超低冰点自燃推进剂性能分析与发动机试验验证

2019-12-24罗玉宏蒋榕培孙海云

载人航天 2019年6期

罗玉宏，蒋榕培，项锴，孙海云，方涛

(北京航天试验技术研究所，航天绿色推进剂研究与应用北京市重点实验室，北京100074)

1 引言

近年来，随着月球探测顺利开展，我国制定了更长远的深空探测计划，包括火星、小行星等深空探测任务，其中火星探测任务已逐步提上日程，计划将于2020年开展首次火星探测任务，2028年前后开展火星表面采样返回任务[1]。

低温、高真空的环境给深空探测带来许多技术上的难题，其中之一就是适用于深空探测的低冰点推进剂[2]。如火星表面环境严酷复杂，表面温度为-130～30℃，这对推进剂的长期低温和宽温域环境适用性提出了极高要求[3]。目前国内外使用的液体自燃推进剂的液态范围均无法满足使用要求，如无水肼为1.5～113.5℃，偏二甲肼为-57.2～63.1℃，甲基肼为-52.4～87.5℃，四氧化二氮为-11.2～21.1℃，绿色四氧化二氮MON-1为-12.1～18.0℃、MON-3为-13.6～18.0 ℃[4-5]。为了保障推进剂的正常工作，必须增加长周期热控保温设施，这给火星及深空探测用推进系统带来了极大挑战[6]。

国内外对低冰点自燃推进剂的研究主要以肼基燃料和混合氧氮化(MON)系列氧化剂组合为主。由于MON-25(冰点-55.2℃)和甲基肼(冰点-52.4℃)具有相似的低冰点特性，国内外针对MON-25与甲基肼(MMH)组合进行了系统研究。1999年，NASA和加州理工学院喷气推进剂实验室成功进行了MON-25/MMH低温环境温度下的发动机试验，在低温条件下并没有明显的点火延迟出现[7]。2001年，大西洋研究公司液体推进分部和NASA格林研究中心进行了10 N双组元发动机推进器试验，推进剂和发动机在-40～21℃条件下的试验都很成功[8-9]。为此，NASA拟采用MMH为燃料，MON-25为氧化剂，用作火星探测飞行器的推进剂；刘伟等[10]开展了MON-25/MMH低冰点试验发动机的研制；刘江强等[11]进行了MON-25/MMH低温环境下的发动机试验，结果表明发动机在-40℃的低温环境中能够顺利启动并进入稳态工作，具有较高的燃烧效率。综上所述，双组元自燃推进剂冰点可以降低到-55℃左右，但实际试车的最低温度在-40℃左右，更低温度的液体推进剂发动机试车未见报道。因此需要开发适用于深空探测的超低冰点自燃推进剂。

本文针对火星采样返回任务超低温工作环境对推进剂的要求，开展新型超低冰点(冰点≤-100℃)肼基燃料性能研究，完成发动机试车验证，为未来超低冰点推进剂在火星上升器动力系统的应用提供技术支持。

2 试验过程

2.1 配方设计与筛选

2.1.1 超低冰点燃料

在现用的肼基燃料基础上，通过引入含有NN、C-N键的高张力结构，设计了9种不同取代基团和空间构型的新型功能化合物。通过量化计算软件，对不同功能化合物的键能和生成热进行计算与分析，确定能量特性。通过分子动力学模拟软件，对功能化合物模拟体系的扩散系数和内聚能进行计算分析，确定降冰点特性。综合功能化合物的能量特性和降冰点特性，筛选出3种具备高热值、降冰点特性的目标功能化合物，采用合成逆设计技术和可控定向合成，成功制备出3种功能化合物，命名为JB-1、JB-2和JB-3。以肼基燃料和功能化合物为基础，利用功能化合物的降冰点效应和肼基燃料的自燃活性，通过模拟计算与试验测试确定最佳混配比例，制备出了3种超低冰点燃料(冰点均低于-100℃)，命名为DB-1、DB-2和 DB-3。

2.1.2 超低冰点氧化剂

以氧化剂N2O4为基础，通过加入不同量的NO，构成MON，可有效降低氧化剂冰点。本研究分别以自制的MON-25、MON-34为氧化剂，NO含量分别为 25%、34%。其中 MON-34的冰点为-107℃，沸点为-23℃。

2.2 性能测试

2.2.1 理化性能测试

利用分析仪器，对新型DB-X(1，2，3)系列燃料的冰点、沸点、密度、粘度等理化性能进行测试研究。

2.2.2 比冲性能计算

模拟发动机工作使用环境，选择MON-34作为氧化剂，采用内部开发热力比冲计算软件(基于最小自由能的方法建立的)，计算超低冰点燃料DB-X(1，2，3)系列与 MON-34的真空理论比冲，并与MON-25/MMH进行对比。发动机工作模拟条件：燃烧室压力为2.0 MPa；面积比为100。

2.2.3 自燃特性研究

由于MON-34的饱和蒸汽压较高而不易操作，选择MON-25为氧化剂，利用高速摄影仪和点滴试验装置，研究评价了 DB-X(1，2，3)系列与MON-25的着火性能。

2.3 试车验证

为了验证新型低冰点推进剂的燃烧性能，采用10 N发动机进行了地面热试车试验，发动机工作参数见表1，试验系统见图1。

表1 10 N发动机工作参数Table 1 10 N engine operating parameters

发动机试车过程的燃烧效率按式(1)计算。推力室工作时，实际特征速度C实测数据计算得到，理论特征速度由热力计算软件计算得到。

图1 试验系统图Fig.1 Test system diagram

式中：ηc为燃烧效率，C*为实际特征速度，为理论特征速度，为燃烧室压，At为面积比，qm为推进剂流量。

3 试验结果及分析

3.1 超低冰点肼基燃料性能

3.1.1 理化性能

DB-X(1，2，3)系列燃料基本理化性能测试结果见表2。结果表明，新型超低冰点燃料DB-X(1，2，3)具有很宽的液态范围，冰点均低至-100℃，沸点高于50℃，可满足深空探测超低温环境工作要求。

表2 超低冰点燃料DB系列的基本理化参数(20℃)Table 2 Basic physical and chemical properties of ultralow freezing point DB series fuels(20℃)

3.1.2 比冲性能

新型推进剂组合理论比冲计算结果如图2所示。结果可知，在混合比1.0～3.0区间，超低冰点燃料DB-X(1，2，3)系列的理论比冲随着氧燃比的增大而升高，其中新型推进剂组合的理论比冲大小顺序为MON-34/DB-3＞MON-34/DB-1＞MON-34/DB-2。根据试验测定新型燃料生成焓大小顺序为DB-3＞DB-1＞DB-2，比冲计算值大小顺序与其一致，说明比冲对比计算准确。在氧燃比大于2.6时，MON-34/DB-3理论比冲大于MON-25/MMH；在氧燃比大于2.8时，MON-34/DB-2理论比冲大于MON-25/MMH。在理论混合比为 3.0 时，MON-34/DB-X(1，2，3)的理论比冲分别为358.2 s、355.7 s和359.7 s，说明3种DB系列超低冰点燃料均具有较高的理论比冲性能。

图2 超低冰点燃料DB系列和MMH的理论比冲对比Fig.2 Theoretical specific impulse comparison of ultra-low freezing point DB series fuels and MMH

3.1.3 自燃特性

根据点滴试验结果(图3)可知，超低冰点燃料DB系列与氧化剂MON-25在常低温下均可自燃，常温着火延迟期为4～6 ms，-80℃(燃料)条件下为20～30 ms，说明DB系列超低冰点燃料与氧化剂具备较高的自燃活性。

图3 超低冰点双组元推进剂点滴试验Fig.3 Dropping test of ultra-low freezing point bipropellant

3.2 试验验证

3.2.1 常温地面热试车

为了验证 DB-1、DB-2的燃烧性能，选择MON-25为氧化剂进行常温热试车试验。试车程序以短稳态＋脉冲为主，发动机工作状态见图4，发动机典型工作曲线见图5～6，不同氧燃比条件下的燃烧效率见图7。

图4 MON-25/DB-X(X-1，2)组合的发动机工作状态Fig.4 Working status of engine for MON-25/DB-X(X-1，2)propellant combination

图5 MON-25/DB-X(X-1，2)组合的发动机稳态工作曲线Fig.5 Steady state operating curve of engine for MON-25/DB-X(X-1，2)propellant combination

从发动机试车结果可知，MON-25/DB-1、MON-25/DB-2推进剂组合在发动机点火试验中工作平稳，没有出现启动压力尖峰，燃烧室压力粗糙度小于0.7%，氧燃比在1.5～2.5，燃烧效率达0.91左右，与MON-25/MMH(＞0.9)接近。说明MON-25/DB-1、MON-25/DB-2推进剂组合与发动机匹配度高，且新型燃料DB-1、DB-2具有良好的燃烧性能。

为了验证DB-3的燃烧性能，选择MON-34为氧化剂进行常温热试车试验。试车程序以短稳态为主，发动机工作状态见图8，发动机典型工作曲线见图9，不同氧燃比条件下的燃烧效率见图10。

图6 MON-25/DB-X(X-1，2)组合的发动机脉冲工作曲线Fig.6 Pulse operating curve of engine for MON-25/DB-X(X-1，2)propellant combination

图7 MON-25/DB-X(X-1，2)组合在不同混合比下的燃烧效率Fig.7 Combustion efficiency of MON-25/DB-X(X-1，2)combination under different mixing ratios

图8 MON-34/DB-3组合的发动机工作状态Fig.8 Working status of engine for MON-34/DB-3 propellant combination

图9 MON-34/DB-3组合的发动机常温试车稳态典型工作曲线Fig.9 Steady state operating curve of engine for MON-34/DB-3 propellant combination

图10 MON-34/DB-3组合在不同混合比下的燃烧效率Fig.10 Combustion efficiency of MON-34/DB-3 combination under different mixing ratios

从发动机试车结果可知，MON-34/DB-3推进剂组合在10 N发动机点火试验中工作平稳，没有出现启动压力尖峰，燃烧室压力粗糙度小于0.8%，氧燃比在1.8～2.2范围时燃烧效率达0.91左右，与MON-25/MMH(＞0.9)接近。说明在常温环境中超低冰点燃料DB-3与超低冰点氧化剂MON-34可自燃，MON-34/DB-3组合与发动机匹配度高，且新型燃料DB-3在常温下具有良好的燃烧性能，具备了进一步开展低温试验的基础。

3.2.2 低温地面热试车

为了进一步验证DB-3的低温燃烧性能，选择MON-34为氧化剂进行了低温热试车试验。试验条件：燃料与氧化剂箱温均低至-60℃(测温点共9个，均匀分布在储箱内壁四周，推进剂在储箱中冷却12 h以上，保证推进剂温度与储箱温度一致)，燃料在发动机燃烧室入口温度低至-25℃，氧化剂在发动机燃烧室入口温度低至-30℃。试车程序以短稳态为主，发动机工作状态见图11，发动机工作曲线见图12，不同氧燃比条件下的燃烧效率见图13。

图11 MON-34/DB-3组合的发动机低温工作状态Fig.11 Low temperature working status of engine for MON-34/DB-3 propellant combination

图12 MON-34/DB-3组合的发动机低温试车稳态典型工作曲线Fig.12 Low temperature steady state operating curve of engine for MON-34/DB-3

图13 低温下MON-34/DB-3组合在不同混合比下的燃烧效率Fig.13 Low temperature combustion efficiency of MON-34/DB-3 under different mixing ratios

从发动机试车结果可知，超低冰点推进剂组合MON-34/DB-3在发动机点火试验中工作平稳，启动压力尖峰较小，燃烧室压力粗糙度小于6.8%，氧燃比在1.7～1.9范围时，燃烧效率达0.90左右，与MON-25/MMH(＞0.9)接近。说明在低温(10～-30℃)环境中超低冰点燃料DB-3与超低冰点氧化剂MON-34可自燃，MON-34/DB-3超低冰点推进剂组合与发动机匹配度高，且新型燃料DB-3在低温下具有良好的燃烧性能。