固體推進(jìn)劑微推進(jìn)器的研究進(jìn)展

李和平,何建樂(lè),梁導(dǎo)倫,劉建忠，蔚明輝

(1.浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310027;2.華電電力科學(xué)研究院， 浙江 杭州 310030;3.杭州電子科技大學(xué)能源研究所， 浙江 杭州 310018)

隨著航空航天技術(shù)的微型化發(fā)展，未來(lái)航天器的發(fā)展目標(biāo)可能由很多飛行成編隊(duì)的廉價(jià)、可靠和靈活的微型航天器(質(zhì)量大約10 kg或更小)組成，而不是傳統(tǒng)的單一的大型航天器。因?yàn)楹教炱黧w積和質(zhì)量的減小，將大幅度減少其生命周期成本(包括制造加工、火箭運(yùn)載和在軌運(yùn)行成本)，提高能源利用效率和發(fā)射率，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，并增加任務(wù)靈活性。對(duì)于微型航天器，各個(gè)部件和系統(tǒng)，包括推進(jìn)器都需要微型化。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用促進(jìn)了最先進(jìn)的微航天器的發(fā)展。

但系統(tǒng)微型化也面臨著一些困難，微型系統(tǒng)對(duì)加工工藝提出了更高的要求。微小尺度表現(xiàn)出與常規(guī)尺度不同的特性，傳統(tǒng)的理論不再適用。微型推進(jìn)器較高的比表面積抑制點(diǎn)火，且導(dǎo)致燃燒熄火，但對(duì)單位體積能量的輸出是非常有利的。

微型推進(jìn)器是微推力系統(tǒng)的重要部件，主要作為能量驅(qū)動(dòng)單元，為微型器件提供動(dòng)力。微型推進(jìn)器可以為微傳感器提供驅(qū)動(dòng)力，為微型火箭和微型航天器提供微推力，實(shí)現(xiàn)微型衛(wèi)星高精度的方位保持、姿態(tài)控制、速度調(diào)整、重力補(bǔ)償和軌道調(diào)整。根據(jù)微航天器的質(zhì)量，固體推進(jìn)劑微推進(jìn)器可以得到0.6×10-3m/s到20 m/s的速度增量。加拿大約克大學(xué)YUSend實(shí)驗(yàn)室[1-3]把設(shè)計(jì)的微推進(jìn)器陣列安裝在YUSend-1納米衛(wèi)星上，為衛(wèi)星提供微推力，以維持衛(wèi)星在需要的軌道上工作運(yùn)行。納米衛(wèi)星將被用于地球與空間科學(xué)及其他衛(wèi)星的檢測(cè)和地球的探索。微型推進(jìn)器還可作為微型武器的主推力裝置或彈道導(dǎo)彈的輔助推力裝置，實(shí)現(xiàn)側(cè)向運(yùn)動(dòng)和末速控制。

另外，微型推進(jìn)器還可以提供其他形式的能量。例如，可用于微內(nèi)燃機(jī)、微發(fā)動(dòng)機(jī)、微燃料電池、微光電系統(tǒng)等。如美國(guó)加州大學(xué)的Dana Teasdale等[4-5]設(shè)計(jì)制造的微推進(jìn)器，由內(nèi)徑3.2 mm的陶瓷燃燒室、火箭噴嘴、點(diǎn)火器和十二個(gè)熱電元件組成。選用AP/HTPB作為推進(jìn)劑，燃燒持續(xù)10 s，得到4×10-3N的峰值推力和2×10-2W的電能。

固體含能燃料的燃燒是一種從小體積獲取高水平能量的簡(jiǎn)單方式。一個(gè)典型固體推進(jìn)劑的能量密度大約是5 J/mm3，而典型的傳統(tǒng)鋰電池的能量密度只有0.5 J/mm3[10]。因此，固體推進(jìn)劑特別適合作為微推進(jìn)器的填充燃料，滿足微推進(jìn)系統(tǒng)必須能在很短的時(shí)間內(nèi)迅速提供低推力和小沖量的要求。另外，固體微推進(jìn)器不需要液體和氣體推進(jìn)劑微推進(jìn)器所需的泵、閥和燃料管線等復(fù)雜的設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。因?yàn)闆](méi)有移動(dòng)部件，摩擦損失小，推進(jìn)劑泄露的可能性也比較低，利于整個(gè)系統(tǒng)的整合?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置微推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)、尺寸，及推進(jìn)劑種類(lèi)、含量，獲得需要的推力和沖量。

固體推進(jìn)劑微推進(jìn)器的工作原理是：通過(guò)燃燒，把儲(chǔ)存在微燃燒室中推進(jìn)劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可用的微推力能源。主要的設(shè)計(jì)思想是基于三層面包夾心結(jié)構(gòu)，通常包括三部分：微燃燒室、微噴嘴、微點(diǎn)火器。推進(jìn)劑被裝填在每個(gè)單獨(dú)的密封燃燒室中。當(dāng)點(diǎn)火器電阻通電后，推進(jìn)劑被點(diǎn)燃，燃燒室內(nèi)的壓力增大，隔膜破裂，產(chǎn)生的高溫高壓流體通過(guò)漸縮漸擴(kuò)噴嘴膨脹后，速度急劇增加，產(chǎn)生推力和沖量。

但單個(gè)固體化學(xué)微推進(jìn)器是單發(fā)設(shè)備，不能重復(fù)產(chǎn)生推力。因此一般是在同一芯片上匯集多個(gè)獨(dú)立的可尋址微推進(jìn)器，即微推進(jìn)器陣列來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。因?yàn)槲⑼七M(jìn)器陣列由多個(gè)微推進(jìn)器構(gòu)成，即使出現(xiàn)單發(fā)失效，仍可以用其他微推進(jìn)器的來(lái)替代，保證了微型器件的正常運(yùn)行。把單個(gè)微推進(jìn)器產(chǎn)生的脈沖稱(chēng)作“脈沖節(jié)”，微推進(jìn)器陣列可以以“脈沖節(jié)”為單位，通過(guò)控制尋址電路，有序的開(kāi)啟特定的單個(gè)或多個(gè)微推進(jìn)器，產(chǎn)生單個(gè)或多個(gè)“脈沖節(jié)”，得到設(shè)計(jì)的推力和沖量。這正是國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中經(jīng)常提及的“數(shù)字推進(jìn)”[6-8]。每個(gè)“脈沖節(jié)”的大小取決于單發(fā)微推進(jìn)器的形狀尺寸及內(nèi)部推進(jìn)劑的種類(lèi)含量。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

固體推進(jìn)劑微推進(jìn)器由于微型化造成面積/體積比增大，推進(jìn)劑在微燃燒室內(nèi)的逗留時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間縮小，推進(jìn)器微型化不再是簡(jiǎn)單的幾何縮小，而可能有原理和工作方式上的根本變化。另外，還需要解決小體積器件內(nèi)高溫高壓可能導(dǎo)致機(jī)械損傷等工程問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)外從固體推進(jìn)劑微推進(jìn)器的設(shè)計(jì)加工、點(diǎn)火燃燒特性實(shí)驗(yàn)、推力沖量測(cè)試等方面開(kāi)展了較全面的研究工作，并進(jìn)行了建模仿真計(jì)算。以期在航空航天領(lǐng)域或軍事領(lǐng)域的應(yīng)用方面提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。

1.1 微推進(jìn)器結(jié)構(gòu)類(lèi)型

固體推進(jìn)劑微推進(jìn)器的構(gòu)造主要有兩種類(lèi)型：一種是臥式結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示。通常有兩到三層構(gòu)成，其中燃燒室、噴嘴和點(diǎn)火器等主要部件集中在一層，使微加工深度保持一致。另外一到兩層作為蓋板，起密封作用。但點(diǎn)火器的布置方式不同：新加坡國(guó)立大學(xué)[9-10]和美國(guó)加州大學(xué)[11]直接將單根點(diǎn)火線安裝在燃燒室靠近噴嘴處，日本九州大學(xué)[12]和法國(guó)圖盧茲大學(xué)[13]將點(diǎn)火器附著在薄板或蓋片上，利于傳熱，改善了點(diǎn)火性能。

圖1 法國(guó)圖盧茲大學(xué)臥式微推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)尺寸[13]

圖2 新加坡國(guó)立大學(xué)臥式微推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)[10]

另外一種是立式結(jié)構(gòu)，燃燒室、噴嘴、點(diǎn)火器等重要部件分別加工在不同的板上，再粘結(jié)成一體，如圖3所示。較多的單位開(kāi)展了相關(guān)的研究，結(jié)構(gòu)大同小異，從上到下依次是：噴嘴層、點(diǎn)火層(包括點(diǎn)火器和引燃劑)、中間層、燃燒室層和密封層。其中點(diǎn)火器是附著有點(diǎn)火線圈的薄膜。點(diǎn)火器提供點(diǎn)火所需的能量，薄膜防止推進(jìn)劑散落到外面，且為點(diǎn)火線圈提供結(jié)構(gòu)支持及制造主推進(jìn)劑燃燒所需的較高壓力環(huán)境。韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院[14-16]設(shè)計(jì)的點(diǎn)火線圈直接與推進(jìn)劑接觸，提高了點(diǎn)火器點(diǎn)火的可靠性。點(diǎn)火層和燃燒室層之間的中間層防止加熱膜過(guò)早破裂，延長(zhǎng)了引燃劑加熱推進(jìn)劑的時(shí)間。

由臥式和立式兩種固體推進(jìn)劑微推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推斷立式微推進(jìn)器更適用于微推進(jìn)器陣列的加工。首先分別在不同的層面上加工多個(gè)微噴嘴、點(diǎn)火器、燃燒室等，再把這幾層粘結(jié)組裝在一起，便得到立式微推進(jìn)器陣列。韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院的Jongkwang Lee等[14-16]給出了直觀的實(shí)物圖，見(jiàn)圖4。

圖3 韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院微推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖和微點(diǎn)火器[14-16]

圖4 立式微推進(jìn)器陣列組裝前后的實(shí)物圖[14-16]

1.2 微推進(jìn)器點(diǎn)火裝置

微點(diǎn)火器的熱、電、機(jī)械特性決定了微推進(jìn)器的推進(jìn)性能[14]。加拿大的Kartheephan Sathiyanathan[1-3]使用傳統(tǒng)的低成本的材料，如鈦、印刷電路板，電阻點(diǎn)火導(dǎo)線，如鎳鉻合金。新加坡國(guó)立大學(xué)[9]用金/鈦(Au/Ti)點(diǎn)火器取代金屬絲點(diǎn)火器。發(fā)現(xiàn)：熱阻絲點(diǎn)火器較Au/Ti點(diǎn)火器制微推進(jìn)器質(zhì)量較大，導(dǎo)致比沖量較低；因Au/Ti點(diǎn)火器是薄的點(diǎn)火器附著在玻璃層上，提升了燃燒穩(wěn)定性。加州理工考慮到便于整合到火箭單元，用多晶硅電阻加熱器[17]。而微推進(jìn)器點(diǎn)火的可靠性和重復(fù)性、點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火成功率、點(diǎn)火功率和點(diǎn)火能量，依賴(lài)于點(diǎn)火器的薄膜材料、電阻，依賴(lài)于推進(jìn)劑的尺寸及不均勻性，點(diǎn)火器和推進(jìn)劑的接觸及點(diǎn)火器的供給電壓、電功率、溫度等[10,12-13]。點(diǎn)火方式的發(fā)展方向：更易于整合，更低的能量可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，及更加穩(wěn)健的點(diǎn)火機(jī)理，以提高點(diǎn)火的效率[11]。

1.3 微推進(jìn)器材料選擇

微推進(jìn)器面臨嚴(yán)峻的機(jī)械和熱問(wèn)題[14]。微小燃燒室內(nèi)推進(jìn)劑要實(shí)現(xiàn)持續(xù)燃燒，需選用熱傳導(dǎo)率小的材料。且微燃燒室內(nèi)高壓高溫的環(huán)境，要求燃燒室壁面的強(qiáng)度較大，以防止破裂。

材料一般選用硅、耐熱玻璃、銅、鋁、黃銅、碳素鋼、不銹鋼、氮化硅。但硅的熱傳導(dǎo)率高，增加了遠(yuǎn)紅外輻射損失。硅材料還需要較厚的尺寸以承受高的壓力。為了降低散熱，用低熱導(dǎo)率的陶瓷代替硅，但陶瓷質(zhì)量較重，且難于加工[13]。氧化鋁玻璃，熱傳導(dǎo)率低。光敏玻璃具有低熱導(dǎo)率，低的整合、加工成本。

除了材料，燃燒室的厚度、形狀也會(huì)影響推進(jìn)劑是否持續(xù)燃燒及燃速大小。加州大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：橢圓形燃燒室的比表面積小于矩形的，減小了熱損失，避免了矩形燃燒室?guī)?lái)的彎曲度和破裂[11]?？梢灶A(yù)見(jiàn)，微燃燒室尺寸和材料的研究方向是：更小的燃燒室質(zhì)量、體積和熱傳導(dǎo)率，同時(shí)高的強(qiáng)度。

1.4 微推進(jìn)器用推進(jìn)劑

微燃燒室尺寸的大幅度減小，導(dǎo)致熱熄火、自由基熄火[10]。加上推進(jìn)劑在微燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間明顯縮短，使推進(jìn)劑的成功點(diǎn)火和持續(xù)燃燒很難實(shí)現(xiàn)。因此，推進(jìn)劑的性能是否穩(wěn)定，直接影響微推進(jìn)器的高效穩(wěn)定運(yùn)行。有必要研究不同推進(jìn)劑在微推進(jìn)器中的性能，以尋求適用于微推進(jìn)器的推進(jìn)劑配方。微推進(jìn)器常用的固體推進(jìn)劑有復(fù)合推進(jìn)劑(如Al/AP/HTPB)，特殊的火藥(如火藥/高氯酸鉀)、斯蒂芬酸鉛，聚合物/硝酸銨等。

加州大學(xué)采用89%AP和HTPB組合燃料作為微火箭的推進(jìn)劑，能量密度高，其中氧化劑的尺寸有200微米和20微米。AP的分解溫度是420K，完全反應(yīng)溫度是520～620K。650K以下，AP的分解速率小于粘合劑的，因此，AP控制著整個(gè)點(diǎn)火燃燒過(guò)程，決定了反應(yīng)速率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：如果氧化劑顆粒過(guò)大、且分散，氣態(tài)氧化物和燃料在小尺寸燃燒室內(nèi)很難混合以維持燃燒的放熱過(guò)程。減小AP顆粒尺寸，或粗糙的和細(xì)致的AP顆粒混合，可以增加固體混合及預(yù)混火焰，提高燃燒性能[11]。

復(fù)合推進(jìn)劑中添加鋁顆?？梢蕴岣呷妓佟⒒鹧鏈囟群捅葲_。但因?yàn)殇X的燃燒溫度較高，在微燃燒室內(nèi)鋁的停留時(shí)間小于化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，鋁顆粒很難完全燃燒，且鋁燃燒時(shí)，表面發(fā)生鋁團(tuán)聚，分離成300微米的液滴。液體團(tuán)聚不遵循流線，因?yàn)閮上嗔?，?dǎo)致氣體的動(dòng)能損失。它還會(huì)從高溫產(chǎn)物里吸收能量，堵塞腐蝕噴管，改變噴嘴的尺寸，影響穩(wěn)定燃燒。

Okada T等人研究硼/硝酸鉀(NAB)中，添加硫氰酸鉀/氯酸鉀/硝化纖維(RK)的影響。發(fā)現(xiàn)：RK減少了點(diǎn)火能、點(diǎn)火延遲時(shí)間，減小了點(diǎn)火需要的能量[12]。加拿大的Kartheephan Sathiyanathan[1-3]研究的微推力器推進(jìn)劑配方是GAP(聚疊氮縮水甘油醚)和AP(高氯酸銨)。GAP是一種含能粘合劑，具有低粘性、含能高、低敏感性、無(wú)毒的優(yōu)點(diǎn)。與粘合劑HTPB相比，分解放出大量的熱。

法國(guó)有人發(fā)現(xiàn)：雙基推進(jìn)劑的點(diǎn)火成功率僅為20%，要添加黑火藥以增加點(diǎn)火成功率。但推力數(shù)據(jù)雜波大，因?yàn)橥七M(jìn)劑的不均勻分布，及顆粒大小的影響[13]。新加坡國(guó)立大學(xué)[9]用配方：90%火藥(75%硝酸鉀，15%碳，10%硫磺)，6%AP，3%Al，1%Fe2O3。其中AP的作用是：降低點(diǎn)火溫度，提高推進(jìn)劑比推力。Al的作用：增加點(diǎn)火溫度和比推力。Fe2O3作為燃燒催化劑。得到燃速高于HTPB/AP/Al推進(jìn)劑。日本也有人發(fā)現(xiàn)：炸藥由于具有高的點(diǎn)火敏感性，優(yōu)于常規(guī)航空航天用推進(jìn)劑[12]。

除了上述推進(jìn)劑，美國(guó)加州理工大學(xué)[17]選用斯蒂芬酸鉛產(chǎn)生10-4N·s的沖量，100瓦的能量。對(duì)比斯蒂芬酸鉛、鋯-高氯酸鉀(ZPP)的性能發(fā)現(xiàn)：斯蒂芬酸鉛只有氣體噴出燃燒室，說(shuō)明燃燒完全；ZPP是更敏感和高能的點(diǎn)火藥，降低了點(diǎn)火能，但有顆粒噴出，斯蒂芬酸鉛優(yōu)于ZPP[14]。二硝基重氮酚(DDNP)是一種不含重金屬的有機(jī)化合物,既具有猛炸藥的威力,又具有良好的起爆藥性能,同時(shí)具有良好的化學(xué)安定性[12]。球形結(jié)構(gòu)解決了針狀晶體顆粒難填充、敏感問(wèn)題。

因?yàn)槲⑷紵胰莘e與推進(jìn)劑的顆粒大小相當(dāng)，接近文獻(xiàn)中給出的火焰熄火極限直徑1 mm[13]。因此，推進(jìn)劑的選擇尤為重要。另外，固體推進(jìn)劑裝填不均勻，都是引起微推進(jìn)器產(chǎn)生推力振蕩的原因。表1給出了常規(guī)尺度火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的典型推進(jìn)劑配方，主要包括：氧化劑、粘合劑/燃料、塑化劑、固化劑、燃燒催化劑和粘結(jié)劑。一般還會(huì)添加增速劑或降速劑，調(diào)控推進(jìn)劑反應(yīng)速度。

常規(guī)燃料不適用于微火箭的原因：混合物結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一及炸藥太多帶來(lái)振蕩。不僅是燃料的顆粒大小影響點(diǎn)火燃燒性能，氧化劑等的顆粒大小及各個(gè)組分的分散度、壓力等也影響燃燒穩(wěn)定性[12]。

以納米尺寸的顆粒作為推進(jìn)劑，并通過(guò)改變推進(jìn)劑的裝藥密度，可獲得更大的推力[19]。還可以在推進(jìn)劑配方中加入添加劑，提升其點(diǎn)火燃燒性能。一般推進(jìn)劑的燃點(diǎn)較高，因此通常在點(diǎn)火電阻和主推進(jìn)劑之間填充一種低燃點(diǎn)的點(diǎn)火藥作為引燃劑。一方面起加熱主推進(jìn)劑的作用，另一方面為主推進(jìn)劑提供高壓環(huán)境。推進(jìn)劑的裝填質(zhì)量影響比沖量。應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，提高裝填質(zhì)量和比沖量。

表1 常規(guī)尺度固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的典型推進(jìn)劑配方[20]

1.5 微燃燒測(cè)試系統(tǒng)

微推進(jìn)器設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是：使化學(xué)能有效的轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，以產(chǎn)生軸向推力。推力、總沖量、比沖是評(píng)價(jià)推進(jìn)性能的重要指標(biāo)。因微推進(jìn)器尺寸的減小，使微燃燒的觀測(cè)，及微推力、微沖量的測(cè)試與常規(guī)尺度存在較大差異，因此需要搭建專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。為了研究不同因素對(duì)微推進(jìn)器點(diǎn)火燃燒特性和推力沖量的影響，進(jìn)一步優(yōu)化微推進(jìn)器結(jié)構(gòu)尺寸和推進(jìn)劑配方，各個(gè)研究單位根據(jù)測(cè)試目的的不同，設(shè)計(jì)了不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

新加坡國(guó)立大學(xué)的Kaili Zhang等[9-10]自行搭建了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，用以研究固體推進(jìn)劑微推進(jìn)器的特性。推力測(cè)量系統(tǒng)的主要儀器包括：高靈敏度石英壓電傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，壓電傳感器安裝在重平臺(tái)上，減少了外界環(huán)境的干擾。數(shù)字直流電源為推進(jìn)劑提供點(diǎn)火能。因?yàn)槲⒑教炱鞯倪\(yùn)行環(huán)境是真空，為了模擬最真實(shí)的工作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)臺(tái)還增加了真空可視系統(tǒng)。包括：真空泵、真空計(jì)、波紋管閥。當(dāng)微推進(jìn)器工作，有推力產(chǎn)生時(shí)，傳感器接收到壓力信號(hào)產(chǎn)生PC為單位的電荷信號(hào)，放大器將很小的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)變成較大的電壓信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)電壓信號(hào)的強(qiáng)弱，換算得到推力。同時(shí)，高速數(shù)碼攝像儀與視頻采集系統(tǒng)相連，同步記錄微燃燒現(xiàn)象。

圖5 新加坡國(guó)立大學(xué)用實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖[9-10]

加拿大約克大學(xué)YUSend實(shí)驗(yàn)室的Kartheephan Sathiyanathan等[1-3]搭建了吊籃式推力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖6所示。主要包括一個(gè)用四根電線吊起的吊籃，激光干涉儀和數(shù)碼相機(jī)。微推力器安裝在吊籃的一側(cè)。數(shù)碼相機(jī)記錄整個(gè)點(diǎn)火燃燒過(guò)程，激光干涉儀測(cè)量推力引起的位置變化。吊籃由質(zhì)量很輕的塑料制成，利于觀察微推進(jìn)器燃燒引起的最大可見(jiàn)偏轉(zhuǎn)量。吊籃被放置在密閉空間里，減少外界的干擾。

圖6 加拿大約克大學(xué)用推力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)[1-3]

法國(guó)圖盧茲大學(xué)LAAS-CNRS的C.Rossi等[21-22]用一個(gè)懸浮在空氣環(huán)境中的單擺測(cè)得微推進(jìn)器產(chǎn)生的脈沖推力，實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖7所示。包括一個(gè)薄且硬(100 μm厚)的單擺，它可以圍繞樞軸點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。底部安裝有印刷電路版的微推力器被放置在單擺的底端。在單擺的另一側(cè)，與微推進(jìn)器正對(duì)的位置，安裝有線圈。線圈浸沒(méi)在永久磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)場(chǎng)中，產(chǎn)生與微推進(jìn)器推力相反的力，以使單擺固定在垂直的位置。位移傳感器由高頻變送器(磁鐵)和高頻接收器(銅板)組成?？刂拼盆F和銅板之間的距離可調(diào)節(jié)高頻信號(hào)的幅度。位置控制回路由PID電路完成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)被固定在一個(gè)大理石臺(tái)面上，以盡量減小測(cè)試過(guò)程中的振動(dòng)干擾。當(dāng)有推力產(chǎn)生時(shí)，單擺繞樞軸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。位移傳感器供給電壓給電子控制系統(tǒng)，線圈中的電流增大，產(chǎn)生復(fù)原力，直到單擺到達(dá)參考位置。復(fù)原力正比于線圈中的電流，因此通過(guò)測(cè)試線圈中的電流便可得到平衡力，即微推進(jìn)器產(chǎn)生的推力。另外，數(shù)碼相機(jī)記錄燃燒過(guò)程，測(cè)得燃速。

圖7 法國(guó)圖盧茲大學(xué)用實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖和實(shí)物圖[21-22]

新加坡國(guó)立大學(xué)[9-10]和韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院[14-16]用壓電傳感器通過(guò)壓力信號(hào)和電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)測(cè)量推力，簡(jiǎn)單精確。沖擊擺是一種將待測(cè)沖量轉(zhuǎn)化為擺動(dòng)角度的測(cè)量裝置。法國(guó)圖盧茲大學(xué)LAAS-CNRS[21-22]、日本九州大學(xué)[12]、美國(guó)加州理工大學(xué)[17]、美國(guó)加州大學(xué)[4-5，11]和南京理工大學(xué)等單位分別將單擺與線圈、激光位移計(jì)或激光干涉儀、壓電傳感器等聯(lián)用，間接測(cè)量推力沖量。但實(shí)驗(yàn)中無(wú)法避免單擺轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中因摩擦或外界空氣阻力及重力作用引起的誤差，所得結(jié)果不精確。加拿大約克大學(xué)YUSend實(shí)驗(yàn)室[1-3]搭建的吊籃式實(shí)驗(yàn)臺(tái)是通過(guò)吊籃位移的變化，間接得到微推力。與沖擊擺存在的問(wèn)題一樣，間接測(cè)量誤差較大。綜合比較，壓電式測(cè)試系統(tǒng)更適用于微推力的測(cè)量。因所測(cè)推力在毫牛級(jí)，需要選用高靈敏度的壓電傳感器。

2 含硼推進(jìn)劑用于微推進(jìn)器的初步研究

盡管常規(guī)尺度固體化學(xué)推進(jìn)器的研究已經(jīng)較普遍，但是相關(guān)實(shí)驗(yàn)和理論并不適用于微型設(shè)備。因?yàn)槲⑼七M(jìn)器燃燒室的尺寸一般在毫米或亞毫米級(jí)，由于較大的比表面積引起嚴(yán)重的散熱損失，其內(nèi)部的燃料難以點(diǎn)燃，且易發(fā)生不穩(wěn)定燃燒和熄火等現(xiàn)象[23-24]。與常規(guī)尺度比，微燃燒室中燃料的駐留時(shí)間短、層流特征明顯、黏性力和摩擦力大等微通道效應(yīng)顯著[25-26]；有關(guān)尺寸減小，絕熱壁面的假設(shè)也不再成立。另外，因?yàn)樵O(shè)備尺寸的減小，火焰尺寸與燃燒室尺寸相當(dāng)，且燃燒時(shí)間短，很難實(shí)現(xiàn)燃盡。因此如何實(shí)現(xiàn)微推進(jìn)器中燃料的順利點(diǎn)火和高效燃燒尤為重要。

硼具有較高的質(zhì)量熱值和體積熱值，且硼的燃燒產(chǎn)物潔凈、分散性好，可以顯著減小二相流損失，提高噴射效率[27]，使硼富燃料推進(jìn)劑成為固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的首選燃料。高氯酸銨是推進(jìn)劑的主要添加劑之一，作為強(qiáng)氧化劑易于分解產(chǎn)生大量的氧氣。我們前期的研究選取無(wú)定形硼(B)和高氯酸銨(AP)混合制備的含硼推進(jìn)劑作為研究對(duì)象，驗(yàn)證它用于微推進(jìn)器的性能。我們分析了B/AP質(zhì)量比分別為1/3，1/2，1/1，2/1，3/1，4/1，5/1的含硼推進(jìn)劑的火焰形貌和點(diǎn)火燃燒特性參數(shù)發(fā)現(xiàn)，氧/燃比為 1 的含硼推進(jìn)劑在微細(xì)圓管中的燃燒劇烈且穩(wěn)定，符合微火箭推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)推力和動(dòng)力高效且穩(wěn)定產(chǎn)生的要求[30-31]。含硼推進(jìn)劑在內(nèi)徑5 mm，壁厚1 mm，長(zhǎng)度50 mm，上端孔徑1.5 mm的石英玻璃微燃燒器中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)B/AP質(zhì)量比為4/6時(shí)，其推力、沖量及比沖同時(shí)達(dá)到最大，推力達(dá)81.2 mN，最大沖量達(dá)0.465 N·s，最大比沖達(dá)39.99 s[32-33]。

硼表面覆蓋著一層B2O3氧化膜，阻礙了外界氧化劑與硼顆粒的直接接觸和反應(yīng)。在硼被點(diǎn)燃時(shí)，B2O3氧化膜呈熔融態(tài)，需要很高的溫度才能實(shí)現(xiàn)快速蒸發(fā)[28]。且硼的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較高，使硼存在點(diǎn)火溫度高、點(diǎn)火延遲時(shí)間長(zhǎng)、燃燒效率低等點(diǎn)火和燃燒性能差的問(wèn)題[29]。因此，如何實(shí)現(xiàn)微小尺度環(huán)境下含硼推進(jìn)劑的成功、快速點(diǎn)火和持續(xù)、穩(wěn)定、劇烈、高效燃燒，是亟待解決的問(wèn)題。我們研究發(fā)現(xiàn)：草酸是一種有機(jī)酸，可以溶解硼顆粒表面的氧化膜，且分解產(chǎn)生的氣體利于氧化膜的消耗，可以有效改善硼的點(diǎn)火燃燒特性[34,35]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：草酸可以有效地縮短硼的點(diǎn)火延遲時(shí)間，提高硼的燃燒效率，改善硼的點(diǎn)火性能和燃燒效率。下一步工作應(yīng)合理控制草酸的添加量，使草酸發(fā)揮提升硼點(diǎn)火性能和燃燒效率的同時(shí)，減小草酸對(duì)含硼推進(jìn)劑燃速和燃燒強(qiáng)度的不利影響。以實(shí)現(xiàn)含硼推進(jìn)劑在微細(xì)圓管中更加快速點(diǎn)火和更高效、劇烈、穩(wěn)定燃燒。因此，為了獲得適用于微推進(jìn)器的含硼推進(jìn)劑的改進(jìn)配方，可以選用草酸、氫化鋰等作為添加劑，或使用包覆工藝改善硼的性能[36-37]。

評(píng)價(jià)微推進(jìn)器中燃料的性能指標(biāo)包括：點(diǎn)火過(guò)程中的點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火成功率、點(diǎn)火功率等，燃燒過(guò)程中的火焰形貌、燃速、燃燒劇烈程度等及推力沖量的大小和穩(wěn)定性。進(jìn)行含硼推進(jìn)劑用于微推進(jìn)器的研究，應(yīng)當(dāng)對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和評(píng)價(jià)。我們將在前期工作的基礎(chǔ)上，搭建一套集點(diǎn)火控制、燃燒和推進(jìn)性能診斷于一體的激光點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)；研究含硼推進(jìn)劑自身理化特性和微尺度環(huán)境因素對(duì)微推進(jìn)器性能的影響；尋求適用于微推進(jìn)器的含硼推進(jìn)劑配方，獲得該配方作為微推進(jìn)器能量單元的性能規(guī)律及其在微推進(jìn)器中快速點(diǎn)火和持續(xù)穩(wěn)定高效燃燒的方法。為微推進(jìn)器燃料配方的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

3 結(jié)論

本文從微推進(jìn)器結(jié)構(gòu)類(lèi)型、點(diǎn)火裝置、材料選擇、推進(jìn)劑配方、測(cè)試系統(tǒng)等方面進(jìn)行了綜述，認(rèn)為有關(guān)研究應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面著手。

1) 微推進(jìn)器的尺寸在微米、毫米級(jí)，微加工工藝精度是制約其發(fā)展的主要因素。

2) 為了得到需要的推力、沖量等參數(shù)，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置點(diǎn)火器、噴嘴、燃燒室、密封蓋等組成部分的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸及推進(jìn)劑配方。

3) 微推進(jìn)器陣列結(jié)構(gòu)可以避免固體推進(jìn)劑微推進(jìn)器單發(fā)的缺陷。為了有效控制微推進(jìn)器陣列的單元有序啟停，獲得所需要的推力、沖量，研究的重點(diǎn)應(yīng)該是尋址電路的設(shè)計(jì)。

4) 因?yàn)槌叨鹊臏p小，用于溫度、壓力等測(cè)量的常規(guī)儀器設(shè)備，無(wú)法直接應(yīng)用于微推進(jìn)器，因此提高微燃燒的觀測(cè)，及微推力、微沖量的測(cè)試精確度是非常重要的。

5) 微推進(jìn)器用于微航天器，處于真空環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室里應(yīng)用研究的關(guān)鍵必須是真實(shí)的模擬太空環(huán)境。

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