HAN基绿色推进剂点火技术研究进展
王新强;邓康清;李洪旭;余小波
【摘 要】The recent rearch and application of the ignition technology of HAN-bad green propellants at home and abroad is reviewed to solve the difficulty commonly existing in ignition of HAN-bad green propellants.Several ignition methods of the HAN-bad liquid propellants includes catalytic decomposition ignition method,electric spark ignition method,electrolytic ignition method and lar ignition method.The HAN-bad jel propellant still us conventional ignition methods,which is difficult to achieve ignition.The electrolytic ignition method can achieve ignition,combustion and flameout control of a novel HAN-bad solid propellant under the condition of voltage control.The analysis results indicate that the electrolytic ignition method can improve the ignition effectiveness of HAN-bad propellant obviously,and is the development direction of HAN-bad propellants.%针对HAN基绿色推进剂普遍存在点火困难的问题,总结了国内外HAN基绿色推进剂点火技术的研究和应用情况.HAN基液体推进剂的点火方式主要包括催化分解点火、电火花点火、无弧点火、电解
点火和激光点火.HAN基凝胶推进剂仍采用传统烟火药方式,难以实现点火.HAN基固体推进剂采用电极电解点火方式,在电压的控制下实现了点火、燃烧和熄火可控.分析认为,采用电解方式能够显著提高HAN推进剂的点火效率,是HAN基推进剂点火技术的发展方向.
【期刊名称】《火箭推进》
【年(卷),期】2017(043)002
【总页数】5页(P72-76)
暖暖的春天
【关键词】硝酸羟胺;催化点火;电点火;电解点火
【作 者】关报王新强;邓康清;李洪旭;余小波
【作者单位】湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳,441003;湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳,441003;湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳,441003;湖北航天化学技术研究所,湖北襄阳,441003
【正文语种】中 文
【中图分类】V434-34
硝酸羟胺（hydroxy lammonium nitrate，HAN）一般以水溶液形式存在。HAN基推进剂由于其具有绿色无毒，能量水平高等特征，目前被作为绿色推进剂的首要选择。传统的HAN基推进剂主要是HAN基液体推进剂[1-2]。但近年来，国内外学者陆续探索研制了HAN基凝胶推进剂和HAN基固体推进剂，扩展了HAN基推进剂的应用范围。但HAN基推进剂仍然存在点火和燃烧困难的技术问题，限制了HAN基发动机的广泛应用[3]。本文具体介绍了HAN基液体推进剂、HAN基凝胶推进剂和HAN基固体推进剂的点火技术，指出了电解点火是HAN基推进剂点火方式的发展方向。
HAN基液体推进剂主要由氧化剂HAN、其他燃料和水复配形成的氧燃共存体系，是一种新型离子液体推进剂，具有蒸汽无毒、冰点低、密度高、比冲高等特点。典型的HAN基液体推进剂主要有：以 TEAN为燃料的 LP1845和LP1846，以HEHN为燃料的AF-315系列单元推进剂。
采用传统的烟火药点火方式无法实现HAN基液体单元推进剂的可靠点火。Comer采用密闭爆发器研究了HAN基液体推进剂在0.1～100 MPa压力下的点火以及燃烧特性[4]。研究发
现：在低压下，HAN基液体推进剂只能进行分解燃烧，不能形成可见的火焰；当环境压力超过26 MPa之后，液体推进剂燃烧时会发出明亮的火焰。
大自然未解之谜目前，关于HAN基液体推进剂点火方式的研究主要集中于催化分解点火、电点火和激光点火，而电点火主要包括电火花点火、无弧点火和直流电解点火。
1.1 催化分解点火年轻的嫂子2下载
HAN基液体推进剂最初主要采用催化分解点火方式，HAN基液体推进剂的催化分解与肼类单组元推进剂有本质的区别。肼类推进剂的催化分解是肼在催化剂的作用下发生化学键的断裂，分解成小分子的N2，H2和NH3的过程，催化剂床温度较低。而HAN基液体推进剂首先是HAN在催化剂的作用下催化分解成氧化性组分放出热量，同时，氧化性组分又与燃料进一步发生二次分解燃烧，提高了推进剂的能量，催化床温度高达1 200℃以上。
坐地虎
最早用于HAN基液体推进剂催化点火的催化剂主要是铱、铂贵金属催化剂，但是，点火前需要将催化床预热至200℃，较低温度下的点火延迟期长，甚至无法实现点火。推进剂在催化床上积存较多，限制了发动机的启动性能。Schmidt以氧化铝为载体的铂族贵金属催
化剂，通过改变不同催化剂配比，催化剂点火温度最低为113℃；Pt/Ta合金片催化剂点火预热温度为250℃[5]。催化剂点火启动温度过高，无法实现室温或低温条件下的催化点火。实现HAN基液体推进剂催化分解点火的关键是必须找到一种能在室温条件下催化HAN分解的高活性催化剂。
任晓光制备了以SiO2为载体的负载型贵金属催化剂[6]。用热重法考察了催化剂对80%HAN液体推进剂的分解活性。结果表明，Ir/SiO2催化剂能够在20.7℃实现催化分解，验证了HAN基液体推进剂实现室温条件下催化点火的可能性。
蜈蚣叔叔的袜子近年来，在美国空军的主导下，Fokema等研制了一系列高性能的热稳定催化剂和非贵金属催化剂[7]，与传统铱、铂贵金属催化剂相比具有更低的点火温度。
预热温度过高是限制HAN基推进剂催化点火的主要瓶颈之一，因此，降低反应温度，提高催化剂活性，是HAN基推进剂催化点火的研究方向。2007年，Aerojet公司和雷声公司在两级空射武器系统NCADE上采用AF-315E推进剂，通过催化点火方式进行了飞行验证试验，可提供680 N的推力。
1.2 电点火点火方式
由于HAN基液体推进剂燃烧温度高，采用传统的催化分解点火方式，易于破坏催化床，会严重缩短发动机的寿命。Yetter等提出了HAN基液体推进剂电点火方式[8]。关于HAN基液体推进剂电点火技术的研究主要有电火花点火、无弧点火和低压电解点火。电点火比催化分解点火耗能少，延迟时间短，适合于微小型推进器使用。
1）电火花点火方式
Despirito采用高压脉冲放电方式，研究了微量HAN基液体推进剂的电点火特性[9]。余永刚设计了一种周期性序列脉冲放电火花的模拟点火装置，研究了HAN基液体推进剂LP1846液雾在不同条件下电点火特性[10]。结果表明，电火花在圆周放电空间的分布越密集，电能时空分布越均匀，LP1846液雾点火效果越好。喷雾场流速、液雾细度与周向放电火花能量分布存在一个最佳匹配关系。
2）无弧点火方式
针对HAN基液体推进剂具有较高电导率的特性，Despirito提出了利用加载电压下电流的热效应点燃推进剂，并给出了点火装置的优化方案，指出无弧点火方式可以减小点火能量，提高点火装置的重复利用率[11]。
余永刚等针对HAN基液体推进剂LP1846设计了一种电加热点火试验装置，研究低压（6～140 V）不同电加热速率条件下，LP1846单滴无弧点火燃烧特性，分析了点火延迟时间和点火能量的定性关系，证明了无弧点火的可能性[12]。研究发现，单脉冲点火时放电能量很大，在液体推进剂雾化效果较好的情况下，容易出现爆燃现象。如果点火能量不足，同样会使点火状况受到影响。电压加载速率从80 V·s-1增大到140 V·s-1过程中，液滴点火延迟时间从0.82 s变为0.62 s，呈线性减小关系，且燃烧时火焰越明亮。
刘焜等研究了 HAN基单元液体推进剂LP1846单滴无弧电点火的机理，基于两步不可逆化学反应机理，同时考虑物性参数随温度的变化关系，结合相关实验，对HAN基液体推进剂LP1846液滴在大气环境下的无弧电点火过程进行了数值模拟[13]。结果表明：根据化学反应速率和温度分布变化，将最大加载电压80 V的无弧点电火过程分为预热、热分解及燃烧三个特征阶段。预热阶段，液滴保持球形，中心温度缓慢上升；热分解阶段，反应在液滴中心产生向外发展，液滴膨胀变大，内部出现伞形温度梯度分布；燃烧阶段，火焰在液滴内部生成，LP1846剧烈燃烧生成大量产物，流场温度先升后降。液滴着火延迟期随着最大加载电压的增大而减小，模拟结果与实验数据变化趋势一致，最大误差为2.9%。
3）电解点火方式
采用电火花点火方式，存在能量损耗大、重复性差等缺点。考虑到化学微小型推进器的特点，G.A.Risha等提出了一种直流低压（2～30 V）电解点火方式，并对悬挂的HAN基液滴进行了电解点火试验[14]。电解点火比催化床点火耗电少，延迟时间短，适合于微小型推进器使用。
Hua Meng等研究了HAN基推进剂电解点火性能，研究了电流、电压及初温与HAN基推进剂点火延迟时间之间的关系[15]，研究发现，随着电流、电压和初温的增加，点火延迟时间减小。
Kai SengKoh等运用直流电压分别以铜丝、铝和石墨作为电极研究了HAN溶液的电解点火特性[16]，研究发现，这种牺牲电极的电解点火方式非常有效，在300 W能量条件下，以铜丝为电极有效缩短了HAN水溶液的分解过程，在10 s内溶液达到100℃；以铝片为电极HAN水溶液组分达到了320℃；但是以石墨为电极其分解缓慢，效率低。电解能量在100～300 W之间，其电解分解效率最高。
在职证明公证1.3 激光点火
近年来，在HAN基液体推进剂的激光点火方面也有学者进行了研究。Alfano等使用激光谐振的方式快速加热推进剂来点火，其在点火方式上具有一定的优势，但并不适用与小型推进器，目前仍处于试验研究阶段[17]。
Carleton等研究了HAN基推进剂的激光点火[18]。在铂网上加入一滴液体推进剂，通过激光在液滴的不同位置聚焦点火，试验前采用诸如电解、电热等方式对液滴进行不同程度的预处理，对生成的气体进行在线分析以便监测分解程度。结果表明硝酸再分解在反应过程中的作用非常重要，这与目前公认的机理一致。
羚羊角片HAN水溶液具有良好的物理化学特性，且分解产生的气体洁净，为安全气囊高效率气体发生剂的研制提供了崭新的思路。HAN须以水溶液形态才能稳定存在，这给气体发生器的装药带来了困难。Michael把HAN水溶液凝胶化制得一种HAN基水凝胶气体发生剂应用于安全气囊中[19]。HAN基凝胶推进剂的点火方式主要还是传统的烟火药点火方式。
