双模式离子液体推进剂真空条件催化点火特性

方 杰，王 尊，严 浩，高 鹤，姚兆普，李水清

(1.北京控制工程研究所，北京 100190；2.北京市高效能及绿色宇航推进工程技术中心，北京 100190；3.清华大学 能源与动力工程系，北京 100084)

0 引言

多模式空间推进是指将使用共享推进剂的两种或多种推进模式，包括单组元和双组元化学推进、电热推进、电喷雾、电磁电推等，整合到一个推进系统中。由于使用同种推进剂，多模式推进将为航天器提供较高的灵活性和适应性，也会为相应的航天任务减小推进系统质量。其中，基于新型离子液体混合推进剂的双模式空间推进技术得到了广泛的关注。这项技术采用单组元化学推进模式实现空间推进系统的较大推力工作；通过电喷雾模式实现高比冲工作，推进剂的综合使用效率得到显著提高。

离子液体是一种熔融盐，阴阳离子处于游离状态，具有挥发性低、熔点低、液态范围宽、电化学窗口宽、导电与导热性良好、热稳定性高、不易燃易爆、可设计性强等优点。2010年，美国密苏里科技大学Rovey课题组的Donius对使用离子液体，结合了大推力化学推进和高比冲电推进的双模式推进系统的性能开展了分析和数值研究，指出离子液体燃料搭配HAN氧化剂组成的混合推进剂具有较好的化学推进性能，并且考虑到其可忽略的蒸气压特性，也适用于电喷雾推进技术，Rovey课题组随后对此开展了持续性的研究。

基于化学—电喷雾双模式推进技术对液体推进剂高密度、低熔点、低黏性、高表面张力的物理性质及高电导率和高分子质量的电化学性质的要求，Berg等在对咪唑基离子液体([Bmim][dca]、[Bmim][NO]和[Emim][EtSO])进行研究后，发现其理化特性不亚于肼和目前应用较为广泛的[Emim][Im]类电喷雾推进剂，将这些离子液体作为燃料与氧化性盐(如HAN)混合，有构成双模式离子液体推进剂的潜力。因此，Berg等合成了HAN与[Bmim][NO]、[Emim][EtSO]混合的推进剂，开展电喷雾和化学推进两种模式下的实验研究，主要包括在100 μm毛细管发射器中不同流动速率下的电喷雾实验；同时测试了HAN/[Emim][EtSO]在铂、铼、钛表面的催化分解特性；在加压链式燃烧器中对推进剂在不同压力下的线性燃烧速率特性进行了实验测定和评估；建立了一个微管模型，整合双模式推力器硬件装置，然后辅助设计了内径为0.4 mm的铂微管，在微管中对推进剂的分解特性进行了试验研究。

Froberg Aerospace LLC演示了一种使用共享推进剂(HAN/[Emim][EtSO]混合物，FAM—110A)的单组元推进剂—电喷雾推进系统(MEPS)，该系统有一组16×16的微通道阵列，每个微通道中嵌有一层催化剂，用作单组元推进剂推力器和毛细管电喷雾推力器，并能在二者之间切换。Berg和UIUC联合测试了MEPS的两种工作模式，在化学推进模式下推力器稳定的燃烧时间长达45 s，在电喷雾模式下工作4 h以上。文献[15]设计并测试了一种化学微推力器，同样使用FAM—110A推进剂。

北京控制工程研究所、清华大学和中国科学院大连化学物理研究所等单位在近些年也开展了双模式空间推进技术的相关研究。大连化学物理研究所制得了一系列咪唑基离子液体，与HAN混合形成新型离子液体推进剂，并对其理化性质进行了研究，其无毒特性也符合无毒推进技术研发的趋势；在电喷雾工作模式下，完成了电喷雾特性原理验证，对泰勒锥形成与转捩、液滴破碎雾化和带电微粒在电场中运动发展等过程进行系统性研究，成功研制了包含发射极、抽取极和加速极的多针电极阵列；在化学推进工作模式方面，进行了点滴着火试验，证明HAN/[Emim][EtSO]混合推进剂具有良好的催化分解燃烧性能，是一种有潜力的新型多任务模式离子液体推进剂。北京控制工程研究所联合清华大学利用热重分析—差示扫描量热法(TGA—DSC)研究了新型离子液体推进剂热分解和催化分解过程，同时联用傅里叶红外光谱(FTIR)分析仪对产生的气体进行了光谱分析；搭建一套催化点火装置，在大气环境下成功进行了催化点火，并研究了其催化点火特性；还研制了推力为0.2 N的模型发动机，进行了催化点火热试车，结果表明，新型离子液体推进剂可以在催化点火条件下实现稳定启动，在空间推进领域具有良好应用前景。

截至目前，国内外就双模式离子液体推进剂的筛选、合成及其理化性质的研究进行了相对系统的研究工作；对电喷雾工作模式和化学推进模式的可行性也进行了试验探索，但仍缺乏对空间发动机实际工况下推进剂连续流动、化学反应过程的深入研究，化学推进模式下推进剂的催化燃烧反应特性有待探索。

本文在之前工作基础上，将可光学观测催化点火模型发动机放置于真空舱内，开展双模式离子液体推进剂在真空环境下的反应特性实验研究，这对于深化双模式离子液体推进剂化学推进工作模式下物理机理的理解具有重要意义。

1 实验系统与方法

1.1 系统装置

整体系统的装置见图1。主体是一个直径200 mm、高560 mm的圆柱形真空舱，舱底侧边有一根管道和机械真空泵(TRP—12)相连，真空泵可以将舱内压强抽至低于20 Pa；舱内顶部法兰盘下面连接模型发动机，双模式离子液体推进剂([Emim][EtSO]、HAN和水的混合物)在模型发动机催化床中发生催化燃烧。上游的推注器控制注入推进剂的体积流量；法兰盘上有多个接线端子，舱外设备通过这些端子与舱内仪器连接。

图1 实验系统示意图Fig.1 Experimental setup

数据采集板卡(DAQM—4203)通过USB接口与电脑相连，另一端连接热电偶和压力传感器，采集记录实验过程中的温度和压强情况；真空舱有4个玻璃观测窗，在一侧配备了高速相机(Phantom，version 1840)，拍摄记录模型发动机的点火燃烧过程，还有两盏照明灯通过观测窗来补光；舱底通过压力传感器[XTEL—190(M) SERIES]测量记录舱内压强变化，同时在机械泵和真空舱连接管道中间装有一个真空规，可以直接显示压强大小；机械泵排气管出口处有烟气分析仪(Vario Plus)，对排出气体成分含量进行分析。

1.2 模型发动机

为方便观察催化床内催化点火的过程，设计了不带收缩段的石英材质催化床模型发动机如图2所示，电磁阀的开闭控制推进剂注入与否，推进剂经过喷注器流入石英催化床，可光学观测内部的反应情况；催化床装填催化剂颗粒，外部缠绕加热丝来对其进行预热；在催化床的4个不同位置插入K型热电偶，从上游到下游依次编号为TC1、TC2、TC3、TC4，测量4个位置的温度变化。

图2 可光学观测模型发动机Fig.2 Optically observable model thruster

1.3 实验方法

对于在真空舱中的催化点火实验，在搭建好实验系统后，开启真空泵，对模型发动机的催化床进行预热；到舱内压强低于20 Pa，预热温度稳定在170 ℃后，打开发动机的电磁阀，启动推注器，使推进剂以固定流量进入发动机；高速相机观察记录催化点火过程，电脑通过数据采集板卡获取热电偶和压力传感器测得的催化床温度和舱内压强数据，同时，在真空泵排气口用烟气分析仪在线测量产生的燃气成分和浓度。

一次点火实验完成后，停止推注器注入推进剂，转而通入空气，使残余的离子液体充分燃烧反应，然后通入N对催化剂表面可能吸附的O进行吹扫，之后再关闭电磁阀，结束本次实验。改变推注流量，重复上述过程，开展在不同工况下的实验研究。

2 结果与讨论

2.1 催化点火过程

高速相机透过观测窗，详细记录了双模式离子液体推进剂在各个流量下的催化点火过程，如图3所示。3 mL/min流量下推进剂完整的点火燃烧过程如图3 (c)所示，推进剂经过电磁阀和喷注器进入催化床后，与预热后的催化剂接触，变成沸腾的液泡并逐步渗入催化床，同时，在催化床下壁面会观察到一层液雾；推进剂流至催化床下游一定位置后，液泡边缘不再继续深入，前端呈现稳定的一条分界线，随后该位置出现燃烧发光现象，推进剂成功点燃，有少量烟雾悬浮在真空舱内；接着燃烧发光区域开始扩大，不断向上下游蔓延，逐步燃烧稳定。

在流量为1～4 mL/min时，其着火阶段现象类似，但催化床出现肉眼可见亮光的时间随流量增加会降低。在1 mL/min流量[见图3(a)]至4 mL/min流量[见图3(d)]下该时间分别为96.4 s、49.8 s、48.2 s和40.4 s，但是图3(d)中着火阶段会持续产生大量的烟雾，以至于遮挡观察窗口，同时，有少量推进剂液泡未被点燃而流过催化床到下游出口处；在燃烧阶段，可以看到推进剂并没有在整个催化床中剧烈燃烧，而是在催化床内某个位置形成一个主要着火区，然后向上下游扩散逐渐形成一个稳定的着火区，图3(a)和图3(b)中的主要着火区有一个明显的向上游传播的过程，图3(c)中着火区向上下游均有扩散，并且对比1～3 mL/min流量下稳定后的主要着火区，可以发现流量越大，区域会越宽。图3(d)中4 mL/min流量下着火后着火区也会扩散，向着火点下游扩散较多，亮度变亮，但期间仍然不断有烟雾产生，在95 s时亮度达到最大，之后视野逐渐变暗直至熄灭。

图3 各个流量下的点火燃烧过程Fig.3 Combustion process at various flow rates

2.2 温度和压强变化

催化床4个位置的热电偶和真空舱底部压力传感器在各个流量下测得的数据结果见图4。图4(a)中温度曲线体现出明显的热量传递过程，与图3(a)中主要着火区向上游传播的现象相符。4条温度曲线在达到最大值后都有一个缓慢下降的趋势，是因为主要着火区逐渐向上游传播后，推进剂几乎不能流到着火区下游来反应释热，而下游主要靠上游着火区的热量传递来维持一定的温度，缓慢趋于一个传热平衡的温度值。

图4(b)中TC3最先升温，从该位置开始着火，TC4处于主要着火区，温度也随之升高，然后主要着火区传播至TC2、TC1，相较于图4(a)，图4(b)中的主要着火区传播速度更快，并且稳定时温度更高，是因为增大流量使得相同时间内反应释放出的热量也更多。

图4(c)中TC3也是最先升温的位置，但其升温速率和达到的最高温度都比图4(b)中的大。TC3和TC4附近成为主要着火区且保持了较长时间。250 s后，TC2才出现温度显著上升的趋势，同时TC4略微下降，主要着火区继续向上游传播。此时停止进液，观察熄火过程，压强反应最灵敏，即刻大幅降低，而由于催化床内仍有残余推进剂，所以主要着火区继续向上传播，TC2继续上升后开始降低。TC1在进液停止后出现明显的热回浸现象，催化床下游热量向上游传递使得TC1温度出现迅速上升。

图4(d)是4 mL/min流量下的曲线图，开始时TC4有大幅上升，但其最高温度未超过1 000 ℃，随后开始下降，没能维持高温，相邻位置也没有出现升温趋势。

图4 各个流量下的温度压强曲线图Fig.4 Temperature and pressure curves at various flow rates

位于催化床最下游的TC4首先出现明显升温，说明在4 mL/min流量下，推进剂需流过较长的催化床床程才能发生明显的释热反应，但高温区并没有维持住，且上游测温点TC1～TC3也未出现温度抬升的情况，这说明4 mL/min流量下催化床床载较高，催化能力不足以催化分解流经的推进剂，催化反应不能自维持。同时根据图3(a)可以发现，在1 mL/min流量下也是在TC4位置最先出现温度迅速升温现象，这是因为小流量条件下初期反应释热较少，需经过时间累积才能达到一定的温度，因此也会流过较长的床程，然后才会发生明显的释热反应。

观察4幅曲线，在图中圆圈标记处，可以发现首先升温的催化床区域总会形成一个温度先升高再下降的现象。这是因为在着火位置，推进剂中的HAN组分首先发生分解反应、释放热量，导致催化床温度上升；然后在燃料组分与HAN分解的氧化性中间产物发生化学反应前对流换热，从而带走一定的热量使得温度有所降低。

2.3 产物分析

烟气分析仪在真空泵排气管处采集尾气并在线测量，结果如图5所示。由于排气管连接大气环境，所以初始氧气含量接近21%，其他几种气体几乎为0，在反应开始后产生的尾气逐渐排出排气管中的空气，使得氧气含量降低，反应结束时，空气又慢慢填充排气管，氧气含量恢复至大气水平。

点火阶段，推进剂中HAN组分首先分解，产生大量氧化性气体NO(其中以NO为主)，随后与燃料组分反应，将[Emim][EtSO] 中的C氧化为CO，导致CO浓度显著上升；随之S被氧化SO，燃料不完全分解产生的CH含量也逐渐上升，且SO含量变化趋势与NO相似，CH与CO趋势相似。

在催化燃烧反应完全发生后，NO急剧减少，浓度逼近0，CO随之下降后逐渐稳定，同时不完全燃烧产物CO的含量会上升。在图5(c)中3 mL/min流量下稳定燃烧的时间段内，CO、CO与CH的含量百分比为15% ∶16.8% ∶0.1%，其他几种气体的含量基本为0，表明催化燃烧稳定时，氧化性物质基本被完全消耗。

图5 各个流量下烟气分析结果Fig.5 Gas analysis results at various flow rates

3 结论

本文对真空环境下双模式离子液体推进剂在模型发动机中的化学推进模式进行了研究，在不同流量的工况下开展了催化点火实验，可以得到以下结论。

1)对推进剂催化点火的过程有了直观的认识，推进剂流至催化床一定深度位置后，才会逐渐出现可见的燃烧发光现象，着火区不断向上下游蔓延，逐步达到稳定，增大流量着火区会变宽，催化床出现亮光的时间变短；但增至4 mL/min流量下未能成功点火。

2)着火时，在着火点位置温度会迅速上升，升至最大后有所降低并趋于一个稳定值，然后与燃烧发光区类似，温度曲线也出现一个传递的过程，催化床着火点上、下游温度也随之上升，小流量时主要向上游传递，增大流量则也会出现向下游传递。

3)催化床中的推进剂反应特征过程，HAN组分首先分解，产生氧化性气体NO，然后与燃料组分反应，生成CO，同时产生SO和CH；待稳定燃烧后，氧化性物质基本被完全消耗掉，CO含量降至一个稳定值，而不完全燃烧产物CO含量则会有所增加。

在后续研究中，将设计带收缩喉部的模型发动机，进一步贴近空间发动机实际工况，采用更加精确的量化实验手段，研究离子液体推进剂在化学推进工作模式下的物理过程和工作特性。