无毒单元发动机催化燃烧过程可视化试验研究

刘 俊，刘 川

（1. 上海空间推进研究所，上海，201112；2. 上海空间发动机工程技术研究中心，上海，201112）

无毒单元发动机催化燃烧过程可视化试验研究

刘 俊1,2，刘 川1,2

（1. 上海空间推进研究所，上海，201112；2. 上海空间发动机工程技术研究中心，上海，201112）

无毒单元推进系统具有性能高，操作简单、爆炸风险低等特点，未来将全面替代肼类推进系统。深入研究无毒发动机催化燃烧过程，采用透明燃烧室对无毒单元发动机进行可视化研究，并与金属燃烧室试验结果进行比对，试验结果表明：在室压快速上升阶段，推进剂快速反应处于前床，发动机效率很低；在室压平稳上升阶段，发动机的催化燃烧部位逐渐从前床向后床扩展，推进剂催化燃烧主要在催化床核心部位进行；随着发动机连续工作时间增加，发动机燃烧强度增加和燃烧效率提高。

无毒推进剂；单组元发动机；透明燃烧室

0 引 言

无毒单元推进剂包括硝酸羟胺（HAN）、二硝基铵胺（ADN）和过氧化氢（H2O2）。采用无毒单元推进剂的推进系统和肼类推进系统相比，具有性能高、发射成本低、操作简单、爆炸风险低等特点，因此各国将其作为第2代单元推进系统进行研制，用于替代目前在运载火箭、飞船和卫星上广泛使用的肼类单元推进系统。

目前美国Aerojet公司已完成1 N推力HAN基无毒单元发动机的研制并交付给BELL公司[1]，预计2017年底到2018年初参加绿色推进剂加注项目（GPIM）的演示飞行；瑞典从1997年开始研究ADN基单元发动机，包含1 N推力发动机的推进系统已于2009年在PRISMA卫星上演示飞行，1 N推力发动机目前已被Google公司选用，用在SkySat卫星上[2]；中国从1999年开始对HAN基发动机开展研究，并在发动机设计、预热温度等方面处于世界先进水平[3～5]。

可视化研究在燃烧领域的应用比较广泛。Roquemore等研究了不同燃气和空气质量流率下的火焰结构，观测到燃烧室下游区域的“火球”[6]；Moore等研究了甲烷和氧气的火焰稳定性，获得不同形态的火焰结构，并给出了火焰形态与氧燃比、氧气、燃气雷诺数等参数之间的影响关系[7]；高玉闪等研究了各种喷嘴的气氢/气氧燃烧火焰结构，观测到燃烧剪切面和低压回流区[8]。

单元发动机试验一般采用室压、流量、温度等参数来评价发动机催化燃烧过程[9,10]。由于温度传感器仅能测量燃烧室壁面温度，室压只能测量燃烧室的压力，流量测量进入催化床的推进剂速率，获得的试验数据都是外部的，已无法满足发动机内部催化分解燃烧过程的深入研究需求。因此，采用透明燃烧室的方案能使催化燃烧过程和反应特征可视化，对于研究催化燃烧机理、验证数值仿真模型等具有重要的意义。

1 硝酸羟铵发动机工作原理

HAN（分子式：NH3OHNO3）基单元推进剂是由HAN、相容的燃料、添加剂和水组成。

HAN基推进剂HB510由中科院上海有机化学研究所研制，推进剂的主要成分有：氧化剂（硝酸羟胺）、燃料（甲醇）和水（溶剂）。硝酸羟胺-甲醇-水推进剂配方的主要催化燃烧过程如下[11]：

a）HAN基在催化床上在催化剂的作用下发生催化分解反应，硝酸羟胺分解成氮气、一氧化氮、水等产物，释放20%能量，方程式为

b）HAN基分解产物和甲醇在高温下发生催化燃烧反应，释放80%能量，典型方程式为

HAN基催化分解发动机的工作过程为：在挤压气体的作用下，单元推进剂通过阀门的控制进入喷注器，经喷注器分配后，推进剂以低流速、大面积均匀地穿过包含颗粒状催化剂的催化床，推进剂在催化床中分解燃烧成高温、高压的CO2、H2O和N2的气体混合物，从喷管喷出时气体加速至超声速，并产生反作用推力。HAN基发动机的内部结构如图1所示。

催化床装有两种耐高温抗氧化催化剂，催化剂均为华东理工大学研制。前床装填20～30目催化剂305，保证了推进剂快速分解；后床装填Φ1.7mm×2.0mm催化剂306，为推进剂完全催化分解燃烧提供场所。

2 透明燃烧室研制

为了方便采用摄影设备来记录催化分解室内的燃烧情况，采用石英玻璃加工整个燃烧室，而不采用专门的热防护措施。

石英玻璃是一种只含二氧化硅的特种玻璃，具有热膨胀系数低、耐温性能高、化学稳定性好、电绝缘性优良、超声延迟性能低且稳定、最佳的透紫外光谱性能以及透可见光及近红外光谱性能，以及高于普通玻璃的机械性能等特点。

石英玻璃的光学性能有其独到之处，既可以透过远紫外光谱，是所有透紫外材料最优者，又可透过可见光和近红外光谱。由于石英玻璃耐高温，热膨胀系数极小，化学热稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射又可与一般光学玻璃媲美，是一种在各种恶劣情况下具有高稳定度光学系统的必不可少的光学材料。

贺利氏信越公司研制的HQS400型石英材料采用特殊工艺处理并进行了提纯研究，将石英材料的长期使用极限温度提高到1 280 ℃，可满足HAN基5 N单元发动机外壁温度1 100 ℃的使用要求[12]。

3 发动机结构

推力5 N的透明燃烧室发动机的头部采用不锈钢加工，燃烧室使用石英玻璃加工，用螺栓把石英玻璃圆筒和头部连接在一起，密封材料选用石墨垫圈，外形如图2a所示。

进行对照分析的金属燃烧室发动机设计参数相同，只是燃烧室采用高温合金进行加工，也采用螺栓连接方式，发动机外形如图2b所示。

4 发动机试验情况

透明燃烧室发动机和金属燃烧室发动机共进行了3个程序，分别为：常温预脉冲程序、第1稳态10 s程序和第2稳态10 s程序。

首先，透明燃烧室发动机进行了常温预脉冲试车，工况10×0.1 s（on）/0.5 s（off），脉冲试车过程见图3。

第1～4个脉冲，催化床和燃烧室上有气体产生，表明推进剂在催化床上发生了不剧烈的催化分解反应；第5～8个脉冲，喷注器附近开始出现亮光，表明推进剂开始发生了催化燃烧反应；第9、10个脉冲，前床变亮后床变为暗红，表明大部分推进剂在前床发生燃烧反应，少量推进剂在后床发生燃烧反应，分析认为，发动机常温预脉冲主要在前床进行分解燃烧反应，且常温条件下前床推进剂和催化剂的匹配性不佳。因此，提高发动机冷启动性能主要通过提高前床催化剂和推进剂的匹配性来实现。

随后发动机进行了第1次10 s稳态，稳态工作的前1 s情况如图4所示。发动机启动200 ms时，前床催化剂开始发红；400 ms时，后床催化剂开始催化燃烧反应，600 ms时，后床催化剂反应明显，800 ms时，后床中心催化剂反应剧烈，在发动机工作的前1 s催化燃烧反应主要在中心区域反应，边缘处几乎没有反应。

用于比对的金属催化燃烧室发动机第1次稳态试车前1 s特性曲线如图5所示。从图5a中可以看出，室压在发动机启动67～240 ms之间处于快速爬升段，从0.1 MPa增加到0.54 MPa，这一阶段推进剂快速反应仍处于前床，这是由于这一阶段流量远超过额定流量，室压的快速上升靠大流量实现，发动机效率很低；室压在发动机启动后240～1 000 ms之间处于慢速爬升段，室压从0.54 MPa增加到0.64 MPa，流量逐渐减少，室压逐渐增加，说明发动机比冲在增加，催化燃烧部位逐渐从前床向后床扩展，提高了发动机的催化燃烧效率。由图5b可知，外壁温度未发生变化，推进剂催化燃烧主要在核心部位进行，热量未传递到后床外壁和透明燃烧室，试验结果相同。

图6和图7分别是透明燃烧室第1个稳态试车照片和金属燃烧室第1个10 s稳态特性曲线。

从图6中可以看出，发动机工作到4 s达到最佳状态，整个催化床反应达到最强状态；从图7a中可以看出，金属燃烧室发动机工作到3.6 s时室压达到平均室压，因此通过透明燃烧室测算发动机达到最佳状态时间比较准确；从图7b中可以看出，发动机外壁温度从1.5 s开始逐渐上升，到发动机关机后温度继续上升，主要因为发动机外壁存在瞬态热传导过程，内外壁之间存在温差。随着发动机连续工作，两者的温差越来越小，T3的温度高于T2，说明发动机的高温段在后床。

图8和图9分别是透明燃烧室第2个稳态的试车照片和金属燃烧室第2个稳态特性曲线。

从图8中可以看出，推进剂催化燃烧明显加快且工作强度明显增加，部分燃烧在燃烧室内进行，随着时间的增加，燃烧强度逐渐增加，燃烧更完全；从图9a中可以看出，发动机响应特性明显提高，平均室压从0.78 MPa提高到0.88 MPa，说明比冲和燃烧效率均在提高；从图9b中可以看出，发动机外壁温度比第1个稳态高了很多，也说明了推进剂反应强度在增加。

5 结束语

通过透明燃烧室和金属燃烧室对照试验研究，对发动机内部催化燃烧反应情况有了更清晰的认识：

a）发动机常温预脉冲启动时，推进剂主要在前床进行分解燃烧，后床反应较轻，常温条件下推进剂和催化剂的匹配性不佳，因此，提高发动机常温启动能力主要通过提高常温条件下前床催化剂和推进剂的匹配性来实现；

b）在室压快速上升阶段（第1个稳态第1阶段），推进剂快速反应还处于前床，室压的快速上升主要靠大流量实现，发动机效率很低；

c）在室压平稳上升阶段（第1个稳态第2阶段），发动机的催化燃烧部位逐渐从前床向后床扩展，催化燃烧效率在上升，这时推进剂催化燃烧主要在核心部位进行，热量还没有传递到外壁；

d）发动机的第2个稳态与第1个稳态相比，推进剂反应速度和催化燃烧强度增加，燃烧效率提高，外壁温度增加；

e）未来将采用透明燃烧室和平面激光诱导荧光相结合方式开展研究，研究发动机启动过程时产生的主要气体品种和稳态时在发动机催化床轴向气体分布，为改进催化剂活性金属组合提供帮助。

[1] McLean C H. Green propellant infusion mission (GPIM), advancing the state of propulsion system safety and performace[R]. AIAA 2016-0183, 2016.

[2] Anflo K, Crowe B. A family of thrusters for ADN-based monopropellant LMP-103S[R]. AIAA 2012-3815, 2012.

[3] Liu C, et al. Development on HAN-based monopropellant thruster[C]. Cologne: 4th Space Propulsion Conference, 2014.

[4] Qiu X, et al. Research progresses on green propulsion technology for HAN-based propellant[C]. Toronto: 65th International Astronautical, .

[5] Yao T L, et al. Feasibility assessment of HAN-based thruster used in the monopropellant propulsion system[C]. Jerusalem: 66th International Astronautical Congress, 2015.

[6] Roquemore W M, Britton R L. Dynamic behavior of a bluff-body diffusion flame[J]. AIAA Jorunal, 1982, 20(10): 1410-1416．

[7] Moore J D, Risha G A. Stability of methane/oxygen coaxial diffusion flame[R]. AIAA 2003-4636, 2003．

[8] 高玉闪, 金平, 蔡国飙. 近喷嘴区域燃烧流场可视化研究[J]. 推进技术, 2013, 34(9): 1209-1213.

[9] 白云峰, 等. 过氧化氢单元催化分解火箭发动机研究[J]. 火箭推进，2006, 32(4): 15-20.

[10] 刘俊, 李小芳. 600N单组元推力室的研制[J]. 火箭推进, 2006, 32(5): 12-16.

[11] Yi P C. Combustion behavior of HAN-based liquid propelliants[D]. The Pennsylvania State University, 2002.

[12] 张黎. 贺利氏石英材料[C]. 连云港: 全国高新技术用石英制品及相关材料技术研讨会, 2003.

Visualization Study of Catalytic Combustion Process in Nontoxic Monopropellant Thruster

Liu Jun1,2，Liu Chuan1,2
(1. Shanghai Institute of Space Propulsion, Shanghai, 201112; 2. Shanghai Engineering Research Center of Space Engine, Shanghai, 201112)

Non toxic monopropellant propulsion system with high performance，simplified handling and reducing the risk of explosion, will be a comprehensive alternative to the hydrazine propulsion system. In order to study the catalytic combustion mechanism deeply，combustion chamber with quartz windows was conducted utilizing HAN-based monopropellant．The catalytic combustion process captured by digital camera was compared with result of metal chamber. The result showed that monopropellant catalytic combustion process occurred on front bed and efficiency of engine was low during pressure rapid increasing. Monopropellant catalytic combustion process gradual expanded from the front bed to the black bed and occurred on core of catalyst bed during pressure smooth increasing. With the increasing of the thruster continuous working time, the combustion intensity and efficiency of thruster was improved.

Nontoxic monopropellant; Monopropellant thruster; Transparent combustion chamber

V511+.3

A

1004-7182(2017)03-0045-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170310

2016-08-07；

2017-05-03

刘 俊（1971-），男，高级工程师，主要研究方向为液体火箭发动机设计