绿色高性能ADN基推力器关键组件测试及点火性能研究

陈 君，李国岫，张 涛，王 梦

(1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院， 北京 100044；2.北京控制工程研究所，北京 100190;3 北京市高效能及绿色宇航推进工程技术研究中心，北京 100190)

【系统工程、测量与控制】

绿色高性能ADN基推力器关键组件测试及点火性能研究

陈 君1,2,3，李国岫1，张 涛2,3，王 梦2,3

(1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院， 北京 100044；2.北京控制工程研究所，北京 100190;3 北京市高效能及绿色宇航推进工程技术研究中心，北京 100190)

对新型绿色高性能ADN基推力器关键组件进行测试，介绍了ADN推进剂和材料之间的相容性，验证了催化剂在测试程序条件下的运行状态，阐述了点火结束后催化剂的活性以及推力器的状态。搭建了地面真空点火测试系统，按照程序的要求，考察了ADN基单组元推进剂及其在1N级ADN基发动机中的长稳态和脉冲点火性能，为后续推力器的设计和制造提供参考。

二硝酰胺铵；推力器；组件测试；点火性能

二硝酰胺铵(ADN)基液体推进剂作为一种高性能、绿色无毒、可存储的新型推进剂，代表了空间化学推进技术的一个新的研究方向和发展趋势。ADN基推力器内催化分解和高压燃烧过程的研究，对于提高推力器性能，实现卫星推进系统的预包装，提高我国卫星发射的快速响应能力等都具有重要意义[1-2]。表1所示，对比分析了ADN基液体推进剂与肼推进剂性能。

表1 ADN基液体推进剂与肼推进剂性能比较

图1是一个1N推力的ADN基推力器外观图。其中一个典型的ADN基液体推力器包括电磁阀、喷注器、催化床、燃烧室及喷管四个部分。

图1 1N ADN基推力器组件外观图

ADN基液体推力器的工作过程可以描述为：ADN基液体推进剂由雾化喷嘴喷入推力器内部；首先经过预热段，使得液体推进剂蒸发，增大与催化剂接触的表面积；通过预热段后，推进剂进入催化床，在催化剂颗粒表面发生ADN的催化分解反应，产生大量NO2、N2O以及NO等具有氧化性的小分子中间产物，释放部分热量；反应物通过催化床后，进入燃烧室，具有氧化性的NO2、N2O以及NO等组分与推进剂中的甲醇发生进一步的燃烧反应，进一步释放热量；最后，高温高压的燃气通过喷管喷出，产生推力。

本文以1N级ADN基液体推力器为研究对象，采用星载ADN基液态推进剂为工质。同时基于星载工况，对ADN基推力系统的关键部件进行了鉴定试验，包括传感器，催化剂性能，材料相容性，力学性能等进行探讨，明确了ADN基推力器各关键部件稳定性和可靠性。并基于所搭建的地面真空点火试验台架系统，研究了ADN基液体推力器真空点火性能，明确了ADN基推力器催化分解和燃烧过程所涉及到的各阶段特征信息。

1 国内外研究现状

苏联最早将ADN基固体推进剂应用在苏联SS-24战略导弹第二级推力器中[3]。瑞典研究人员利用ADN在水中的高溶解度，将固体ADN推进剂溶于水并添加燃料合成ADN基液体混合推进剂。在1997年最早公布了代号为LMP-101的ADN基液体混合推进剂(61%ADN、26%水和13%丙三醇)，并最早研制了1N推力的ADN基液体空间推力器。瑞典空间公司对基于LMP-101推进剂的推力器进行点火实验，对推进剂的性能特性进行评估。通过对不同配方ADN基液体推进剂的性能实验比较，发现含甘油的ADN基液体推进剂在120℃时就可分解，其他配方的混合推进剂要到170℃才可以分解[4]。

2010年2月，ECAPS公司推出了LMP-103S型ADN基液体推进剂。LMP-103S是ADN与水、甲醇、氨的混合物。同年6月，基于LMP-103S的1N推力器系统在瑞典发射的“棱镜”(PRISMA)双技术实验卫星之mango主星上进行首次实验运行。在PRISMA飞行期间，对基于LMP-103S的1N推力器进行了推力、比冲、燃烧稳定性能等的实验测试研究[5-7]。

国内对于ADN 基推进剂的研究，之前也主要是针对基于固体形态的ADN推进剂的燃烧特性和催化分解动力学机理的研究。北京控制工程研究所率先开展了针对ADN基液体推进剂及相关空间推力器的基础研究工作，其中包括推进剂喷注雾化特性的实验测量与推力器原理样机的真空舱内点火特性研究等[8]。此外，中科院大连化学物理所在ADN基液体混合推进剂的配方，催化剂的研制，以及推力器热试车实验方面，也做了大量研究工作。另外，北京交通大学也针对ADN基液体推进剂的撞网破碎雾化过程、推力器内火焰传播过程，开展了相应的实验与计算研究工作[9-10]。2016年12月，由北京控制工程研究所研制的ADN基推力器在实践十七号卫星上成功进行了验证试验，这成为我国第一套星上应用的无毒推进系统。

2 ADN基液体推力系统关键组件性能鉴定与测试

在推力器点火之前，需要对推力器点火实验中所涉及到的传感器，催化剂热试性能，ADN基推进剂与材料之间的相容性，推力器力学测量进行鉴定级测量。具体测量结果如下：

2.1 ADN基推进剂与材料之间的相容性实验鉴定测量结果

针对与ADN基推进剂长期接触的材料，在工作温度范围内，开展1年相容性实验。选取所涉及的材料种类包括乙丙胶M203，乙丙胶M204，GYJ130，GYJ130与1Cr18Ni9Ti焊接件，0Cr17Ni12Mo2和00Cr18Ni9，并选取不同规格的材料试片，包括长方形试片，电子束焊接试片和圆形试片)和数量(包括20×10×2和φ25×2)。综合高低温浸泡实验和催化分解实验结果，得到相容性分级结论如表2。

2.2 传感器鉴定测量结果

在推力器点火测试前后，对压力传感器与燃压测试通道进行联校标定，标定结果见表3。

从表3中可以看出，分别选取设定值压力为0 MPa，0.4 MPa，0.8 MPa，1.2 MPa，1.6 MPa和2.0 MPa时，压力传感器所测得的实验前后相对误差均较小，满足点火实验的需求。

表2 ADN基单组元推进剂材料相容性综合评级

表3 燃压压力传感器标定结果

推力器组件使用的阀入口压力传感器的计算结果，如表4所示。可以看出，分别选取设定值压力为0 MPa，0.4 MPa，0.8 MPa，1.2 MPa，1.6 MPa和2.0 MPa时，压力传感器所测得的实验前后的相对误差均较小，满足点火实验的需求。通过对比燃压压力传感器和阀入口压力传感器的实验结果，可以看出，试车前后，压力传感器与燃压测试通道性能无明显变化，均满足实验精度要求，燃压数据可靠。

2.3 催化剂热试性能鉴定测量结果

在催化剂研制完成后，为了验证催化剂的性能及寿命，进行了2台份热试车催化剂的鉴定实验。此程序按照星载工况的考核要求，完成了在不同稳态和脉冲工况，包括不同箱压，不同启动温度，不同时间/占空比，不同脉冲次数的测试工作，

表5可以看出，1N级ADN催化剂在整个寿命周期，其指标稳定性很好。通过本次实验，对新研1N ADN催化剂的性能指标进行了考核。得到了额定比冲大于220 s，累计工作时间大于1 500 s等实验结果。如表5所示，催化剂热试性能达到指标要求。

全部实验结束后对推力器组件进行拆除分解。可以看出，催化床完整，无空腔；催化剂松散无破碎、结块现象；喷注面网丝完整，无断裂及烧蚀现象。

表5 催化剂热试性能与指标对照表

对试后催化剂回收称重，状态如图2所示。从图2中可以看出，催化剂在实验前装量为2 g，而在实验后催化剂余量为2.06 g，催化剂的损耗率为3.0%。试后催化剂略微增重应是由于反应中间产物沉积于催化剂表面所致。

图2 试后催化剂称量结果

3 ADN基发动机点火性能测试

为了进一步探究ADN基推力器的性能，同时对推力器点火工况进行测试，以满足星载工况的要求。图3为1N级ADN推力器组件按程序进行长稳态点火时的视频截图。可以看出，在ADN基推力器的催化床和燃烧室内存在强烈的放热现象。

图4展示的是典型的稳态和脉冲点火曲线。ADN基推力器表现出良好的性能。实验累计温启动次数2 000次，总脉冲数累计20万次，最长连续工作时间2 000 s，过推进剂量16 kg，达到项目指标要求。试车过程中未出现异常情况，试车前后系统无明显变化，实验系统稳定，数据可靠。

图3 1N ADN推力器组件连续300 s工作截图

图4 1N ADN推力器典型稳态和脉冲曲线

4 结论

1) 研究了燃压压力传感器和阀口压力传感器在点火实验前后性能变化。结果表明，试车前后，压力传感器与燃压测试通道性能无明显变化，均满足实验精度要求，燃压数据可靠。

2) 针对与ADN基推进剂长期接触的材料，开展了1年的相容性实验。所得到的高低温浸泡实验和催化分解的实验结果可知，绝大部分材料达到一级标准。

3) 研究了ADN基推力器在实验程序完成后，稳态点火数据。明确了ADN基推力器在实验程序完成后，推力器的仍旧满足额定比冲，累计脉冲工作次数，最长连续工作时间等指标要求，同时验证得到催化剂具有良好的活性。

[1] 贾向华, 徐明.太阳同步回归轨道卫星的重访特性研究[J].兵器装备工程学报, 2017, 38(5): 159-163.

[2] 吉雯龙, 于小红.国外中继卫星系统发展与应用分析[J].四川兵工学报, 2014, 35(10): 118-120.

[3] 任晓雪,赵凤起,郑斌.ADN 推进剂的研究发展[J].飞航导弹，2008(12)：53-55.

[4] WINGBORG N, JOHANSSON M,BODIN L.Initial Development of a Laboratory Rocket Thruster for ADN-based Liquid Monopropellants[M].Swedish Defence Research Agency, 2006.

[5] POKRUPA N, ANFLO K, SVENSSON O.Spacecraft System Level Design with Regards to Incorporation of a New Green Propulsion System[R].AIAA Paper, 2011,6129.

[6] LANGE M, LEIN A, GOTZIG U, et al.Introduction of a high-performance ADN based monopropellant thruster on the Myriade propulsion subsystem[C]//International Conference on Recent Advances in Space Technologies.IEEE, 2013:549-553.

[7] LANGE M, HOLZWARTH M, SCHULTE G, et al.Feasibility study and performance assessment of a myriade propulsion module with an ADN based green monopropellant[C]//The 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE joint propulsion conference, Nashville.2010.

[8] 张伟, 沈岩, 姚兆普, 等.基于量子级联激光器的 ADN 基液体推力器稳态燃烧 CO 特征浓度的实验测量[J].中国科学 技术科学 (中文版), 2015, 45(1): 15-20.

[9] ZHANG T, LI G, YU Y, et al.Numerical simulation of ammonium dinitramide (ADN)-based non-toxic aerospace propellant decomposition and combustion in a monopropellant thruster[J].Energy Conversion and Management, 2014, 87: 965-974.

[10] ZHANG T, LI G, YU Y, et al.Effects of Catalytic Bed Thermal Characteristics on Liquid Monopropellant Decomposition and Combustion Characteristics within an Eco-Friendly Thruster Based on Ammonium Dinitramide[J].Combustion Science and Technology, 2016, 188(6): 910-923.

ResearchonKeyComponentsTestandIgnitionPerformanceofGreenHighPerformanceADNBasedThruster

CHEN Jun1,2,3， LI Guoxiu1， ZHANG Tao2,3， WANG Meng2,3

(1.School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University，Beijing 100044, China；2.Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China；3.Beijing Engineering Research Center of Efficient and Green Aerospace Propulsion Technology, Beijing 100190, China)

The key components thruster is investigated based on a new green high performance ADN-based thruster. The test of key components is carried out. The compatibility between ADN propellant and material is introduced. The state of the catalyst is verified under the test procedure. The activity of catalyst and the state of thruster after ignition are expounded. After then, a ground vacuum ignition test system is built. According to the requirements of the program, the long steady state and pulse ignition performance of ADN-based propellant and its performance are investigated. This provides a reference for the design and manufacture of subsequent thrusters.

ammonium dinitramide; component testing ; thruster; ignition performance

2017-09-26；

2017-10-15

陈君(1978—)，男，高级工程师，主要从事航天器推进系统研究。

10.11809/scbgxb2017.12.037

本文引用格式：陈君，李国岫，张涛，等.绿色高性能ADN基推力器关键组件测试及点火性能研究[J].兵器装备工程学报，2017(12):163-166.

formatCHEN Jun，LI Guoxiu，ZHANG Tao,et al.Research on Key Components Test and Ignition Performance of Green High Performance ADN Based Thruster[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):163-166.

V43;TJ768

A

2096-2304(2017)12-0163-04

(责任编辑唐定国)