第四節(jié) 燃燒可控固體推進(jìn)技術(shù)

燃燒可控固體推進(jìn)技術(shù)是指燃燒方式可控、燃速可調(diào)的先進(jìn)固體推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)及裝藥技術(shù)，可根據(jù)實(shí)際需要完成點(diǎn)燃或熄滅的自主控制，當(dāng)前主要有兩類(lèi)：①自熄火復(fù)合固體推進(jìn)劑；②可熄火固體推進(jìn)劑。其中，電控制的燃燒/熄火可控固體推進(jìn)劑已在美國(guó)海軍微型推進(jìn)器、直徑50.8mm和76.2mm發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了成功驗(yàn)證。

盡管固體推進(jìn)劑的應(yīng)用日趨廣泛，其地位也越來(lái)越重要，但迄今為止，固體推進(jìn)劑仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)重復(fù)點(diǎn)火/熄滅，且控制推進(jìn)劑燃燒較為困難。而目前先進(jìn)的電控自熄火固體推進(jìn)劑表現(xiàn)出了與眾不同的優(yōu)良特性。相比于常規(guī)固體推進(jìn)劑，該推進(jìn)劑可重復(fù)實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火/熄火，而且具有能量高、安全無(wú)毒、密度比沖高、常壓不敏感等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

早在20世紀(jì)80年代末期，日本首先開(kāi)始了電控自熄火固體推進(jìn)劑的研究，90年代末期，美國(guó)開(kāi)始大量研究，美國(guó)有多家機(jī)構(gòu)參與相關(guān)研究，如美海軍空戰(zhàn)中心武器分部、陸軍研究發(fā)展與工程中心、美海軍研究實(shí)驗(yàn)室、美數(shù)字化固體推進(jìn)公司、美福羅里達(dá)州大學(xué)等單位。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)于2005年獲得了重大突破。美數(shù)字化固體推進(jìn)公司宣布研制成功了可熄火固體推進(jìn)劑。該公司與美海軍、空軍等開(kāi)展了密切合作。2014年3月，美海軍研究實(shí)驗(yàn)室和美數(shù)字化固體推進(jìn)公司聯(lián)合宣布，將利用該技術(shù)在國(guó)際太空站進(jìn)行小衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)控試驗(yàn)。

最早提出利用直流電弧來(lái)控制固體推進(jìn)劑點(diǎn)火/熄滅想法的是日本九州大學(xué)的副教授Takeshi Tachibana。1988年，他研制出了世界第一種可熄火固體推進(jìn)劑，使用電壓控制實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火/熄滅和可控的燃燒速度，可熄火推進(jìn)劑可以非常精確地控制火焰的持續(xù)時(shí)間和燃燒速度。通過(guò)試驗(yàn)，他對(duì)比了和常規(guī)固體推進(jìn)劑HTPB/AP/Al的電性能及點(diǎn)火能力。研究發(fā)現(xiàn)：①常規(guī)固體推進(jìn)劑HTPB/AP/Al點(diǎn)燃后不能通過(guò)控制電能的方式使其熄滅，而新型推進(jìn)劑可以做到可點(diǎn)火/熄滅；②通過(guò)調(diào)整推進(jìn)劑的氧化劑與還原劑的比例，可使得制備的推進(jìn)劑對(duì)電流敏感，可重復(fù)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的點(diǎn)火/熄滅；③推進(jìn)劑點(diǎn)燃后其電阻會(huì)發(fā)生變化，所以引燃推進(jìn)劑所需的電流與電壓無(wú)關(guān)，如圖2-11所示；④不同的推進(jìn)劑需要不同的點(diǎn)火電壓，推進(jìn)劑電阻值越大，所需的點(diǎn)火電壓就越高（見(jiàn)圖2-12），此外，新型推進(jìn)劑的點(diǎn)火電壓遠(yuǎn)高于HTPB/AP/Al推進(jìn)劑；⑤新型推進(jìn)劑點(diǎn)火時(shí)間與電流的關(guān)系表明，推進(jìn)劑中的還原劑含量越高，其點(diǎn)燃所需的時(shí)間越短，如圖2-13所示；⑥加大電流會(huì)增大推進(jìn)劑的燃燒速度。從圖2-14和圖2-15中可以看出，新型推進(jìn)劑受電流的影響較大，不論是燃燒中段還是末段，增大電流可顯著加快推進(jìn)劑的燃燒速度；而傳統(tǒng)HTPB/AP/Al推進(jìn)劑，在燃燒中段受電流的影響較大，而在末段影響較小。

盡管該新型推進(jìn)劑在電控方面較傳統(tǒng)推進(jìn)劑有很大優(yōu)點(diǎn)，但這些推進(jìn)劑還存在兩個(gè)顯著的缺陷：一是靈敏度低，它們常常不能在電流中斷后迅速熄滅，燃燒的精確性和準(zhǔn)確性都會(huì)因此而削弱，無(wú)法精確地控制推進(jìn)劑的推力大小；二是能量有限，這些推進(jìn)劑本身不提供能量，需要借助外界的電能電離產(chǎn)生氣體。因此，人們圍繞可熄火固體推進(jìn)劑推進(jìn)技術(shù)開(kāi)展了廣泛研究。

1999年，固體推進(jìn)公司在美空軍小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃（SBIR）的資助下開(kāi)始研究可熄火固體推進(jìn)劑。2005年，該公司公布了實(shí)際意義上的第一代可熄火自熄火固體推進(jìn)劑，這類(lèi)推進(jìn)劑代表了新一代的能源材料，具有可熄火、安全、綠色、高效等的特點(diǎn)。此推進(jìn)劑對(duì)火焰或火花不敏感，并做試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖2-16所示，圖中左邊為傳統(tǒng)固體推進(jìn)劑在火焰的點(diǎn)燃下持續(xù)燃燒，右邊是新型的可熄火固體推進(jìn)劑在火焰下并未點(diǎn)燃的試驗(yàn)場(chǎng)景。由圖可知，傳統(tǒng)固體推進(jìn)劑在火焰的作用下開(kāi)始了燃燒，而新型推進(jìn)劑并未點(diǎn)火，這就保證了該新型推進(jìn)劑在制造、運(yùn)輸和使用過(guò)程中的高安全性，因此，從安全角度來(lái)講該類(lèi)推進(jìn)劑又是一種鈍感含能材料。該推進(jìn)劑的產(chǎn)物全部為H₂O、CO₂、N₂，因此，對(duì)人類(lèi)環(huán)境來(lái)說(shuō)是綠色的。目前研制的這類(lèi)推進(jìn)劑其能量輸出比與當(dāng)今推進(jìn)劑相當(dāng)，甚至高于當(dāng)今推進(jìn)劑，因此，它又是一種高效的推進(jìn)劑。

這種推進(jìn)劑并不適合用作等離子點(diǎn)火推進(jìn)器燃料（Teflon）的替代品，等離子點(diǎn)火推進(jìn)器使用等離子體電弧來(lái)使得推進(jìn)劑從接觸面開(kāi)始蒸發(fā)電離形成等離子體，而該推進(jìn)劑則由于其自身導(dǎo)電率較高而使得電弧在瞬間貫穿整個(gè)推進(jìn)劑。

隨后，該公司又推出了具有高導(dǎo)電性的推進(jìn)劑，這種推進(jìn)劑被稱(chēng)為高性能電子推進(jìn)劑。但其導(dǎo)電率非常高，因此，新研制的推進(jìn)劑并不適合用于大口徑的發(fā)動(dòng)機(jī)，但它卻有非常好的縮比試驗(yàn)性能（口徑比例縮小后試驗(yàn)結(jié)果的吻合度較好），可用于微型衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)控等。這種推進(jìn)劑是一種均一度較高的材料，沒(méi)有顆粒狀結(jié)構(gòu)，可在室溫下進(jìn)行混合或灌裝，能夠形成不同的形狀，如圖2-17所示，可制備成圓柱體或扁平體等多種形狀，該推進(jìn)劑能在電能控制下進(jìn)行點(diǎn)火或熄滅。

人們制備了同軸、扁平兩種形狀的該類(lèi)推進(jìn)劑進(jìn)行電控制試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，利用電能可精確控制兩種推進(jìn)劑的點(diǎn)火/熄滅過(guò)程（見(jiàn)圖2-18）。

通過(guò)控制電能輸出的大小即可控制推進(jìn)劑的燃燒速率，從而調(diào)節(jié)推進(jìn)系統(tǒng)的推力大小，試驗(yàn)結(jié)果如圖2-19所示。

基于該電控固體推進(jìn)技術(shù)，美海軍研究實(shí)驗(yàn)室和固體推進(jìn)劑公司聯(lián)合研制了帶有姿態(tài)調(diào)控裝置的微型球形衛(wèi)星（見(jiàn)圖2-20），在電控固體推進(jìn)劑（新型）的作用下，可調(diào)整飛行器的飛行姿態(tài)。在全球定位系統(tǒng)（UMS）中，該裝置已經(jīng)得到了實(shí)際的應(yīng)用。