硝酸羟胺基推进系统研究与应用进展

陈 君,张 涛,刘瀛龙

(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研究中心， 北京 100190)

伴随着武器装备技术和载人航天技术发展的不断深入，高可靠性、高性能和无毒化的推进系统一直是各国专家研究的重点。目前高性能无毒推进剂主要包括二硝酰胺铵(ADN)和硝酸羟胺(HAN)[1-3]。21世纪初，北京控制工程研究所就开始进行了基于高性能绿色无毒推进剂ADN和HAN的快速响应平台推进系统的研究工作，积累了丰富的研制经验。2016年12月，北京控制工程研究所研制的ADN基推进系统成功随实践十七号卫星进行了我国首次无毒推进系统的在轨验证，并达到国际一流水平，部分性能处于国际领先[4]。而另一种HAN基推进剂最大的特色是常温启动，并同时具有绿色无毒、稳定性好、冰点低、比冲高等优点，这就大幅提高了武器系统的环境适应性。目前，美国、日本和中国等国家相继开展了HAN基推进剂的基础研究和推进系统地面点火的测试工作，也是目前认为有望取代肼类推进剂的一种新型推进剂[5,6]。

基于前期的大量研究论证工作，HAN基单组元推进技术的应用将有利于适应小型快速响应平台和低成本发展的需求，为提高我国武器装备的战略机动性，实现部署、行动的快速化提供技术支撑。同时，亦可大幅提高战略战术导弹弹头、运载火箭上面级、临近空间飞行器等武器装备性能和工作的可靠性。

1 HAN基推进剂概述

20世纪60年代以来，肼一直是运载和武器装备推进系统中占主导地位的单组元液体推进剂。由于肼具有比冲低、易燃易爆、毒性大等缺点，因此，寻求更先进的替代燃料一直是业界的奋斗目标。HAN是一种固体燃料，最早应用于鱼雷，化学式为NH2OH·HNO3，分子量为96，属于羟胺的硝酸盐。之后研究人员发现其具有较高的吸湿性和溶解性，在添加一定燃料后，性能将会获得大幅提升，同时绝热火焰燃烧温度也将逐渐降低[7-8]。随着研究的深入，应运而生了多种型号的推进剂，其中包括LP1845、LP1846、AF-315E和SHP163等。图1为HAN推进剂的分子结构[9]。

2 HAN基推进系统内分解和燃烧过程研究现状

2.1 HAN基推进剂理化特性研究现状

米向超等[10]介绍了HAN晶体溶于水形成HAN水溶液，无味且无有毒蒸汽产生。陈红霞[11]总结了HAN基推进剂具有冰点低，密度高等优点。史良煜[12]通过热重分析法，研究了不同升温速率下，HAN基液体推进剂的吸放热特性，同时通过理论计算获得了推进剂热分解反应过程的活化能，并指出高温热源对推进剂的热稳定性影响较大。表1为不同推进剂理化特性和性能[13]。可以看出，HAN基推进剂表现出了良好的性能。具体表现为无毒、冰点低和密度比冲高等优点。

表1 不同推进剂的性能参数

2.2 HAN基推进剂电点火和催化点火研究现状

考虑到目前HAN基推进剂含水量较高，对其点火性能存在着较大影响。HAN推进剂通过电点火的方式测得了分解产物为NH2OH，HNO3，HONO，HNO，N2O，N2，NO，NO2，H2O，H2(g)和O2(g)，学者们得到了一个理论预测模型[14-16]，其可以有效预测物质组分的生成和消耗。Koh等[17]通过理论模型，探讨了推进剂中的水含量和电压对推进剂分解特性的影响规律。同时得到HAN浓度的变化对于铜导线加热的影响较小。当加热电压为300 W时，将有效缩短分解反应所需的时间。当电压超过300 W时，对于HAN分解反应效率的影响较小。Wu等[18]采用电压为45 V使微推力器点火成功，并产生200 mN的推力。同时，区别于传统的火花塞点火方式，刘焜等[19]提出了一种无弧点火的方式，并基于单液滴进行了点火研究，得到了液滴经历的预热、分解和燃烧三个阶段的特征现象。

而通过催化方式实现点火依然是目前所采用的具有较高可靠性和稳定性的方法。对于催化特性的研究，主要是集中于催化分解效率、反应特征组分的获取，以及对催化分解和燃烧反应路径的探讨。Amrousse等[20]研究得到当水完全蒸发后，HAN推进剂开始分解。HAN95%推进剂在152°开始分解，且HAN的热分解过程的放热峰值要高于ADN的放热峰值。催化剂的添加有利于HAN推进剂在更低的温度下分解。同时，他们研究得到IR催化剂可以有效催化HAN分解过程，由于高温的影响，催化剂逐渐失效。同时点火延迟，燃烧室压力和催化床温度变化对于HAN分解效率具有较好的预测效果[21]。LEE等[22]通过FTIR方法得到HAN/水热分解产物为H2O，N2O，NO，NO2和HNO3。Chang等[23]介绍了两种HAN基混合推进剂的火焰传播速率，并测量了反应区温度。Kappenstein等[15]证明了HAN/水可能在40°开始分解，同时得到在纯HAN条件下，催化剂可提升HAN的分解速率。Amariei等[25]通过对比分析ADN、HNF和HAN的点火性能发现，HAN基推进剂具有较高的催化分解效率，能够在100°条件下开始分解反应。Oommen等[26]通过实验证明，采用高性能催化剂可以实现在水未完全蒸发的条件下，HAN基推进剂就开始分解。如图2所示，学者们总结出了HAN的分解路径，但是对于燃料的加入(如甲醇)，也只是提出了两步的总包机理(3N2O+CH3OH=2H2O+CO2+3N2，6HNO3+5CH3OH=13H2O+5CO2+3N2)。因此，对于HAN基混合推进剂的研究，仍将是今后研究的一个热点[27]。

3 HAN基推进系统的研究现状

3.1 基于LP系列推进剂的HAN基推进系统

LP系列推进剂主要是由硝酸羟胺及其水溶液，并添加燃料和稳定剂配置而成，这一系列推进剂包含多个配方，相关的学者对其进行了大量的研究测试工作。其中，代号XM45(LGP1845)和XM46(LGP1846)是当前美国军方大力发展的两种类型的推进剂，他们都是由HAN，TEAN(硝酸铵)和水组成，具体配比如表2所示[28]。研究主要侧重于四个方面，首先是燃烧过程的影响因素分析和火焰结构的特征分析[29-30]，其次是HAN基推进剂在分解过程中物质组分的获取和定量分析[31]，之后是火焰燃烧速率的影响分析[32]。通过研究发现此类推进剂在反应后，会存在大量积碳，不利于推力器燃烧的稳定性[33]。最后进行了点火测试，并获得成功，考校了推力器的稳态和脉冲性能[34]。

表2 典型LP系列推进剂组分质量分数

3.2 基于AF-315E推进剂的HAN基推进系统

从2001年开始，美国空军实验室AFRL就开始AF-315E推进剂的研究，到2011年，推力器达到TRL5级，并实现了11.5小时的点火验证实验[35]，其主要配方是由44.5%HAN+44.5%HEHN+11%H2O组成，其比冲比肼提高12%，并具有低冰点的特点，摆脱了肼推进剂需要持续加热的需求。GPIM系统目前采用4台1N和1台22N级HAN基推力器分别作为姿控和轨控，并通过真空实验获得了不同箱压下的推力值。所获得的推力器关键特性参数值如表3所示。

表3 1N和22N推力器性能参数

AF-315系列单元推进剂是肼类单元推进剂最主要的替代品，在弹道导弹、战略导弹、空间飞行器以及液体发射药火炮中应用广泛，是一种新型的高性能单元液体推进剂，具有非常广阔的应用前景。基于此种推进剂，开展了多型号的发动机测试实验。它的比冲达到257 s。目前美国基于绿色推进剂飞行演示任务(Green Propellant Infusion Mission-GPIM)已经建立了1N和5N级HAN基推进系统。Shchetkovskiy等[36]基于AF-315E推进剂，对22N和5N发动机进行了点火测试，均获得成功。Reed等[37]详细阐述了HAN基推进剂的发展历史，同时展示了HAN269MEO推进剂理论比冲为269 s，通过点火实验测得为250 s，燃烧效率为93%以上。Tsay等[38]成功实现了0.5N级HAN基推力器的点火测试。结果表明，推力效率为89%～93%，喷管效率大于94%，比冲为210～220 s之间。目前AF-315E表现出了优良的性能，并将其应用于多种型号任务中，如表4所示[39]。

表4 基于AF-315E推进系统的型号和取代的系统

3.3 基于SHP-163系列推进剂的HAN基推进系统

日本JAXA也开展了HAN基推进剂的相关研究[39-41]。新型的HAN推进剂主要包括两种，其中之一称为SHP，是由HAN/AN/Methanol/H2O组成，另外一种包括HAN/HN/TEAN/H2O组成[43]。其中SHP163(163指的是包含质量分数为16.3的甲醇)是目前研究的重点，理论比冲为276 s，密度为1.4 g/cm3，推力为1N级。2016年，日本JAXA在创新技术研究课题的支持下，计划发射基于HAN基推进系统的小卫星。

学者们针对推力器点火本身以及所涉及的关键基础问题进行了探讨。对20 N推力器进行了地面真空点火测试，并开展了催化床初始温度以及入口质量流量等对推力器性能的影响研究[43]。Amrousse等[44]基于DTA-TG和DSC分析方法，获得了HAN分解的关键路径。同时通过电点火方式，明确了HAN基推进剂的火焰传播特性和结构特性，并通过地面点火实验，获得了Ir-CuO催化剂性能优于shell-405催化剂。之后，他们又基于HAN/H2O/AN/MeOH组分，在20 N级HAN基推力器上成功实现了点火测试，分析了不同催化剂对于推力器内燃温和燃压的影响，并提出了HAN催化分解过程所经历的三个阶段。Matsumoto等[45]通过实验对比分析了SHP163和肼分解产生的气体对于推力、比冲和推力效率的影响。HAN基推进剂表现出了更加优良的性能。

3.4 我国HAN基推进系统的研究进展

我国从20世纪90年代末开始，学者们就开始对HAN基液体推进剂进行探索性研究。目前主要围绕HAN基推进剂雾化蒸发特性，电点火特性以及地面热试车进行研究。覃粒子等[46]基于HAN基推进剂，阐述了喷孔面积、喉部面积等结构参数对发动机性能的影响规律。研究表明，喷注器行程和喉部面积是对发动机性能影响最大的参数。王婕等[4]基于多普勒粒子分析仪获得了HAN基推进剂的理论预测模型。刘川等[48]研究了1N级HAN基推力器关键组件设计和测试工作，并成功完成了稳态和脉冲性能的地面热试车测试。孙得川等[3]通过建立推力室内流动和传热模型，通过数值模拟方法获得了物质组分的空间分布。中科院大连化学物理研究所、中国航天801所以及一些高校都开展了推力器点火测试工作。北京控制工程研究所基于实验、理论和仿真手段开展了面向高可靠性和低成本的推力器内复杂环境下关键科学问题的技术攻关，主要包括：推进剂与材料相容性、推力器内火焰传播特性及多孔介质内传热传质特性、推力器内热流检测与控制策略、推力器常温启动和长稳态高模点火实验测试等研究工作，积累了大量的点火测试数据和丰富的HAN基推力器设计研制经验，为后续应用于武器系统奠定了良好的基础。

4 结论

对于HAN基推进剂及其推进系统的研究是美国、日本和我国目前关注的热点，主要涉及推进剂的理化特性、不同模式点火方式选择，以及不同型号HAN基推进系统点火特性等的研究。其中，电点火方式的引入对于HAN基推进系统的研制提供了良好的思路，但相比催化点火而言，这种点火方式的可靠性和稳定性仍有待进一步探究。虽然各国提出了不同型号的推进剂和不同量级的推力系统，但是对于HAN基推进内气液两相流动、燃烧反应路径选择、轻质低成本推力器设计和材料选择等仍需深入的研究。