固体推进剂微推进器的研究进展

李和平,何建乐,梁导伦,刘建忠，蔚明辉

(1.浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室， 浙江 杭州 310027;2.华电电力科学研究院， 浙江 杭州 310030;3.杭州电子科技大学能源研究所， 浙江 杭州 310018)

随着航空航天技术的微型化发展，未来航天器的发展目标可能由很多飞行成编队的廉价、可靠和灵活的微型航天器(质量大约10 kg或更小)组成，而不是传统的单一的大型航天器。因为航天器体积和质量的减小，将大幅度减少其生命周期成本(包括制造加工、火箭运载和在轨运行成本)，提高能源利用效率和发射率，降低任务风险，并增加任务灵活性。对于微型航天器，各个部件和系统，包括推进器都需要微型化。微机电系统(MEMS)技术的发展和应用促进了最先进的微航天器的发展。

但系统微型化也面临着一些困难，微型系统对加工工艺提出了更高的要求。微小尺度表现出与常规尺度不同的特性，传统的理论不再适用。微型推进器较高的比表面积抑制点火，且导致燃烧熄火，但对单位体积能量的输出是非常有利的。

微型推进器是微推力系统的重要部件，主要作为能量驱动单元，为微型器件提供动力。微型推进器可以为微传感器提供驱动力，为微型火箭和微型航天器提供微推力，实现微型卫星高精度的方位保持、姿态控制、速度调整、重力补偿和轨道调整。根据微航天器的质量，固体推进剂微推进器可以得到0.6×10-3m/s到20 m/s的速度增量。加拿大约克大学YUSend实验室[1-3]把设计的微推进器阵列安装在YUSend-1纳米卫星上，为卫星提供微推力，以维持卫星在需要的轨道上工作运行。纳米卫星将被用于地球与空间科学及其他卫星的检测和地球的探索。微型推进器还可作为微型武器的主推力装置或弹道导弹的辅助推力装置，实现侧向运动和末速控制。

另外，微型推进器还可以提供其他形式的能量。例如，可用于微内燃机、微发动机、微燃料电池、微光电系统等。如美国加州大学的Dana Teasdale等[4-5]设计制造的微推进器，由内径3.2 mm的陶瓷燃烧室、火箭喷嘴、点火器和十二个热电元件组成。选用AP/HTPB作为推进剂，燃烧持续10 s，得到4×10-3N的峰值推力和2×10-2W的电能。

固体含能燃料的燃烧是一种从小体积获取高水平能量的简单方式。一个典型固体推进剂的能量密度大约是5 J/mm3，而典型的传统锂电池的能量密度只有0.5 J/mm3[10]。因此，固体推进剂特别适合作为微推进器的填充燃料，满足微推进系统必须能在很短的时间内迅速提供低推力和小冲量的要求。另外，固体微推进器不需要液体和气体推进剂微推进器所需的泵、阀和燃料管线等复杂的设备，整个系统结构简单紧凑。因为没有移动部件，摩擦损失小，推进剂泄露的可能性也比较低，利于整个系统的整合。可以通过设置微推进器的结构、尺寸，及推进剂种类、含量，获得需要的推力和冲量。

固体推进剂微推进器的工作原理是：通过燃烧，把储存在微燃烧室中推进剂的化学能转化为可用的微推力能源。主要的设计思想是基于三层面包夹心结构，通常包括三部分：微燃烧室、微喷嘴、微点火器。推进剂被装填在每个单独的密封燃烧室中。当点火器电阻通电后，推进剂被点燃，燃烧室内的压力增大，隔膜破裂，产生的高温高压流体通过渐缩渐扩喷嘴膨胀后，速度急剧增加，产生推力和冲量。

但单个固体化学微推进器是单发设备，不能重复产生推力。因此一般是在同一芯片上汇集多个独立的可寻址微推进器，即微推进器阵列来弥补这个缺陷。因为微推进器阵列由多个微推进器构成，即使出现单发失效，仍可以用其他微推进器的来替代，保证了微型器件的正常运行。把单个微推进器产生的脉冲称作“脉冲节”，微推进器阵列可以以“脉冲节”为单位，通过控制寻址电路，有序的开启特定的单个或多个微推进器，产生单个或多个“脉冲节”，得到设计的推力和冲量。这正是国内外文献中经常提及的“数字推进”[6-8]。每个“脉冲节”的大小取决于单发微推进器的形状尺寸及内部推进剂的种类含量。

1 国内外研究进展

固体推进剂微推进器由于微型化造成面积/体积比增大，推进剂在微燃烧室内的逗留时间和反应时间缩小，推进器微型化不再是简单的几何缩小，而可能有原理和工作方式上的根本变化。另外，还需要解决小体积器件内高温高压可能导致机械损伤等工程问题。因此，国内外从固体推进剂微推进器的设计加工、点火燃烧特性实验、推力冲量测试等方面开展了较全面的研究工作，并进行了建模仿真计算。以期在航空航天领域或军事领域的应用方面提供理论基础和技术保障。

1.1 微推进器结构类型

固体推进剂微推进器的构造主要有两种类型：一种是卧式结构，如图1、图2所示。通常有两到三层构成，其中燃烧室、喷嘴和点火器等主要部件集中在一层，使微加工深度保持一致。另外一到两层作为盖板，起密封作用。但点火器的布置方式不同：新加坡国立大学[9-10]和美国加州大学[11]直接将单根点火线安装在燃烧室靠近喷嘴处，日本九州大学[12]和法国图卢兹大学[13]将点火器附着在薄板或盖片上，利于传热，改善了点火性能。

图1 法国图卢兹大学卧式微推进器的结构尺寸[13]

图2 新加坡国立大学卧式微推进器的结构[10]

另外一种是立式结构，燃烧室、喷嘴、点火器等重要部件分别加工在不同的板上，再粘结成一体，如图3所示。较多的单位开展了相关的研究，结构大同小异，从上到下依次是：喷嘴层、点火层(包括点火器和引燃剂)、中间层、燃烧室层和密封层。其中点火器是附着有点火线圈的薄膜。点火器提供点火所需的能量，薄膜防止推进剂散落到外面，且为点火线圈提供结构支持及制造主推进剂燃烧所需的较高压力环境。韩国高等科学技术研究院[14-16]设计的点火线圈直接与推进剂接触，提高了点火器点火的可靠性。点火层和燃烧室层之间的中间层防止加热膜过早破裂，延长了引燃剂加热推进剂的时间。

由卧式和立式两种固体推进剂微推进器的结构特点，推断立式微推进器更适用于微推进器阵列的加工。首先分别在不同的层面上加工多个微喷嘴、点火器、燃烧室等，再把这几层粘结组装在一起，便得到立式微推进器阵列。韩国高等科学技术研究院的Jongkwang Lee等[14-16]给出了直观的实物图，见图4。

图3 韩国高等科学技术研究院微推进器结构图和微点火器[14-16]

图4 立式微推进器阵列组装前后的实物图[14-16]

1.2 微推进器点火装置

微点火器的热、电、机械特性决定了微推进器的推进性能[14]。加拿大的Kartheephan Sathiyanathan[1-3]使用传统的低成本的材料，如钛、印刷电路板，电阻点火导线，如镍铬合金。新加坡国立大学[9]用金/钛(Au/Ti)点火器取代金属丝点火器。发现：热阻丝点火器较Au/Ti点火器制微推进器质量较大，导致比冲量较低；因Au/Ti点火器是薄的点火器附着在玻璃层上，提升了燃烧稳定性。加州理工考虑到便于整合到火箭单元，用多晶硅电阻加热器[17]。而微推进器点火的可靠性和重复性、点火延迟时间、点火成功率、点火功率和点火能量，依赖于点火器的薄膜材料、电阻，依赖于推进剂的尺寸及不均匀性，点火器和推进剂的接触及点火器的供给电压、电功率、温度等[10,12-13]。点火方式的发展方向：更易于整合，更低的能量可以实现点火，及更加稳健的点火机理，以提高点火的效率[11]。

1.3 微推进器材料选择

微推进器面临严峻的机械和热问题[14]。微小燃烧室内推进剂要实现持续燃烧，需选用热传导率小的材料。且微燃烧室内高压高温的环境，要求燃烧室壁面的强度较大，以防止破裂。

材料一般选用硅、耐热玻璃、铜、铝、黄铜、碳素钢、不锈钢、氮化硅。但硅的热传导率高，增加了远红外辐射损失。硅材料还需要较厚的尺寸以承受高的压力。为了降低散热，用低热导率的陶瓷代替硅，但陶瓷质量较重，且难于加工[13]。氧化铝玻璃，热传导率低。光敏玻璃具有低热导率，低的整合、加工成本。

除了材料，燃烧室的厚度、形状也会影响推进剂是否持续燃烧及燃速大小。加州大学研究发现：椭圆形燃烧室的比表面积小于矩形的，减小了热损失，避免了矩形燃烧室带来的弯曲度和破裂[11]。可以预见，微燃烧室尺寸和材料的研究方向是：更小的燃烧室质量、体积和热传导率，同时高的强度。

1.4 微推进器用推进剂

微燃烧室尺寸的大幅度减小，导致热熄火、自由基熄火[10]。加上推进剂在微燃烧室内的停留时间明显缩短，使推进剂的成功点火和持续燃烧很难实现。因此，推进剂的性能是否稳定，直接影响微推进器的高效稳定运行。有必要研究不同推进剂在微推进器中的性能，以寻求适用于微推进器的推进剂配方。微推进器常用的固体推进剂有复合推进剂(如Al/AP/HTPB)，特殊的火药(如火药/高氯酸钾)、斯蒂芬酸铅，聚合物/硝酸铵等。

加州大学采用89%AP和HTPB组合燃料作为微火箭的推进剂，能量密度高，其中氧化剂的尺寸有200微米和20微米。AP的分解温度是420K，完全反应温度是520～620K。650K以下，AP的分解速率小于粘合剂的，因此，AP控制着整个点火燃烧过程，决定了反应速率。结果发现：如果氧化剂颗粒过大、且分散，气态氧化物和燃料在小尺寸燃烧室内很难混合以维持燃烧的放热过程。减小AP颗粒尺寸，或粗糙的和细致的AP颗粒混合，可以增加固体混合及预混火焰，提高燃烧性能[11]。

复合推进剂中添加铝颗粒可以提高燃速、火焰温度和比冲。但因为铝的燃烧温度较高，在微燃烧室内铝的停留时间小于化学反应时间，铝颗粒很难完全燃烧，且铝燃烧时，表面发生铝团聚，分离成300微米的液滴。液体团聚不遵循流线，因为两相流，导致气体的动能损失。它还会从高温产物里吸收能量，堵塞腐蚀喷管，改变喷嘴的尺寸，影响稳定燃烧。

Okada T等人研究硼/硝酸钾(NAB)中，添加硫氰酸钾/氯酸钾/硝化纤维(RK)的影响。发现：RK减少了点火能、点火延迟时间，减小了点火需要的能量[12]。加拿大的Kartheephan Sathiyanathan[1-3]研究的微推力器推进剂配方是GAP(聚叠氮缩水甘油醚)和AP(高氯酸铵)。GAP是一种含能粘合剂，具有低粘性、含能高、低敏感性、无毒的优点。与粘合剂HTPB相比，分解放出大量的热。

法国有人发现：双基推进剂的点火成功率仅为20%，要添加黑火药以增加点火成功率。但推力数据杂波大，因为推进剂的不均匀分布，及颗粒大小的影响[13]。新加坡国立大学[9]用配方：90%火药(75%硝酸钾，15%碳，10%硫磺)，6%AP，3%Al，1%Fe2O3。其中AP的作用是：降低点火温度，提高推进剂比推力。Al的作用：增加点火温度和比推力。Fe2O3作为燃烧催化剂。得到燃速高于HTPB/AP/Al推进剂。日本也有人发现：炸药由于具有高的点火敏感性，优于常规航空航天用推进剂[12]。

除了上述推进剂，美国加州理工大学[17]选用斯蒂芬酸铅产生10-4N·s的冲量，100瓦的能量。对比斯蒂芬酸铅、锆-高氯酸钾(ZPP)的性能发现：斯蒂芬酸铅只有气体喷出燃烧室，说明燃烧完全；ZPP是更敏感和高能的点火药，降低了点火能，但有颗粒喷出，斯蒂芬酸铅优于ZPP[14]。二硝基重氮酚(DDNP)是一种不含重金属的有机化合物,既具有猛炸药的威力,又具有良好的起爆药性能,同时具有良好的化学安定性[12]。球形结构解决了针状晶体颗粒难填充、敏感问题。

因为微燃烧室容积与推进剂的颗粒大小相当，接近文献中给出的火焰熄火极限直径1 mm[13]。因此，推进剂的选择尤为重要。另外，固体推进剂装填不均匀，都是引起微推进器产生推力振荡的原因。表1给出了常规尺度火箭发动机的典型推进剂配方，主要包括：氧化剂、粘合剂/燃料、塑化剂、固化剂、燃烧催化剂和粘结剂。一般还会添加增速剂或降速剂，调控推进剂反应速度。

常规燃料不适用于微火箭的原因：混合物结构不统一及炸药太多带来振荡。不仅是燃料的颗粒大小影响点火燃烧性能，氧化剂等的颗粒大小及各个组分的分散度、压力等也影响燃烧稳定性[12]。

以纳米尺寸的颗粒作为推进剂，并通过改变推进剂的装药密度，可获得更大的推力[19]。还可以在推进剂配方中加入添加剂，提升其点火燃烧性能。一般推进剂的燃点较高，因此通常在点火电阻和主推进剂之间填充一种低燃点的点火药作为引燃剂。一方面起加热主推进剂的作用，另一方面为主推进剂提供高压环境。推进剂的装填质量影响比冲量。应当设计合理的结构，提高装填质量和比冲量。

表1 常规尺度固体火箭发动机的典型推进剂配方[20]

1.5 微燃烧测试系统

微推进器设计的最终目标是：使化学能有效的转换成动能，以产生轴向推力。推力、总冲量、比冲是评价推进性能的重要指标。因微推进器尺寸的减小，使微燃烧的观测，及微推力、微冲量的测试与常规尺度存在较大差异，因此需要搭建专门的实验台。为了研究不同因素对微推进器点火燃烧特性和推力冲量的影响，进一步优化微推进器结构尺寸和推进剂配方，各个研究单位根据测试目的的不同，设计了不同类型的实验台。

新加坡国立大学的Kaili Zhang等[9-10]自行搭建了如图5所示的实验台，用以研究固体推进剂微推进器的特性。推力测量系统的主要仪器包括：高灵敏度石英压电传感器、电荷放大器和数据采集系统。其中，压电传感器安装在重平台上，减少了外界环境的干扰。数字直流电源为推进剂提供点火能。因为微航天器的运行环境是真空，为了模拟最真实的工作环境，实验台还增加了真空可视系统。包括：真空泵、真空计、波纹管阀。当微推进器工作，有推力产生时，传感器接收到压力信号产生PC为单位的电荷信号，放大器将很小的电荷信号转变成较大的电压信号。数据采集系统根据电压信号的强弱，换算得到推力。同时，高速数码摄像仪与视频采集系统相连，同步记录微燃烧现象。

图5 新加坡国立大学用实验台系统图[9-10]

加拿大约克大学YUSend实验室的Kartheephan Sathiyanathan等[1-3]搭建了吊篮式推力测试实验台，如图6所示。主要包括一个用四根电线吊起的吊篮，激光干涉仪和数码相机。微推力器安装在吊篮的一侧。数码相机记录整个点火燃烧过程，激光干涉仪测量推力引起的位置变化。吊篮由质量很轻的塑料制成，利于观察微推进器燃烧引起的最大可见偏转量。吊篮被放置在密闭空间里，减少外界的干扰。

图6 加拿大约克大学用推力测试实验台[1-3]

法国图卢兹大学LAAS-CNRS的C.Rossi等[21-22]用一个悬浮在空气环境中的单摆测得微推进器产生的脉冲推力，实验台如图7所示。包括一个薄且硬(100 μm厚)的单摆，它可以围绕枢轴点自由转动。底部安装有印刷电路版的微推力器被放置在单摆的底端。在单摆的另一侧，与微推进器正对的位置，安装有线圈。线圈浸没在永久磁铁产生的磁感应场中，产生与微推进器推力相反的力，以使单摆固定在垂直的位置。位移传感器由高频变送器(磁铁)和高频接收器(铜板)组成。控制磁铁和铜板之间的距离可调节高频信号的幅度。位置控制回路由PID电路完成。实验台被固定在一个大理石台面上，以尽量减小测试过程中的振动干扰。当有推力产生时，单摆绕枢轴点转动。位移传感器供给电压给电子控制系统，线圈中的电流增大，产生复原力，直到单摆到达参考位置。复原力正比于线圈中的电流，因此通过测试线圈中的电流便可得到平衡力，即微推进器产生的推力。另外，数码相机记录燃烧过程，测得燃速。

图7 法国图卢兹大学用实验台示意图和实物图[21-22]

新加坡国立大学[9-10]和韩国高等科学技术研究院[14-16]用压电传感器通过压力信号和电信号的转换，实时测量推力，简单精确。冲击摆是一种将待测冲量转化为摆动角度的测量装置。法国图卢兹大学LAAS-CNRS[21-22]、日本九州大学[12]、美国加州理工大学[17]、美国加州大学[4-5，11]和南京理工大学等单位分别将单摆与线圈、激光位移计或激光干涉仪、压电传感器等联用，间接测量推力冲量。但实验中无法避免单摆转动过程中因摩擦或外界空气阻力及重力作用引起的误差，所得结果不精确。加拿大约克大学YUSend实验室[1-3]搭建的吊篮式实验台是通过吊篮位移的变化，间接得到微推力。与冲击摆存在的问题一样，间接测量误差较大。综合比较，压电式测试系统更适用于微推力的测量。因所测推力在毫牛级，需要选用高灵敏度的压电传感器。

2 含硼推进剂用于微推进器的初步研究

尽管常规尺度固体化学推进器的研究已经较普遍，但是相关实验和理论并不适用于微型设备。因为微推进器燃烧室的尺寸一般在毫米或亚毫米级，由于较大的比表面积引起严重的散热损失，其内部的燃料难以点燃，且易发生不稳定燃烧和熄火等现象[23-24]。与常规尺度比，微燃烧室中燃料的驻留时间短、层流特征明显、黏性力和摩擦力大等微通道效应显著[25-26]；有关尺寸减小，绝热壁面的假设也不再成立。另外，因为设备尺寸的减小，火焰尺寸与燃烧室尺寸相当，且燃烧时间短，很难实现燃尽。因此如何实现微推进器中燃料的顺利点火和高效燃烧尤为重要。

硼具有较高的质量热值和体积热值，且硼的燃烧产物洁净、分散性好，可以显著减小二相流损失，提高喷射效率[27]，使硼富燃料推进剂成为固体火箭冲压发动机的首选燃料。高氯酸铵是推进剂的主要添加剂之一，作为强氧化剂易于分解产生大量的氧气。我们前期的研究选取无定形硼(B)和高氯酸铵(AP)混合制备的含硼推进剂作为研究对象，验证它用于微推进器的性能。我们分析了B/AP质量比分别为1/3，1/2，1/1，2/1，3/1，4/1，5/1的含硼推进剂的火焰形貌和点火燃烧特性参数发现，氧/燃比为 1 的含硼推进剂在微细圆管中的燃烧剧烈且稳定，符合微火箭推进系统对推力和动力高效且稳定产生的要求[30-31]。含硼推进剂在内径5 mm，壁厚1 mm，长度50 mm，上端孔径1.5 mm的石英玻璃微燃烧器中的实验结果显示，当B/AP质量比为4/6时，其推力、冲量及比冲同时达到最大，推力达81.2 mN，最大冲量达0.465 N·s，最大比冲达39.99 s[32-33]。

硼表面覆盖着一层B2O3氧化膜，阻碍了外界氧化剂与硼颗粒的直接接触和反应。在硼被点燃时，B2O3氧化膜呈熔融态，需要很高的温度才能实现快速蒸发[28]。且硼的熔点和沸点较高，使硼存在点火温度高、点火延迟时间长、燃烧效率低等点火和燃烧性能差的问题[29]。因此，如何实现微小尺度环境下含硼推进剂的成功、快速点火和持续、稳定、剧烈、高效燃烧，是亟待解决的问题。我们研究发现：草酸是一种有机酸，可以溶解硼颗粒表面的氧化膜，且分解产生的气体利于氧化膜的消耗，可以有效改善硼的点火燃烧特性[34,35]。实验结果显示：草酸可以有效地缩短硼的点火延迟时间，提高硼的燃烧效率，改善硼的点火性能和燃烧效率。下一步工作应合理控制草酸的添加量，使草酸发挥提升硼点火性能和燃烧效率的同时，减小草酸对含硼推进剂燃速和燃烧强度的不利影响。以实现含硼推进剂在微细圆管中更加快速点火和更高效、剧烈、稳定燃烧。因此，为了获得适用于微推进器的含硼推进剂的改进配方，可以选用草酸、氢化锂等作为添加剂，或使用包覆工艺改善硼的性能[36-37]。

评价微推进器中燃料的性能指标包括：点火过程中的点火延迟时间、点火成功率、点火功率等，燃烧过程中的火焰形貌、燃速、燃烧剧烈程度等及推力冲量的大小和稳定性。进行含硼推进剂用于微推进器的研究，应当对以上参数进行实验和评价。我们将在前期工作的基础上，搭建一套集点火控制、燃烧和推进性能诊断于一体的激光点火测试系统；研究含硼推进剂自身理化特性和微尺度环境因素对微推进器性能的影响；寻求适用于微推进器的含硼推进剂配方，获得该配方作为微推进器能量单元的性能规律及其在微推进器中快速点火和持续稳定高效燃烧的方法。为微推进器燃料配方的设计提供指导。

3 结论

本文从微推进器结构类型、点火装置、材料选择、推进剂配方、测试系统等方面进行了综述，认为有关研究应当从以下几个方面着手。

1) 微推进器的尺寸在微米、毫米级，微加工工艺精度是制约其发展的主要因素。

2) 为了得到需要的推力、冲量等参数，应当合理设置点火器、喷嘴、燃烧室、密封盖等组成部分的材料、结构和尺寸及推进剂配方。

3) 微推进器阵列结构可以避免固体推进剂微推进器单发的缺陷。为了有效控制微推进器阵列的单元有序启停，获得所需要的推力、冲量，研究的重点应该是寻址电路的设计。

4) 因为尺度的减小，用于温度、压力等测量的常规仪器设备，无法直接应用于微推进器，因此提高微燃烧的观测，及微推力、微冲量的测试精确度是非常重要的。

5) 微推进器用于微航天器，处于真空环境，实验室里应用研究的关键必须是真实的模拟太空环境。

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