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电控固体推进剂技术发展现状及趋势

归档日期:12-11       文本归类:固体推进剂      文章编辑:爱尚语录

  常规推进剂主要包含液体推进剂和固体推进剂两大类,其作为一种含能材料广泛应用于航空航天领域,可为导弹、太空飞行器等装置提供动力。液体推进剂发动机可以实现多次启动及推力调节,但需配备大量的管路、阀门及相关装置,结构复杂,制造成本高,且只能在发射前临时加注推进剂,不方便储存和转运,发射准备时间较长。与液体推进剂发动机相比,固体推进剂发动机结构简单,能量密度高,存储周期长,运输方便,发射准备时间短,更适合需要快速响应的导弹武器动力装置。然而,固体推进剂发动机的最大缺陷在于:一方面,固体推进剂熄火后,再次点火困难,无法实现多次启动;另一方面,固体推进剂的燃烧过程不受控(无法像液体推进剂发动机一样利用阀门等装置控制液体推进剂流量等参数,进而控制推进剂燃烧),难以实现推力调节。上述两方面的原因极大地限制了固体推进剂发动机的推广应用。

  为了充分结合固体推进剂发动机和液体推进剂发动机两者的优点,研究人员尝试从两个方面对固体推进剂发动机进行改进:一是优化固体推进剂发动机设计,例如设置发动机喷喉可调节装置,通过增大或减小喷喉截面积调节发动机推力;二是采取改变固体推进剂药柱形状等措施,例如圆筒形、星形等特殊形状,试图控制固体推进剂的燃烧过程。但上述两种方式都属于被动适应固体推进剂的燃烧特性,效果有限,依然无法实现多次启动和灵活的推力调节。

  为了从根本上突破固体推进剂发动机在应用上的瓶颈,研究人员提出了电控固体推进剂(ESP)概念,这种新型固体推进剂药柱中设置有电极,通电后药柱即被点燃,断电后药柱即熄火,还可通过调节电压来控制固体推进剂的燃速,实现了对固体推进剂燃烧过程的主动控制,从而使固体推进剂发动机具备多次启动和推力可调功能,同时保留了固体推进剂发动机的固有优势。

  电控固体推进剂技术是固体推进剂领域的重大技术革新,由于其独特的电压控制燃烧状态的特性,颠覆了传统的固体推进剂发动机的工作模式,其研究进展及相关动态值得高度关注。

  电控固体推进剂的研究起步于1996年,美国ET Materials公司历时三年时间开发了一种ABIP(Air Bag Inflator Propellants)固体推进剂,主要用于汽车安全气囊。鉴于该固体推进剂独特的电化学特性,美空军继续投资该研究以将其用于其他用途,因此电控固体推进剂的研究从一开始就具有浓厚的军事应用背景。

  在美空军支持下,ET Materials公司随后开发出了真正意义上的第一代电控固体推进剂,命名为ASPEN。该型推进剂以硝酸铵(AN)和粘合剂为主要成分,配入的其他组分可降低AN熔点以方便推进剂的制备,同时保证在推进剂燃烧过程中能形成导电体。当推进剂中装配电极并施加电压后即可点火燃烧,当电压撤去后即熄火,且推进剂燃速随着电压的提高而增大。ASPEN的最大缺点在于第一次点火延迟时间过长(大于10秒),且在此过程中外部施加的大量电能会使推进剂发生熔化和气化。但当实现第一次点火后,ASPEN对于电控信号的响应时间大幅缩短(约0.1秒)。

  针对点火延迟时间过长的缺陷,ET Materials公司开发了第二代电控固体推进剂,命名为HIPEP(High Performance Propellants)。相比于ASPEN,HIPEP提高了导电性,从而实现了对电控信号的更快响应,同时推进剂的比冲也更高。该型推进剂以硝酸羟氨、粘合剂等为主要成分,标准比冲可达245~263s(两个端值分别对应于不含铝配方和含铝配方)。

  2005年之后,通过专利转让的方式,美国DSSP公司获得了电控固体推进剂相关技术,并继续开展研究。根据推进剂燃烧尾焰特征的不同,电控固体推进剂逐步向三个系列发展。a.不含金属添加剂的HIPEP配方。该配方推进剂燃烧产生的烟雾及特征信号最小,并可通过添加相关组分调节推进剂的点火特性、燃烧特性(燃速和燃速压强指数)、力学性能及工作温度范围,以适应不同任务需要,技术已达到实用水平。b.含金属铝的HIPEP配方。由于添加金属铝的缘故,该配方推进剂的能量性能优于不添加金属的HIPEP配方,但同时带来烟雾和特征信号较大的问题。该型配方推进剂最突出的特点是面对危险源(明火、电火花、冲击、摩擦等)呈现出钝感特性,非常适合在舰船等领域应用。c.含金属硼的双基推进剂配方。该型推进剂的特征信号和能量特性介于上述两系列之间,其点火特性、燃烧特性、电极材料选用及其在药柱中的安装等问题尚在研究之中。

  电控固体推进剂的出现使得固体推进剂发动机既可保留其结构简单、使用方便的优点,又能实现多次启动和推力调节功能。除了该核心优势外,电控固体推进剂还具有以下优点。

  电控固体推进剂的生产流程与常规固体推进剂基本相同,但常规固体推进剂的生产过程必须严格控制环境温度、湿度等条件,且需要使用具有高剪切力的双螺杆、立式捏合机等设备,生产条件较为严苛。而电控固体推进剂可在常温和常规湿度下进行生产,且只需简单的加工装置(如玻璃容器和磁力搅拌棒等)即可,易于制备。

  电控固体推进剂均采用低毒性、低危险性原材料,生产过程绿色环保。同时,计算结果显示,典型HIPEP配方燃烧尾气中,水蒸气、氮气和二氧化碳构成主要组分,而一氧化碳、氢气等有毒或危险组分占比极小,推进剂燃烧产物的危害性可以得到有效控制。

  众所周知,安全性是火工品的重要技术指标。试验中发现,电控固体推进剂对于明火、高温等危险源刺激不敏感,被意外引燃的概率较小,风险可控,因而非常适合舰船、载人航天等应用领域。美国防部和运输部也对三个系列电控推进剂的危险性进行了测试,包括热稳定性、撞击感度、摩擦感度、静电感度等,测试结果良好,正在申请定为危险等级1.4S,危险性较低。

  诸如微小卫星之类的小型太空飞行器需要经常实施变轨、编队飞行及姿态调整,要求推进系统具备多次点火及推力调节功能,如若采用液体推进剂发动机作为动力源,势必会引入大量管路、阀门等装置,推进系统体积较大,在微小卫星体型受限的条件下,将会压缩有效载荷的占比,对微小卫星的设计及功能产生不利影响。而电控固体推进剂发动机结构简单,在同样能够实现多次点火和推力调节功能的情况下,体积较小,这种体型上的优势是液体推进剂发动机所无法企及的,为提升微小卫星设计的灵活性和功能的多样性提供了有利条件。

  典型应用如美海军实验室与DSSP公司联合开展的SpinSat项目,旨在开展球型小卫星飞行试验,验证电控固体推进剂发动机的在轨性能。

  现阶段,推进剂在轨加注一般指液体推进剂,但在加注过程中存在较大的安全风险。一旦发生液体推进剂的泄露,可能会对正在实施液体推进剂加注的航天器本身甚至太空中飞行的其他航天器造成损害。因此,要想安全地实施液体推进剂在轨加注,不仅技术难度大,且配套设施多,成本高昂。而使用电控固体推进剂发动机,则可实现整体替换、即插即用,且操作过程简单易行,像更换电池一样方便,成本也会大幅降低。

  液体推进剂易挥发,在太空真空环境中更是如此,不适合执行长期太空任务。而电控固体推进剂发动机在同样能够实现多次启动和推力控制功能的情况下,不存在推进剂挥发问题,且推进剂惰性特征明显,运输和储存过程中的安全性较高,非常适合执行从地球到火星等远程任务及载人航天任务。

  当前,导弹武器装备正在向高机动、快速突防方向发展,要求导弹发动机具备多次启动和推力调节能力。液体推进剂发动机虽然可实现多次启动和推力调节,但结构复杂,推进剂有毒且加注时间过长,不符合快速响应作战要求。而电控固体推进剂发动机结构简单,易储存,发射准备时间短,且同样能够实现连续多次启动和推力控制,一旦研制成功,即可取代现役导弹用的液体姿轨控和末修发动机。目前,美导弹防御局(MDA)正在推进该方面的研究,并计划将其应用于导弹拦截系统。

  DARPA与DSSP公司开展合作,将电控固体推进剂应用于高速电热化学炮(Electro-thermal-chemical gun)。针对该应用,DSSP引入新型纳米材料组分对电控推进剂配方进行了改良,在确保安全性的同时,提升武器的射程和精度。

  美海军与DSSP公司合作,采用含金属铝的HIPEP配方研制了一款不需要点火药的固体推进剂发动机,即利用固体推进剂内置电极进行点火,并开展了静态点火试验。这种方式可使海军舰艇免于携带点火药等危险源,且电控固体推进剂本身具有惰性特征,大大提升了舰艇安全性。

  DSSP公司在HIPEP配方的基础上研制出了120mm坦克炮弹点火器,其具备突出的惰性特征,避免了奔奈药和B/KNO3等传统点火药易受外界激发产生激烈响应而导致的潜在危害。

  尽管电控固体推进剂作为一种颠覆性技术具备突出的优势,但技术上尚未完全突破,面向未来应用,有两个发展方向值得关注。

  前文已经述及电控固体推进剂发动机特别适用于小型飞行器的动力装置,且已开展相关项目进行演示验证。一旦该技术在小型装置上取得成功,必然会推动其向大型装置的转化应用,全面拓展技术效用。但当前对于该技术在大型装置上的实用性探索还较少,有待继续深入研究。例如,在小型装置中推进剂药柱尺寸有限,单个电极即可有效控制整个推进剂药柱,实现电控燃烧,但对于大型固体发动机而言,推进剂药柱尺寸较大,单个内置电极显然无法完全控制整个推进剂药柱,如何进行发动机的设计和制造,进而实现良好的电控燃烧,仍然存在技术难点。

  面向未来航天与军事应用,电控固体推进剂向高能化方向发展是必然选择,不可避免的涉及到向推进剂配方中添加金属燃烧剂(例如铝、镁、硼等)或者类似RDX(黑索金)、CL-20(六硝基六氮杂异伍兹烷)等高能炸药。一方面,如果添加金属燃烧剂,推进剂的燃烧特性势必改变,报道显示,加入金属燃烧剂后,推进剂在点火后可以自持燃烧,而不需要电力维持,如何进行熄火及再启动又会面临抉择,技术问题进一步复杂。另一方面,如若添加RDX等高能炸药,推进剂的感度可能会大幅提高,又会面临安全性挑战。因此,在电控固体推进剂高能化方向需要进一步深入研究,或许引进创新的化学物质会是一种有前景的解决方案。

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