的推進(jìn)劑反應(yīng)特征過程，HAN組分首先分解，產(chǎn)生氧化性氣體NO，然后與燃料組分反應(yīng)，生成CO，同時產(chǎn)生SO和CH；待穩(wěn)定燃燒后，氧化性物質(zhì)基本被完全消耗掉，CO含量降至一個穩(wěn)定值，而不完全燃燒產(chǎn)物CO含量則會有所增加。

在后續(xù)研究中，將設(shè)計帶收縮喉部的模型發(fā)動機，進(jìn)一步貼近空間發(fā)動機實際工況，采用更加精確的量化實驗手段，研究離子液體推進(jìn)劑在化學(xué)推進(jìn)工作模式下的物理過程和工作特性。