可控固体推进技术研究进展

可控固体推进技术是指在基于含能材料为工质的固体推进剂燃烧过程中,借助一定措施使得推进剂的燃烧方式可控,燃速可调,实现推力可随机控制的推进技术。其可对推进剂燃烧状态进行主动控制,有望从根本上解决固体推进剂发动机推力主动、随机控制等关键技术难题。从推力可控实施方案、对应推进剂类别以及其应用技术等方面对当前可控固体推进技术研究进展进行了综述,并对部分可控固体推进技术中的推力可控实施方案提出了建议。     

定量插管浇注工艺装置

国内近年来开展的战术固体火箭单室双推力发动机的研制工作,已经取得了较好的成果。单室双推力发动机具有两种燃速不同推进剂呈前后串联排列、两段装药在助推段工作期间同时燃烧后,续航段继续工作。因此,可以获得两级推力。发动机的两级推力是采用燃速不同推进剂与改变燃面相结合的方法来实现的(即调节Ⅰ、Ⅱ级装药量)为确保发动机装药结构完整性和发动机工作可靠性,从装药工艺上提出如下要求:     

低功率电弧喷射推力器实验研究

为深入了解低功率电弧喷射推力器的启动特性和工作性能，对不同推进剂和不同结构尺寸的推力器进行了广泛的多启动实验研究。研究中建成了推进剂供给系统和真空模拟系统，研制了电源处理单元和小推力测量装置，开发了实验数据采集系统，完成了实验推力器结构设计和材料选择，并分别采用氩、氮、氨为推进剂成功地进行了点火实验。研究表明，推进剂性质对推力器启动特性和工作特性具有重大影响，推力器优化设计应该针对具体的推进剂进行并考虑适当宽广的流量范围。     

基于固体工质的空间微推进技术研究进展

采用固体工质的微推力器具备结构简单、可靠性高、成本低的优点，是最适合微纳卫星的动力装置之一。固体微推进技术可分为微电推进和微化学推进两大类。本文介绍了五种典型固体微推力器的工作原理，包括微脉冲等离子体推力器、真空弧推力器、电控固体微推力器、激光微推力器、固体阵列微推力器，系统梳理了它们的发展历程，总结了其最新的研究进展和应用现状。在此基础上，对固体微推进技术的发展方向进行了展望，以期为微纳卫星动力系统的研发与优选提供参考。     

磁等离子体动力推力器回顾和认识

磁等离子体动力推力器因其高比冲、大推力密度及与空间核电功率匹配性好等特点,成为未来大速度增量深空任务的优选方案。回顾了磁等离子体动力推力器技术发展历史,总结了推力产生机制和推力模型,分析了推进剂选择、工作不稳定性、功率沉降、电极结构和阴极烧蚀等关键问题对推力器性能的影响,针对磁等离子体动力推力器技术和未来应用,给出了相关认识和建议。     

含缺陷固体装药燃烧异常实验分析

利用高速实时Ｘ射线荧屏分析技术,对固体火箭发动机装药经常出现的主要缺陷导致的异常燃烧现象进行研究,提出了含不同类型缺陷装药结构破坏的条件和模式,描述了推进剂裂纹、气孔和脱粘槽穴内的点火、燃烧和结构变形现象,分析了双基、丁羟、ＮＥＰＥ推进剂裂纹进一步扩展趋势和临界条件,为评估固体发动机含缺陷装药燃烧安全性提供了实验依据和分析方法。     

固体脉冲推力器羽烟粒度分布检测

为进行固体脉冲推力器点火启动过程的颗粒传热增强分析以及两相流动分析等研究的需要，采用MALVERN粒度分析仪和相应的辅助装置，检测了固体脉冲推力器排气羽烟中的颗粒粒度分布，得到了点火器燃烧产物和推进剂燃烧产物的颗粒粒度分布数据，检测结果表明，两种产物的颗粒粒度分布都呈多峰值分布状态，粒径范围为5～80μm，点火器燃烧产物的颗粒中间直径约为57μm；推进剂燃烧产物的颗粒中间直径约为39μm。     

点火延迟对单组元自激式脉冲推力器的性能影响

点火延迟是脉冲推力器设计中需要考虑的重要因素之一.为研究点火延迟对自激式脉冲推力器的性能影响,以HAN基(Hydroxylammonium Nitrate)单组元推进剂为例,建立自激式脉冲推力器工作过程的仿真模型,分析了点火延迟时间的变化对推力器的压强、流量、推力及平均比冲的影响规律.结果表明,点火延迟会强化脉冲推力器的压强爬升过程,随着点火延迟时间的增大,一个脉冲循环中的推进剂燃烧持续时间和整个脉冲周期均会明显缩短,同时挤压腔压强峰值和燃烧室压强峰值以及推力器的平均推力水平也会显著升高,但点火延迟的变化基本不会影响脉冲周期内的平均比冲.点火延迟提供了一条调节脉冲工作特性的可能途径,研究点火延迟特性对自激式脉冲推力器的探索与应用具有重要的指导意义.     

固体冷气推进剂性能初步分析

为了设计出合理的固体冷气微推力器,固体冷气推进剂的研究显得尤为重要。通过理论计算得出固体冷气推进剂各组分的配比,利用DSC-TG测试技术研究其热分解反应性能,最终得出当固体冷气推进剂配方为NaN3/LiF/Na2SiO3= 80%/10%/10%时,分解后所含固体杂质较少;当配方为NaN3/LiF/Na2SiO3= 75.5%/15.1%/9.4%时,反应放热量较低。研究了固体冷气推进剂的产气和推进性能,结果表明每1g推进剂可产生约0.333L的氮气,推力器所产生的推力约为1mN。     

微型固体脉冲推力器内弹道性能的实验研究

对高速动能导弹飞行姿态控制和弹道修正用的多管微型固体脉冲推力器的内弹道性能进行了试验研究。其中，以单管挂药式结构的试验为主，并以贴壁粘结式结构试验作为对比分析。试验结果表明，所设计的原理样机工作正常，可进行重复试验；单管挂药式结构的各项内弹道性能均满足指标，且数据重复性好。但由于挂药引起的燃烧后期的碎药损失和挂药段装药后期的低压燃烧，使挂药式结构的比冲效率较低。     

基于纳米铝热剂的MEMS固体微推力器点火实验研究

MEMS固体微推力器可以形成单元数量巨大的微推力器阵列,适合低成本微、纳卫星系统,是极具潜力的新型卫星推力器。为研究基于纳米铝热剂的MEMS推力器工作特性,开展了大气和真空点火实验。大气下的燃烧羽流与空气进一步燃烧,导致羽流的发光持续时间约数ms,远大于真空试验,过估了在真空条件下的推力器作用时间。真空试验获得了动态推力特征和有效工作时间(约250μs),估算推力器的冲量约55μN·s～80μN·s。羽流影响范围的直径约为30mm、流向约70mm,羽流颗粒的运动速度约132m/s。测试结果显示,底部点火先将推进剂挤出喷孔,而后在外部燃烧和爆炸。羽流形貌有两种特征:一种是剧烈爆炸,产生蘑菇云状气体产物;而另一种未产生气状产物。前者的冲量和有效工作时间大于后者。     

单组元脉冲推力器挤压和排气过程分析

高室压脉冲推力器使用可移动的喷注器,能够得到比供给压强高得多的燃烧室压强。为了分析其工作特性,建立了单组元脉冲推力器挤压和排气过程的数学模型,以硝酸羟铵(HAN)基单组元推进剂为例,采用四阶龙格-库塔法进行了求解。结果表明,燃烧室最大压强和平均压强都大于推进剂入口压强,而燃烧室内近似等容的燃烧过程是压强升高的原因。与所用推进剂、平均推力和面积比都相同的常规推力器相比较表明,脉冲推力器的真空比冲提高5 s,而喷管喉部面积减小89%,若两者喷管出口面积相同,则脉冲推力器的比冲将提高31.5%。     

端面燃烧固体火箭发动机的爆炸问题研究

本文论述了端面燃烧固体火箭发动机的爆炸问题,总结和分析了端面燃烧固体火箭发动机产生爆炸的重要原因.实验表明:在选择端面燃烧装药的初始增面率时,采用木制假药柱和推进剂短药柱构成的装药会给实验结果带来很大的偏差,导致选出不合适的初始增面率,把它应用在相同尺寸的固体推进剂端面燃烧药柱中时,将会引起发动机产生爆炸.     

导弹飞行时固体火箭发动机内弹道异常现象分析

叙述了某地空导弹在训练打靶中的一些飞行异常现象。对服役多年固体火箭发机的内弹道异常，从双基推进剂装药老化、喷喉截面调节、装药碎块喷射以及裂纹燃烧等方面进行了分析。对服役期的双基推进剂固体火箭发动机的使用维护和作战训练有一定参考价值。     

复合固体推进剂工艺质量控制

推进剂制造工艺对推进剂性能有很大影响。大型固体火箭发动机的装药生产中，严格进行推进剂工艺质量控制尤为重要。本文分析讨论了装药工艺对推进剂性能的影响和工艺控制方法，并对今后我国固体推进剂工艺质量控制提出建议。     

固体推进剂降压熄火及组分的影响

固体火箭发动机缺乏适应性这一主要缺点可通过可控熄火来弥补。如固体火箭发动机的关-开控制,需要中止燃烧,而同时又必须留有推进剂装药,为重新起动准备条件。同样,在火箭已经达到所希望的速度时完成发动机关车,也需要燃烧中止的方法。此外,火箭在级分离时要求推力在大约10～20毫秒内中止,否则未经控制的压力拖尾在级分离时危害特别大。因此固体火箭发动机关闭及重新起动的能力会大大增加其适应性,以利于使用。     

一种绿色无毒单组元微推力器性能试验研究

为了获得研制的一种基于绿色无毒ADN基推进剂的单组元0.2N微推力器性能,对其进行了试验研究。通过真空加热试验,获得微推力器的温启动加热性能;通过高空模拟热试车试验,获得微推力器稳态和脉冲工况下,微推力器的推力、温度分布等参数,考察微推力器的启动性能、稳态、脉冲工作稳定性,研究微推力器工作过程中推力室、前室和电磁阀温度变化规律,通过1000s长稳态点火试验,验证了微推力器长稳态工作的稳定性。结果表明,3W加热功率实现了微推力器200℃的温启动要求,微推力器完成了系列稳态、脉冲考核程序,工作过程中微推力器推力稳定,启动响应快,推力室温度最高达到1016℃。试验证明了研制的0.2N微推力器在完成结构微型化的同时,实现了微流量下推力器稳定工作,微推力器额定真空比冲大于200s,性能优良,200mN推力量级微推力器的成功研制,将进一步拓展ADN绿色无毒推进在微推进领域的应用。     

固体推进剂二维绝热微尺度燃烧模型的数值研究

为实现固体微推力器工作过程的一体化模拟,基于Fluent计算软件的二次开发功能(UDF)和简化化学动力学模型,实现了固体推进剂的二维气-凝相绝热微尺度燃烧模型的建立,该模型针对固体微推力器所用双基推进剂,包含两步凝相反应和五步气相反应,燃速、推进剂表面温度和组分质量分数基于燃面物理特性计算得到,并考虑了粘性作用对气相和凝相反应的影响。针对0.5MPa,1.0MPa,2.0MPa和5.1MPa四种工况进行了计算,结果表明,高压工作环境下出现发光火焰区,且随表面压力增大而逐渐靠近壁面,凝相反应区厚度和嘶嘶区、暗区主要反应物在燃面的质量分数随推进剂表面压力增大而减小。对称面处推进剂燃速,推进剂表面温度和气相火焰结构与实验结果基本一致。由于壁面附近较高的粘性作用,气相火焰在壁面位置更加靠近推进剂燃面,并导致壁面位置推进剂燃速高于对称面位置。该模型实现了二维环境下考虑分步凝相反应的推进剂绝热燃烧模型的一体化计算,较好地拓展了原模型的应用范围。     

电控固体推进剂热分解和燃烧性能研究

针对能实现多次启动和推力可控的固体火箭发动机需求,研究了成型过程快、钝感、电控性能好和贮存稳定的离子盐电控固体推进剂(ECSP)热分解和燃烧性能。采用同步热分析仪(TGDSC)、钨铼微热电偶、单幅照相技术和扫描电镜-能谱仪,研究了ECSP的热分解特性、燃烧波温度分布、熄火表面形貌以及元素分布。结果表明:ECSP的热分解过程中依次发生PVA分解反应、PVA分解产物与LiClO4强烈相互作用,其中小组分添加剂加快了PVA分解;其燃烧区域分为预热区、凝相反应区、气相反应区;电点火到稳态燃烧过程为:通入电流加热推进剂,ECSP开始点火,释放出大量的热和可燃性气体,产生初步火焰;热解产生的气相产物在气相区域进一步燃烧,同时大量熔岩状明亮颗粒在热分解气流作用下从燃面逸出,在气相区域燃烧并发出明亮的光。本文提出了ECSP的燃烧过程,为该类推进剂燃烧物理模型奠定基础。     

端面燃烧药柱的燃速增大特性

本文综述了近年来国外研究端面燃烧固体火箭发动机中药柱的燃速增大特性所取得的最新成果.在一些端面燃烧装药的固体火箭发动机中,平面的燃烧端面往在演变成锥形燃烧面.实验表明:产生这种现象的主要原因是推进剂中可移动组分的迁移,细颗粒在界面高度集中,以及推进剂的应变造成的.文中还介绍了控制燃速增大,避免在燃烧过程中出现瞬态锥面的各种方法及其实验结果.