張致遠，鄧寒玉，廖文和，張 翔，趙 玲，畢一凡

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

0 引 言

微納衛(wèi)星具有體積小、成本低、研制周期短、易發(fā)射、可編隊組網(wǎng)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于空間科學試驗、新技術(shù)空間演示驗證、空間攻防等方面，成為現(xiàn)代衛(wèi)星研制的主要趨勢之一。微納衛(wèi)星要實現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)移、抵近觀測、空間規(guī)避與攔截等任務(wù)目標，必須配備具有快速軌道機動能力的推進系統(tǒng)。

目前已知的星載推進系統(tǒng)包括電推進系統(tǒng)、冷氣推進系統(tǒng)、固體推進系統(tǒng)以及液體推進系統(tǒng)。其中，電推進系統(tǒng)及冷氣推進系統(tǒng)推力較小，多為毫牛級別，通常用于衛(wèi)星精確姿態(tài)控制及緩慢的軌道機動，難以滿足快速機動變軌、離軌、空間規(guī)避與攔截等任務(wù)需求。固體推進系統(tǒng)及液體推進系統(tǒng)可提供較大推力，但固體推進系統(tǒng)難以實現(xiàn)推力調(diào)節(jié)及多次啟動；液體推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推進劑多為有毒物質(zhì)，使用及維護成本較高，二者應(yīng)用于微納衛(wèi)星時，均存在一定局限。因此，各國逐漸就微納衛(wèi)星混合推進系統(tǒng)展開研究。

混合推進系統(tǒng)是介于液體推進系統(tǒng)和固體推進系統(tǒng)之間的一種推進系統(tǒng)。整個推進系統(tǒng)由液體氧化劑儲箱、液體氧化劑儲箱增壓系統(tǒng)、液體氧化劑、管路、調(diào)節(jié)閥、噴注器、固體燃料藥柱、燃燒室殼體、噴嘴及點火器等組成。

混合推進系統(tǒng)結(jié)合固體與液體推進系統(tǒng)的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)簡單、推力可調(diào)且能夠?qū)崿F(xiàn)多次點火啟動。此外，混合推進系統(tǒng)安全性高、可靠性高、研制成本低、常用推進劑綠色無毒，能夠滿足高性能星載推進系統(tǒng)的多種需求，在衛(wèi)星快速機動變軌、抵近觀測、空間攔截、空間規(guī)避及在軌捕獲等方面具有較強的競爭力和誘人的應(yīng)用前景。

各國在微納衛(wèi)星混合推進技術(shù)方面都開展了大量的研究和試驗，相關(guān)單項技術(shù)研究有較多文獻可以參考，但相應(yīng)的系統(tǒng)性綜合論述較少。因此，本文總結(jié)了微納衛(wèi)星混合推進技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)要求，指出其發(fā)展趨勢及存在的問題。在此基礎(chǔ)上，綜述了星載混合推進系統(tǒng)需攻克的主要關(guān)鍵技術(shù)，并分析了相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑和技術(shù)方向。最后，針對我國微納衛(wèi)星混合推進技術(shù)的發(fā)展提出了建議。

1 微納衛(wèi)星混合推進技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

微納衛(wèi)星混合推進技術(shù)的研究始于20世紀90年代，經(jīng)過20余年的研究，獲得了蓬勃的發(fā)展。目前國外從事星載混合推進技術(shù)研究的機構(gòu)主要有美國的普渡大學、猶他州立大學、賓夕法尼亞州立大學、SpaceDev公司、法國的ONERA公司和英國的薩里大學等。

普渡大學和通用動力公司(GK)首先開展小型過氧化氫(HO)混合推力器的研究，主要考慮到這種類型的推力器制造體積小、成本低、操作性好，有較好的實際應(yīng)用價值。其中普渡大學針對過氧化氫/聚乙烯(HO/PE)混合推力器開展多次地面點火試驗，均獲得成功。

1999年，SpaceDev公司基于微納衛(wèi)星設(shè)計研制了一種混合推力器。該推力器直徑為130 mm，長度為305 mm，采用HO為氧化劑，工作時間為45 s，驗證了混合推進系統(tǒng)的節(jié)流能力。同時期，法國的ONERA公司基于100 kg級微小衛(wèi)星研制了HO/PE及過氧化氫/端羥基聚丁二烯(HO/HTPB)混合推進系統(tǒng)，并進行了相應(yīng)的地面點火試驗。

2001年，英國薩里大學設(shè)計了一種用于小型航天器軌道轉(zhuǎn)移的旋流“薄餅狀”混合推力器，并開展相應(yīng)驗證試驗(見圖1)。推力器采用聚甲基丙烯酸甲酯/過氧化氫(PMMA/HO)推進劑組合形式，氧化劑沿發(fā)動機藥柱外徑切向噴注。氧化劑旋流有效提高了推力器的工作性能，其真空比沖可達300 s。

圖1 英國薩里大學研制的旋流混合推力器Fig.1 Swirl hybrid thruster developed by University of Surrey

但過氧化氫常溫常壓下為液體，推進系統(tǒng)工作過程中須使用增壓裝置將液體氧化劑擠壓入燃燒室進行反應(yīng)；此外，過氧化氫穩(wěn)定性較差，不易儲存。因此，國內(nèi)外科研機構(gòu)對基于氧化亞氮的混合推進系統(tǒng)展開研究。氧化亞氮(NO)是一種常見的綠色推進劑，具有自增壓特性，是大多數(shù)低成本混合推進系統(tǒng)和液體推進系統(tǒng)的氧化劑選擇之一。

2014年，猶他州立大學設(shè)計研制了一種用于微納衛(wèi)星的混合動力微型推力器。推力器由混合推進系統(tǒng)與冷氣推進系統(tǒng)組成，試圖實現(xiàn)衛(wèi)星姿軌一體化控制。推力器中的混合推進系統(tǒng)采用氧化亞氮/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(NO/ABS)推進劑組合，推力為200 N，比沖可達240 s。

2015年，賓夕法尼亞州立大學設(shè)計了一種用于6U立方體衛(wèi)星的混合推力器，使用NO作為氧化劑，分別以石蠟、石蠟/丙烯酸、ABS和Windform XT 2.0為固體燃料，在其高壓燃燒實驗室中進行點火試驗，進行推進系統(tǒng)工作性能的比較。

2017年，英國薩里大學設(shè)計了一種新型混合推進系統(tǒng)，用作微納衛(wèi)星動力裝置(見圖2)。該推進系統(tǒng)以氫氧化鈉和水作為氧化劑，鋁為燃料，峰值推力為0.289 N，理論比沖可達224.4 s。

圖2 英國薩里大學研制的Al/NaOH(H2O)混合推力器Fig.2 Al/NaOH (H2O) hybrid thruster developed by University of Surrey

國內(nèi)早期同樣對星載混合推進技術(shù)進行了研究。近年來，越來越多的高校與科研院所投入到研究的行列中。

2017年，上?？臻g推進研究所提出基于混合推進技術(shù)的雙模式混合動力推進系統(tǒng)概念(見圖3)。該推進系統(tǒng)的主發(fā)動機采NO/PMMA混合推進系統(tǒng)，姿控發(fā)動機采用NO單組元推進系統(tǒng)，能夠滿足微納衛(wèi)星軌道機動需求。

圖3 微納衛(wèi)星雙模式混合動力推進系統(tǒng)Fig.3 Dual-mode propulsion system for micro-nano satellite

總的來說，國外針對星載混合推進技術(shù)展開大量研究與試驗，完成了一系列樣機的研制，正在步入空間應(yīng)用階段。國內(nèi)相關(guān)研究報道相對較少，主要集中在理論研究及原理樣機研制階段，因而有必要借鑒國外研究成果，展開關(guān)鍵技術(shù)突破，進行試驗驗證，早日實現(xiàn)工程應(yīng)用。

1.2 發(fā)展趨勢

結(jié)合未來空間任務(wù)需求和技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，微納衛(wèi)星混合推進系統(tǒng)向著小型化、標準化與模塊化及高比沖等方向發(fā)展，值得引起相關(guān)研究人員的關(guān)注。

1)小型化

由于微納衛(wèi)星體積及質(zhì)量的嚴格限制，星載推進系統(tǒng)的小型化成為必然趨勢。為了實現(xiàn)小型化，相關(guān)研究人員采用多種技術(shù)手段，如使用具有自增壓能力的氧化劑，簡化氧化劑供給系統(tǒng)；將氧化劑儲箱及管路等布置在推力器殼體內(nèi)部，提高推力器集成度；采用先進制造技術(shù)，實現(xiàn)推力器殼體、噴嘴及固體裝藥的一體化制造等。

2)標準化、模塊化

星載推進系統(tǒng)標準化與模塊化是指將推力器按一定標準設(shè)計加工成規(guī)格統(tǒng)一的模塊，根據(jù)實際任務(wù)需求，選取合適數(shù)量的推力器按一定的排布方式搭載于衛(wèi)星。在未來研制過程中，單次衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量都在幾顆甚至幾十顆，如果按傳統(tǒng)的定制思路進行推進系統(tǒng)設(shè)計，其研制成本較高，同時研發(fā)周期將較長且難以受控，因此需要實現(xiàn)標準化和模塊化研制生產(chǎn)，大幅降低研制成本。此外，模塊化的設(shè)計提高了推進系統(tǒng)與星體之間的兼容性，有利于適應(yīng)不同的飛行任務(wù)、擴展了其應(yīng)用范圍。

3)高比沖

星載混合推進系統(tǒng)比沖的提升也是其今后發(fā)展的一個重要方向。比沖是指推進系統(tǒng)推力與每秒消耗推進劑重量的比值，它是推進系統(tǒng)一個重要的性能指標。提高推進系統(tǒng)的比沖可大幅減少推進劑的攜帶量，從而提高衛(wèi)星有效載荷比，延長在軌壽命和降低發(fā)射重量。通過選擇高能量特性的推進劑組合及在固體燃料中添加高能物質(zhì)，均可有效提高推進系統(tǒng)比沖。

2 存在的問題及關(guān)鍵技術(shù)

微納衛(wèi)星混合推進系統(tǒng)在向著小型化、模塊化與標準化以及高比沖等方向發(fā)展，存在一些問題亟待解決：

(1)現(xiàn)有的點火方法均存在功耗較高的問題，限制了星載混合推進系統(tǒng)的實際應(yīng)用。不論是催化點火、等離子體點火還是電弧點火，在工作時均需星上提供較大功率支持，增加了電源管理模塊及電源分系統(tǒng)的質(zhì)量。此外，對于催化點火，點火前需要對催化床進行預(yù)熱，點火延遲時間較長。

(2)傳統(tǒng)的加工方式難以實現(xiàn)星載混合推進系統(tǒng)小型化、輕量化及一體化制造，不符合微納衛(wèi)星小型化的發(fā)展趨勢；零件間的裝配會增加推進系統(tǒng)的質(zhì)量。針對推進系統(tǒng)中小而復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的加工方式效率較低，有時甚至難以實現(xiàn)加工。

(3)星上提供給推進系統(tǒng)的體積有限，實現(xiàn)氧化劑儲箱、壓力供給系統(tǒng)、管路、閥門、點火系統(tǒng)及推力器的高度集成存在一定難度。

(4)目前已知的星載混合推進系統(tǒng)，其比沖大多無法滿足新一代綠色推進系統(tǒng)350 s的真空比沖要求，完成任務(wù)需攜帶較多推進劑，導致推進系統(tǒng)質(zhì)量增加、規(guī)模增大，衛(wèi)星有效載荷比降低。

(5)由于微納衛(wèi)星混合推進系統(tǒng)體積限制，其固體燃料結(jié)構(gòu)尺寸通常較小，燃燒室長度、體積也相應(yīng)較小。這種情況下，混合氣體難以在燃燒室中實現(xiàn)充分摻混燃燒，便經(jīng)噴管排出，燃燒效率較低。

針對上述問題，在星載混合推進系統(tǒng)的研究過程中，涉及以下幾種關(guān)鍵技術(shù)需要進行攻關(guān)，如先進一體化制造、可靠低功耗多次點火啟動、比沖提升、高效燃燒等，采取有效的解決措施，推動星載混合推進系統(tǒng)的發(fā)展。

2.1 先進制造技術(shù)

星載混合推進系統(tǒng)的加工制造趨向于小型化、輕量化、一體化，采用傳統(tǒng)的加工方式需對不同零件進行裝配，增加了推進系統(tǒng)的質(zhì)量，難以實現(xiàn)推進系統(tǒng)的高度集成。

針對傳統(tǒng)加工方式帶來的問題，最直接有效的解決途徑是尋找先進的加工制造方法及工藝。增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化制造，具有制造成本低、周期短的優(yōu)勢，為衛(wèi)星推進系統(tǒng)組件的制造提供了新技術(shù)與新方法，能夠有效解決復(fù)雜幾何特征結(jié)構(gòu)制造難題，實現(xiàn)推進系統(tǒng)一體化制造，提高推進系統(tǒng)集成度。

2013年，意大利CRP集團美國分部與美國猶他州普羅維登斯推進實驗室共同完成微型推進系統(tǒng)AMPS-H的設(shè)計與制造。這是第一個采用增材制造技術(shù)加工的功能完備的推進系統(tǒng)。

在此基礎(chǔ)上，2015年，賓夕法尼亞州立大學設(shè)計了一種用于6U立方體衛(wèi)星的混合推進系統(tǒng)(見圖4)。該推進系統(tǒng)通過增材制造技術(shù)實現(xiàn)氧化劑儲箱、推力器殼體、固體裝藥及噴嘴的一體化制造，大幅度提高推進系統(tǒng)集成度，降低推進系統(tǒng)質(zhì)量。

圖4 一體化制造混合推力器Fig.4 Integrated manufacturing hybrid thruster

基于增材制造技術(shù)，猶他州立大學采用固體裝藥材料打印推進系統(tǒng)燃燒室，然后鍍上薄的鎳表面涂層，取代傳統(tǒng)的發(fā)動機殼體。這種基于增材制造的電鍍技術(shù)能夠減輕推進系統(tǒng)重量，提高推力器殼體抗拉強度及壓力承受能力。

綜上所述，通過增材制造技術(shù)可以顯著提高推力器集成度，降低推進系統(tǒng)質(zhì)量。但增材制造技術(shù)也存在表面加工質(zhì)量與精度難以保證的共性問題。微納衛(wèi)星混合推力器的結(jié)構(gòu)是一部分形狀較為規(guī)則而另一部分形狀復(fù)雜，針對這種情況，建議考慮采用傳統(tǒng)加工與增材制造相結(jié)合高效加工方法，兼顧傳統(tǒng)加工方式高質(zhì)量的優(yōu)勢以及增材制造成本低、集成度高的優(yōu)點，取長補短，實現(xiàn)星載混合推進系統(tǒng)一體化結(jié)構(gòu)的高效及高質(zhì)量制造。

2.2 點火技術(shù)

點火系統(tǒng)是高性能星載混合推進系統(tǒng)的重要組成部分?？煽康狞c火系統(tǒng)須在最佳點火延時條件下成功、精確地點燃氧化劑與固體燃料組合，并實現(xiàn)推進系統(tǒng)多次點火啟動。用于混合推進系統(tǒng)的點火方法較多，其中能夠?qū)崿F(xiàn)多次啟動的點火方法包括催化點火、火炬點火及電弧點火。

..催化點火技術(shù)

催化點火技術(shù)通過氧化劑催化分解放熱，熱解固體燃料并點燃可燃混合氣體，進而實現(xiàn)推進系統(tǒng)點火。常見的用于催化點火的氧化劑有過氧化氫、硝酸以及氧化亞氮等。

過氧化氫密度比液氧高、無毒，且燃燒產(chǎn)物干凈，對環(huán)境沒有污染，受到廣泛關(guān)注。宋志兵等研制了一種基于HO和RP-1燃料的點火器，成功點燃HO/HTPB混合推進系統(tǒng)，證明了HO催化點火的可行性；Cai等對90%HO/PE混合推進系統(tǒng)進行了多次點火試驗，并對其催化點火過程進行瞬態(tài)分析，建立了90%HO/PE混合推進系統(tǒng)的點火判據(jù)。

國際上同樣針對HO催化點火技術(shù)展開研究。Wernimont等研制了一種新型消耗型催化點火裝置，實現(xiàn)85%HO/PE混合推進系統(tǒng)快速、可靠啟動；Austin等提出了一種全催化燃料裝藥，為混合推進系統(tǒng)不依賴催化床點火提供了解決方案。

但是過氧化氫穩(wěn)定性較差，遇到雜質(zhì)可能導致分解爆炸。因此，國內(nèi)外研究人員針對氧化亞氮催化點火技術(shù)展開研究。萬科等設(shè)計了用于啟動NO混合推進系統(tǒng)的催化點火器，成功實現(xiàn)推進系統(tǒng)的冷熱再啟動。趙瑜等對NO/HTPB混合推進系統(tǒng)的工作過程進行三維數(shù)值仿真，對推力器性能進行分析評估。

國外也針對NO混合推進系統(tǒng)的催化點火開展研究工作。Wilson等利用螺線管完成液態(tài)NO的蒸發(fā)及預(yù)熱，隨后通過氧化鋁基釕催化劑實現(xiàn)NO催化分解，成功點燃NO混合推進系統(tǒng)(見圖5)。

圖5 N2O催化點火系統(tǒng)Fig.5 N2O catalytic ignition system

美國航天局Ames研究中心進行了多次推力在1～25 N范圍內(nèi)的NO/PMMA混合推力器地面點火測試，實現(xiàn)了可靠的點火及冷、熱再啟動。

綜上所述，國內(nèi)外研究人員對混合推進系統(tǒng)催化點火技術(shù)進行大量研究，能夠可靠地實現(xiàn)推進系統(tǒng)冷熱再啟動。但受微納衛(wèi)星成本及功耗的限制，催化點火技術(shù)仍存在以下問題有待解決：①在點火前需要對催化床進行預(yù)熱，點火延遲時間較長；此外，需要星上提供較大的功率用于催化床的加熱；②催化劑存在高溫失效的問題，因此，需要采用耐高溫的催化劑，減輕催化劑失效對推進系統(tǒng)可靠性和壽命產(chǎn)生的影響。

..火炬點火技術(shù)

火炬點火技術(shù)通過火花塞點燃主燃燒室的引燃火焰，進而實現(xiàn)推進系統(tǒng)點火啟動，具有點火能力強、可靠性高等優(yōu)點?；鹁纥c火器既可以使用固體推進劑，也可以通過液體/氣體氧化劑形成點火炬。其中，采用液體/氣體氧化劑能夠?qū)崿F(xiàn)推進系統(tǒng)多次啟動，近年來倍受關(guān)注。

Shi等研究了常壓下CH/O火炬點火器快速混合型管狀火焰的混合過程，并闡述了影響混合過程的主要因素。在此基礎(chǔ)上，Wu等設(shè)計了一種快速混合旋流火炬點火器(見圖6)，研究其燃燒特性，驗證了該旋流點火器的多次點火能力，并與相應(yīng)的催化點火技術(shù)進行了比較。結(jié)果表明，針對實驗室規(guī)模的GOX/石蠟混合推進系統(tǒng)，旋流火炬點火器的點火延遲時間僅為0.6 s，而對應(yīng)的催化點火方法，其點火延遲時間長達4 s。

圖6 快速混合旋流火炬點火器Fig.6 Rapid mixing swirl torch igniter

國際上同樣針對火炬點火技術(shù)展開研究。Sanchez等設(shè)計了一種火炬點火系統(tǒng)，采用多種推進劑組合進行點火試驗，評估該點火器的性能。Biswas等使用甲烷/空氣和氫氣/空氣射流多次點燃以PMMA為燃料的混合推力器，并對點火器的點火機理進行分析。

綜上所述，火炬點火技術(shù)發(fā)展迅速，能夠?qū)崿F(xiàn)不同推進劑組合形式推力器的多次點火啟動。但對于微納衛(wèi)星，火炬點火技術(shù)需配備額外的氣體燃料及相應(yīng)的供給管路,增加了點火系統(tǒng)的質(zhì)量，制約其在星載混合推進系統(tǒng)上的應(yīng)用。

..電弧點火技術(shù)

電弧點火技術(shù)通過在電極間施加電壓，利用高壓放電產(chǎn)生的電弧熱解部分固體燃料，并提供能量點燃可燃混合氣體，實現(xiàn)點火。對于微納衛(wèi)星，電弧點火技術(shù)同樣存在功耗較高的問題。

近年來，出現(xiàn)一種新型電弧點火技術(shù)(見圖7)，該點火技術(shù)基于熔融沉積制造(FDM)打印的ABS固體燃料特有的電擊穿特性，能夠在小于10 W的輸入功率條件下實現(xiàn)推進系統(tǒng)點火啟動，點火功耗低，較大程度簡化點火系統(tǒng)的電源管理模塊，減輕推進系統(tǒng)的重量。通過在氧化劑中加入烴類物質(zhì)，可以有效降低反應(yīng)活化能，僅依靠電弧能量便可實現(xiàn)推進系統(tǒng)可靠點火啟動，擺脫了點火系統(tǒng)對催化床的依賴，是星載混合推進系統(tǒng)點火技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。

圖7 低功率電弧點火器Fig.7 Low power arc igniter

2.3 高比沖推進劑

高比沖是微納衛(wèi)星混合推進系統(tǒng)的一個重要發(fā)展趨勢。目前已知的星載混合推進系統(tǒng)，其比沖無法滿足新一代綠色推進系統(tǒng)350 s的真空比沖要求，完成任務(wù)需要攜帶較多推進劑，導致推進系統(tǒng)質(zhì)量增加、規(guī)模增大，星上有效載荷的質(zhì)量降低。因此，有必要尋找高能量特性的推進劑組合形式，同時開展高能燃料配方研究，推動星載混合推進系統(tǒng)向著高比沖方向發(fā)展。

..常用推進劑及其組合性能

典型的混合推進系統(tǒng)采用固體燃料與液體氧化劑的組合形式。液體氧化劑的選擇范圍較廣，液體推進系統(tǒng)中使用的氧化劑大多可用于混合推進系統(tǒng)，表1所示為常用的液體氧化劑及其密度參數(shù)。

表1 常用液體氧化劑及其密度Table 1 Common liquid oxidizers and their densities

表2為常見固體燃料及其密度參數(shù)。其中，應(yīng)用最為普遍的是聚合物燃料，如HTPB和PE等。在實際應(yīng)用中，為了提高燃料的密度、力學性能及能量特性，常在聚合物燃料中添加金屬、金屬氫化物和一些非金屬物質(zhì)。此外，石蠟基燃料與ABS是近年來備受關(guān)注的新型燃料。石蠟基燃料存在液滴夾帶現(xiàn)象，使其具有很高的退移速率，可以達到HTPB退移速率的3～4倍。ABS具有與HTPB基本一致的燃燒性能，但其力學性能遠優(yōu)于HTPB。

表2 常用固體燃料及其密度Table 2 Common solid fuels and their densities

在混合推進系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，被廣泛使用的推進劑主要為HTPB、石蠟、PE等固體燃料與LOX、HO、NO等液體氧化劑的組合。這些燃料和氧化劑組合反應(yīng)的主要產(chǎn)物為CO、HO和N等，滿足綠色環(huán)保的要求。

上述推進劑組合中，LOX組合比沖最高，但其常溫下難以儲存，使用和維護較為繁瑣，多用于大型混合推進系統(tǒng)。HO組合具有較高的比沖，但穩(wěn)定性較差，遇雜質(zhì)可能分解爆炸。此外LOX組合與HO組合均需要氧化劑壓力供給系統(tǒng)，增加推進系統(tǒng)的質(zhì)量。NO組合能量特性相對較低，但其特有的自增壓特性，能夠簡化氧化劑供給系統(tǒng)，減輕推進系統(tǒng)重量。通過在固體燃料中添加高能物質(zhì)，能夠有效提高NO組合的比沖。

近年來，一種新型的氧化劑Nytrox受到廣泛關(guān)注。Nytrox是將氣氧通入液態(tài)氧化亞氮溶液中直至飽和形成，具有較高的體積效率及一定的自增壓特性，比沖性能優(yōu)于NO組合，操作溫度高于LOX組合。此外，Nytrox組合安全性高，其所需的點火能量高，避免了意外點火情況的發(fā)生。

..高能燃料配方研究

除了合理選擇推進劑組合形式外，在固體燃料中添加含能物質(zhì)以及選用含能黏合劑、含能增塑劑，同樣能夠提高推進劑能量，進而提高混合推進系統(tǒng)比沖。

1)含能黏合劑

以含能黏合劑替代惰性黏合劑，是提高推進劑能量的有效途徑之一。

目前國內(nèi)外對疊氮類含能黏合劑的研究較為活躍，該類黏合劑具有能量高的正生成焓，密度大，成氣性好，熱分解先于主鏈且獨立進行，將其應(yīng)用于推進劑中，不但能增加能量，還能加速燃料分解。其中疊氮類縮水甘油醚(GAP)兼具高能量和低敏感性，是新一代高性能黏合劑的代表之一，但較差的力學性能限制了其廣泛應(yīng)用。北京理工大學楊沖沖等利用預(yù)聚-擴鏈劑技術(shù)將聚乙二醇和聚四氫呋喃的嵌段共聚物(HTPE)引入GAP粘合劑中，研制了一種GAP/HTPE/N100新型黏合劑體系，其力學性能和能量特性均優(yōu)于GAP基推進劑。

2)含能增塑劑

以含能增塑劑替代惰性增塑劑同樣可以提高燃料能量。

丁基硝氧乙基硝胺(Bu-NENA)是一種兼具硝胺基和硝酸酯基的含能增塑劑，具有生成焓高、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點低、熱化學性質(zhì)較穩(wěn)定以及燃燒產(chǎn)物平均相對分子質(zhì)量低等優(yōu)點。2000年美國NAWCWD研制的ADN基推進劑使用了Bu-NENA作為增塑劑。

疊氮封端的齊聚物GAPA為端羥基被疊氮基取代的低分子量GAP齊聚物，其合成方法與GAP黏合劑類似。GAPA具有感度低、含氮量高等優(yōu)點，被認為是很有潛力的含能增塑劑。北京理工大學Wang等將Bu-NENA和GAPA分別應(yīng)用與PBA基和GAP基推進劑中，得到了四種理論比沖均大于270 s的推進劑。對于GPA和PBA這兩種疊氮黏合劑體系，GAPA的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于Bu-NENA。

3)含能填料

在燃料中添加含能填料是提高推進劑能量特性常用的方法。

金屬與金屬氫化物是最常見的燃料添加劑。金屬密度高，耗氧量低，有較高的燃燒焓，能夠有效提高推進劑比沖，但金屬在燃燒時，易于融化和結(jié)塊，堵塞噴管喉部，改變噴管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而影響發(fā)動機的正常工作。金屬氫化物能夠大大降低燃燒產(chǎn)物平均分子量，燃燒時，釋放出的氫與分離后的金屬共同參與燃燒，增加了反應(yīng)體系及燃燒產(chǎn)物的熱能，進而提高推進系統(tǒng)比沖。

此外，ADN是一種能量高、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好的新型含能材料，具有良好的應(yīng)用前景。俄羅斯、美國、加拿大等國均致力于含ADN高能穩(wěn)定、低特征信號固體燃料的研究。其中GAP/ADN/Al基推進劑兼具高能和穩(wěn)定特性，理論比沖可達275 s以上。目前，ADN推進劑面臨的主要問題是如何改善ADN吸濕性。

綜上所述，通過選擇高能量特性的推進劑組合形式以及在固體燃料中添加高能物質(zhì)，均可有效提高星載混合推進系統(tǒng)的比沖。其中以在固體燃料中添加含能填料應(yīng)用最為廣泛。此外，在進行混合推進系統(tǒng)比沖研究時，還應(yīng)充分考慮氧化劑質(zhì)量通量及氧化劑與燃料配比的影響，盡量使推進系統(tǒng)工作在最佳氧燃比條件下，使比沖達到最大。

2.4 高效燃燒技術(shù)

推進系統(tǒng)的燃燒效率定義為單位推進劑實際反應(yīng)放熱與理想反應(yīng)放熱之比，它表示了推進系統(tǒng)內(nèi)部化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿男矢叩?。由于化學反應(yīng)放熱不容易計算，通常采用實際特征速度與理論特征速度之比對燃燒效率進行評估。

由于擴散燃燒的性質(zhì)，混合推進系統(tǒng)的燃燒效率通常較低。此外，微納衛(wèi)星混合推進系統(tǒng)的固體燃料結(jié)構(gòu)尺寸較小，燃燒室長度與體積也相應(yīng)較小，在這種情況下，混合氣體未經(jīng)充分摻混燃燒便通過噴管排出，使得燃燒效率進一步降低。因此，有必要就星載混合推進系統(tǒng)高效燃燒技術(shù)展開研究，提高燃燒效率，實現(xiàn)氧化劑與燃料的充分利用。

提高燃燒效率主要從提高燃料與氧化劑在燃燒室中的擴散混合程度入手，常用的方法包括合理設(shè)計噴注器、優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)、設(shè)計裝藥型面及結(jié)構(gòu)、增設(shè)預(yù)燃室和補燃室等。

..氧化劑旋流

通過旋流噴注器，使得噴入混合推進系統(tǒng)燃燒室中的氧化劑產(chǎn)生旋流，可以提高燃氣向燃面的傳熱及氧化劑與熱解燃料的擴散混合程度，進而提高推進系統(tǒng)的燃燒效率。

Shin等在推力器頭部采用旋流噴注器，使得發(fā)動機燃燒效率提高了25%。Lee等進一步研究了旋流噴注器對螺旋型面裝藥發(fā)動機燃燒效率的影響。研究結(jié)果表明，當螺旋型面藥柱的螺距為6 mm時，采用與垂直方向夾角為30°的旋流噴注器可使混合推進系統(tǒng)燃燒效率提高程度達到最大，接近30%。

但當發(fā)動機長徑比大于5時，在藥柱前端產(chǎn)生的氧化劑旋流不能保持至噴嘴處，旋流強度隨著向下游流動逐漸減弱，甚至消失。因此，藥柱前端旋流噴注器對燃燒效率的提高程度是有限的。

為了克服氧化劑旋流強度沿軸向逐漸減小的不足，日本九州大學提出了多位置旋流噴注的概念(見圖8)，即沿著推力器軸向多個位置布置噴注器，以提高燃燒效率。

圖8 多位置旋流噴注混合推力器Fig.8 Hybrid thruster with multi-position swirl injection

Li等對多位置旋流噴注混合推進系統(tǒng)的燃燒特性進行三維數(shù)值分析。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)頭部噴注相比，發(fā)動機燃燒效率從86.14%提高到95.73%。研究結(jié)果還表明，燃燒效率與噴注位置數(shù)量以及每個噴注器噴注端口數(shù)量成正比。

此外，通過對裝藥結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，使氧化劑沿藥柱壁面切向噴入燃燒室，同樣可以產(chǎn)生氧化劑旋流，提高混合推進系統(tǒng)燃燒效率。

ORBITEC公司的Knuth等采用氧氣切向噴射的方法大幅度提高了GOX/PMMA混合推進系統(tǒng)的燃燒效率。英國薩里大學成功將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微納衛(wèi)星，設(shè)計了一款用于軌道轉(zhuǎn)移的小型旋流“薄餅狀”混合推力器，氧化劑沿發(fā)動機藥柱外徑切向噴注，有效提高了推進系統(tǒng)的工作性能。

綜上所述，氧化劑旋流能夠有效提高燃燒效率，在大型混合推進系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。其中部分技術(shù)也在小型星載混合推進系統(tǒng)中得到了應(yīng)用與驗證。

..優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)

混合推進系統(tǒng)的燃燒與流動過程非常復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)燃燒室內(nèi)燃氣流動狀況有明顯差異。通過優(yōu)化推力器燃燒室結(jié)構(gòu)，增強燃氣在燃燒室內(nèi)的回流效應(yīng)，能夠有效提高混合推進系統(tǒng)燃燒效率。

燃燒室長徑比、預(yù)燃室及補燃室長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)均會對發(fā)動機燃燒效率產(chǎn)生直接影響。王鵬飛等對不同結(jié)構(gòu)燃燒室內(nèi)燃燒流動進行了二維軸對稱一體化數(shù)值計算(見圖9)。計算結(jié)果表明，特征速度和真空比沖隨預(yù)燃室的增長先增大后趨于平穩(wěn)，隨補燃室的增長而增大；相同理論氧燃比下，燃速隨長徑比的增大而增大，但不影響其分布趨勢，燃燒效率隨著長徑比的增大先減小再增大。

圖9 不同藥柱長徑比條件下燃燒室內(nèi)燃燒流動仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of combustion flow in combustion chambers under different length to diameter ratio of grain

此外，在推力器燃燒室中布置擾流板也可以改變?nèi)紵覂?nèi)燃氣流動狀況，提高推進系統(tǒng)燃燒效率。Kumar等對含擾流板的燃燒室內(nèi)燃氣流動情況進行數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明，在固體藥柱中添加擾流板可以提高燃燒率，當擾流板位置位于燃燒室中后部時，對燃燒效率提高最明顯。

小型星載混合推進系統(tǒng)同樣可以借鑒上述方法，通過增設(shè)預(yù)燃室、補燃室以及在燃燒室中添加擾流板等，提高推進系統(tǒng)燃燒效率。

..裝藥型面及結(jié)構(gòu)設(shè)計

無論是增設(shè)預(yù)燃室、補燃室還是添加擾流板，在提高燃燒效率的同時，也增加了推進系統(tǒng)的重量。設(shè)計裝藥型面及結(jié)構(gòu)，能夠避免上述問題，成為有效提高燃燒性能的另一種解決方案。

Whitmore等通過FDM技術(shù)打印的螺旋端面結(jié)構(gòu)ABS裝藥，具有良好的燃燒性能。然而，在推力器工作過程中，裝藥中的這些特征結(jié)構(gòu)會逐漸消失，導致燃燒性能緩慢下降。為了解決這個問題，Wang等研制了一種新型內(nèi)嵌螺旋結(jié)構(gòu)裝藥(見圖10)，將石蠟基燃料嵌入ABS基板中，利用石蠟和ABS燃料的燃速差異，使螺旋結(jié)構(gòu)在整個燃燒過程中保持完整。研究結(jié)果表明，與石蠟基燃料相比，新型螺旋結(jié)構(gòu)裝藥的燃燒效率提高了3%。

圖10 新型內(nèi)嵌螺旋結(jié)構(gòu)裝藥Fig.10 Novel grain with a nested helical structure

綜上所述，在微納衛(wèi)星混合推進系統(tǒng)燃燒室長度及體積有限的情況下，通過氧化劑旋流噴注、優(yōu)化推力器燃燒室結(jié)構(gòu)、復(fù)雜型面與結(jié)構(gòu)裝藥設(shè)計等技術(shù)途徑，能夠提高燃料與氧化劑在燃燒室中的擴散混合，實現(xiàn)星載混合推進系統(tǒng)的高效燃燒。

3 發(fā)展建議

1)采用傳統(tǒng)加工與增材制造相結(jié)合的高效加工方法，實現(xiàn)推力器殼體、氧化劑儲箱、供給管路、固體燃料及噴嘴等部件的一體化制造，提高推進系統(tǒng)集成度，同時兼顧傳統(tǒng)加工方式高質(zhì)量的優(yōu)勢，取長補短，有利于星載推進系統(tǒng)的小型化與工程化。

2)優(yōu)先發(fā)展低功率電弧點火技術(shù)。在已有研究基礎(chǔ)之上，進一步開展真空環(huán)境下點火試驗研究，驗證真空條件下點火可行性與可靠性，縮短點火延遲時間；優(yōu)化點火器結(jié)構(gòu)，使用多個點火器的冗余設(shè)計，為點火可靠性的提高提供保障。

3)加大關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究力度。針對多種氧化劑與燃料組合形式，不同噴注方式、燃燒室結(jié)構(gòu)及裝藥結(jié)構(gòu)下的燃燒流動機理展開深入研究，優(yōu)化推力器結(jié)構(gòu)，提高推進系統(tǒng)工作性能。

4)尋找高能量特性推進劑組合形式，加強高能燃料配方的研究，開展相應(yīng)推進劑性能測試。

5)在原理樣機正常工作的基礎(chǔ)上，進一步提高推進系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性；優(yōu)化推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將原理樣機小型化、工程化、模塊化。同時，提高混合推進系統(tǒng)與星上其他分系統(tǒng)的兼容性，實現(xiàn)星載混合推進系統(tǒng)的實際應(yīng)用。

4 結(jié)束語

混合推進系統(tǒng)結(jié)合了固體推進系統(tǒng)與液體推進系統(tǒng)的優(yōu)點，安全性高、可靠性高、研制成本低、可實現(xiàn)推進系統(tǒng)推力調(diào)節(jié)和多次啟動，適合用作微納衛(wèi)星高性能星載推進系統(tǒng)，能夠滿足微納衛(wèi)星大范圍軌道機動、抵近觀測、空間攔截、空間規(guī)避及在軌捕獲等任務(wù)需求。經(jīng)過20余年的發(fā)展，國外已經(jīng)完成了一系列樣機的研制，正在步入空間應(yīng)用階段。我國相關(guān)研究報道較少，主要集中在理論研究及原理樣機研制階段，因而有必要借鑒國外研究成果，在研究過程中從實際應(yīng)用需求出發(fā)，把握發(fā)展趨勢，注重可實現(xiàn)性，突破關(guān)鍵技術(shù)，為微納衛(wèi)星混合推進系統(tǒng)的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。