1N ADN基推力器瞬态启动性能试验研究

张 伟， 王 梦， 陈 阳， 付拓取， 刘旭辉， 杨 蕊， 姚兆普*

1. 中国空间技术研究院, 北京 100094 2. 北京控制工程研究所, 北京 100090

0 引 言

单组元推进技术因其结构简单、可靠性高、成本低等特点[1]，在小卫星推进系统中广泛应用.在单组元类推进系统中无水肼推进剂应用最为广泛，但因其具有很高的毒性，使得制备、贮存、转运、加注等工作比较复杂，增加了使用和维护的成本.二硝酰胺铵(ammonium dinitramide，ADN)推进技术作为一种新兴的绿色无毒推进技术，以其高性能、低风险、可存贮等优点[2]，已在国内外卫星推进系统中多次得到应用，被视为未来肼推进的良好替代品之一.

ADN最早于1971年由苏联研制成功并作为固体推进剂应用在武器的推进系统中.由于ADN具有良好的水溶性和较强的氧化性，ADN可以与甲醇、乙醇等水溶性燃料以及水组成三元混合推进剂.最早的ADN基推进剂于1994年由瑞典人研制成功，代号为LMP-101，由61%ADN、26%水和13%丙三醇组合而成[3].随后瑞典防务局(FOI)研发并测试了能够满足多种使用需求的FLP系列ADN基液体推进剂，该系列推进剂的主要成分为ADN、甲基甲酰胺和水.

国内最早研究ADN是基于固体形态的推进剂，主要研究其热分解及其燃烧反应特性.对于ADN基液体推进剂的研究，北京控制工程研究所对其理化特性和燃烧反应特性作了大量的基础工作，主要包括ADN基推进剂蒸发及热分解特性测量、瞬态燃烧温度及CO、N2O组分浓度的实时测量等方面的工作，为ADN基液体推进的工程应用提供了数据支撑.中国科学院大连化学物理所在ADN基液体推进剂与催化剂的匹配方面也作了大量的试验研究工作.

在ADN基液体推进剂工程应用方面，2010年瑞典首次在“棱镜”卫星系统上对1N ADN 基推力器进行在轨技术演示验证.2016年至2017年底，美国Planet Labs 公司发射的SkySat(天空卫星)星座中12颗卫星均采用了瑞典 ECAPS公司研制的1N ADN基推进系统，用于卫星轨道机动和姿态调整[4].

2016年，由北京控制工程研究所研制的1N ADN基推力器搭载卫星完成了首次飞行验证试验，经在轨试验证明，在额定工作压力下，1N ADN基推力器稳态工况下，实际推力为1.03N，工作比冲210.2 s[5].目前，改进后的1N ADN基推力器产品通过了长寿命验证，已达到20万次脉冲寿命，可满足型号使用要求.2021年，该产品将交付于30多颗卫星使用.

1N ADN基推力器作为一种新型产品，其在轨使用经验相对较少，有必要对其特性规律进行详细分析.本文针对1N ADN基推力器瞬态启动性能进行试验研究，获取不同条件下1N ADN基推力器的开机加速性t90指标，为未来推力器在轨使用提供参考.

1 实验对象及工作原理

1N ADN基推力器由电磁阀、喷注器、催化床、燃烧室、喷管及温控装置组成[5].与传统的1N无水肼推力器不同，1N ADN基推力器在催化床下游增加了燃烧室，目的是促进ADN基推进剂能够进一步反应.其工作过程为：当推力器工作时，电磁阀接到激励信号，阀口打开，ADN基推进剂流入喷注器，经过雾化，喷入到催化床前端开始部分预蒸发，同时ADN基推进剂与预热后的催化剂接触后开始热分解反应，产生N2、NH3、H2O、NO、N2O、NO2等，并放出大量热量，这些中间产物中以强氧化性的小分子产物为主，在到达燃烧室后与ADN基推进剂中所包含的燃料甲醇进一步掺混燃烧，生成H2O、CO2，进一步放出大量反应热.这些高温高压的最终反应产物通过喷管，最后高温高压气体经喷管排出，产生推力[7-8].图1是1N ADN推力器外形示意图.

图1 1N ADN基推力器外型示意图Fig.1 Schematic of the 1N ADN-based thruster

开机加速性t90是衡量推力器启动快慢的一个重要参数，通常以电磁阀收到启动指令到室压(推力)增长到稳定压力值(推力)的90%所需要的时间来表征[9].t90数值小意味着响应快速、延迟低，是推力器瞬态性能的重要指标.

试验过程中t90的计算如公式(1)所示，取值为从推力器启动起到推力器燃烧室压力瞬时值pi是达到稳定压力平均值的0.9倍时的时间.

(1)

图2 1N ADN基推力器t90Fig.2 The definition of the 1N ADN-based thruster t90

2 1N ADN基推力器热试车试验系统

实验系统主要分为4部分：1N ADN 基推力器、推进剂供给系统、测量系统、高空环境模拟设备.实验系统图如3示.

图3 试验系统示意图Fig.3 Schematic of the experiment system

1N ADN基实验推力器安装在高空环境模拟设备内的推力架上，推力架可用来测量实验推力器推力推力架响应频率100 Hz.推力器上布有测温热偶，用于测量推力器催化床温度，同时试验推力器装有测压管并与压力传感器相连接，用于测量燃烧室压力，压力传感器响应时间小于1 ms.实验推力器与推进剂供给系统连接，ADN基推进剂在高压氮气的挤压下，从贮罐中经过滤后，通过阀门、流量计、过滤器到达推力器入口[10].实验推力器的电磁阀、加热装置、压力传感器、测温热偶通过穿舱接口与外部的控制采集模块连接.推力器入口的压力传感器用来测量推力器的喷注压力，流量计、电子称用于测量和计算推进剂的流量.测量系统采集频率为10 kHz.

3 试验结果及分析

3.1 催化床预热温度对t90的影响

为了提高1N ADN基推力器的寿命和性能，推力器采用温启动方式工作，即在1N ADN基推力器在点火前，需要对催化剂进行预热，以提高催化剂活性，保证推力器安全稳定工作.为研究预热温度对推力器瞬态启动性能的影响，对不同预热温度下推力器热试车试验燃烧压力进行分析，通过计算获得不同预热温度下推力器t90.试验过程预热温度变化区间为200～600℃，每组实验重复2次.图4(a)是喷注压力为1.1 MPa时，不同催化床预热温度下，1N ADN基推力器稳态点火时燃烧室压力曲线，图4(b)是图(a)推力器稳态点火时0～1 s燃烧室内压力曲线.

图4 不同预热温度下，1N ADN基推力器燃烧压力曲线Fig.4 Combustion pressure of 1N ADN-based thruster under different preheating temperature

图5是喷注压力为1.1 MPa下，1N ADN基推力器10 s稳态点火时，不同预热温度下推力器t90统计结果.在温度200～450℃范围内，随着预热温度的升高，推力器的t90不断降低，当温度超过450℃时，推力器的t90又开始上升.这是因为，在一定预热温度范围内，预热温度的提高，促进了ADN基推进剂的催化分解及燃烧反应，推力器t90变小.但当催化床预热温度过高时，意味着向推力器上游喷注器传递热量变多，ADN基推进剂在运输通道内出现相变产生气泡[11]，迟滞了推进剂输送至催化床的时间，减缓了推进剂的催化分解，推力器t90变大.

图5 不同预热温度下1N ADN基推力器t90Fig.5 1N ADN-based thruster t90 under different preheating temperature

3.2 喷注压力对t90影响

在轨工作时，单组元推进系统一般采用落压式工作方式，随着推进剂的减少，推力器喷注压力也随之降低.1N ADN基推力器工作压力设计指标为1.7 MPa～0.5 MPa.为研究喷注压力对1N ADN基推力器瞬态启动性能的影响，分别对1.7 MPa、1.4 MPa、1.2 MPa、0.9 MPa喷注压力下，推力器预热温度为350℃时，10 s稳态点火压力数据进行分析，获得推力器t90结果.图6是不同喷注压力下，1N ADN基推力器稳态点火时燃烧室压力曲线.图7是不同喷注压力下，1N ADN基推力器稳态点火时，t90统计结果.

实验结果显示，随着喷注压力下降，推力器t90不断变大.随着喷注压力的下降，引起推进剂质量流量相应减少，产生燃烧温度相应降低，进一步减弱了推进剂的催化分解与燃烧过程，推力器的瞬态启动性能降低.

3.3 推力器寿命初末期对t90影响

催化剂对ADN基推力器的性能起着关键作用，催化剂的活性影响推力器的开机加速性、推力稳定性、工作安全性等.当前1N ADN基推力器工作脉冲次数设计指标为10万次.为研究寿命初末期推力器瞬态启动性能，本文对1N ADN基推力器工作初期及10万次脉冲工作后的10s稳态点火的试验数据进行了对比.图8是1N ADN基推力器寿命初期与10万次脉冲工作后的推力曲线对比，经历10万次脉冲工作后，推力器的平均推力下降，推力波动较大.图9是1N ADN基推力器寿命初期与启动10万次后的t90对比.图中显示的是相邻的三次同等条件下(预热温度300℃、喷注压力1.2 MPa、稳态点火10 s)点火时推力器的t90，结果显示在寿命末期，推力器的t90变大，同一实验条件下t90一致性较差，推力器的启动加速性变差.

图6 不同喷注压力下，1N ADN基推力器0～1 s内燃烧压力曲线Fig.6 Combustion pressure of 1N ADN-based thruster under different injection pressure

图7 不同喷注压力下1N ADN基推力器t90Fig.7 1N ADN-based thruster t90under different injection pressure

3.4 推进剂贮存时间对t90影响

1N ADN基推力器要求在轨寿命为5年，因ADN基推进剂是一种混合推进剂，长时间的贮存可能会影响推力器的性能.本文对地面存贮了4年的ADN基推进剂进行点火试验，以验证推进剂贮存时间对推力器工作的影响.推进剂存放条件为室温，避光密闭贮存.图10是在喷注压力1.2 MPa，预热温度300℃时，2台加注不同推进剂的1N ADN基推力器10 s稳态点火的推力曲线对比图.

图8 1N ADN基推力器寿命初、末期推力曲线对比Fig.8 Thrust comparison of the thruster initial and final lifetime

图9 1N ADN基推力器寿命初、末期，t90对比Fig.9 t90comparison of the thruster initial and final lifetime

图10 不同推进剂贮存条件下1N ADN基推力器推力曲线对比Fig.10 1 N ADN-based thrust comparison of the thruster under different propellant storage time conditions

表1是不同贮存时间下，推力器点火试验稳态推力平均值及t90统计.可以看出，存贮时间对推力器瞬态启动性能影响不大.

表1 不同推进剂贮存条件下1N ADN基推力器推力推力及t90Tab.1 The thruster and t90under different propellant storage time conditions

4 结 论

本文以1N ADN基推力器为研究对象，以星载ADN基液体推进剂为工质，对1N ADN基推力器的瞬态启动性能进行了试验研究.在一定温度范围内，提高催化床预热温度有助于提升1N ADN基推力器的瞬态启动性能，当启动温度超过450℃左右，推力器瞬态启动性能降低；1N ADN基推力器瞬态启动性能随着喷注压力的降低而下降；推力器温启动次数会影响推力器的瞬态启动性能，随着温启动次数的累加，瞬态启动性能降低.与推力器寿命初期的推力相比，寿命末期相同工况下，推力器推力下降且不稳定；试验研究表明，地面存贮4年的推进剂对推力器的瞬态启动性及推力稳定性影响不大.本文可对未来1N ADN基推力器的在轨使用提供参考.