李 洋，夏智勛，馬立坤，那旭東，馮運超

（國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙 410073）

0 引 言

導(dǎo)彈的突防與攔截是近年來研究的熱點，隨著導(dǎo)彈武器裝備向高機動、快速突防方向的發(fā)展，要求導(dǎo)彈發(fā)動機具備多次啟動和推力可調(diào)能力［1-2］。液體火箭發(fā)動機雖然可實現(xiàn)多次點火，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、推進劑不易儲存、難以維護，且安全性差，不滿足快速響應(yīng)作戰(zhàn)需求［3］。高可靠性、結(jié)構(gòu)簡單、推進劑可長期儲存的固體火箭發(fā)動機和火箭沖壓發(fā)動機更適合用作導(dǎo)彈武器發(fā)動機，然而難以實現(xiàn)多次點火，并且推力不可控，嚴(yán)重限制了導(dǎo)彈武器的飛行機動性能［4-6］。電控固體推進劑（electrically controlled solid propellant，ECSP）具有通電點火、斷電熄滅，通過調(diào)節(jié)電壓可實現(xiàn)燃速調(diào)控的特點。ECSP 的整個工作過程（包括點火、熄滅以及燃速調(diào)節(jié)等）可以在外部電能的干預(yù)下實現(xiàn)主動控制，其工作原理是：施加適當(dāng)?shù)狞c火電壓，推進劑起火、持續(xù)燃燒直到電源斷開，且隨著電壓的增加，推進劑燃速增加。ECSP 特性的實現(xiàn)主要取決于推進劑的配方和電能的輸入、撤除以及調(diào)節(jié)，還與藥柱構(gòu)型、噴管設(shè)計、電極設(shè)計以及電源控制等相關(guān)［7-10］。將ECSP 應(yīng)用于導(dǎo)彈的姿軌控動力系統(tǒng)中，可在保留固體火箭發(fā)動機優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)多次點、熄火和推力寬域調(diào)節(jié)，極大地滿足了導(dǎo)彈武器系統(tǒng)響應(yīng)快、智能化的發(fā)展需求，大幅提升導(dǎo)彈的快速機動能力和遠(yuǎn)程精準(zhǔn)打擊能力，使得ECSP 在軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［11］。

電控固體火箭發(fā)動機的重復(fù)啟動和推力可調(diào)要求ECSP 必須能在一定壓強范圍內(nèi)下實現(xiàn)多次點火、燃速可調(diào)和熄滅可控。因此，了解和掌握ECSP 的電能工作機制、點火和燃燒機理及熄滅性能對推進劑電控點火燃燒性能的實現(xiàn)具有重要意義。聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）作為ECSP 常用的黏合劑，賦予了推進劑良好的粘彈性能和提供了離子遷移的良好通道，其熱解產(chǎn)物和熱分解機理的研究為建立ECSP 的點火燃燒模型提供動力學(xué)參數(shù)。由于ECSP 大部分電能用于克服離子遷移過程的阻力，因此點火燃燒過程中存在高電能能耗，高點火電壓等問題。研究影響ECSP 的導(dǎo)電性能的因素，掌握電能在推進劑點火過程中的作用機制，是提高ECSP 的電導(dǎo)率、降低推進劑電能損耗、獲得高性能ECSP 配方的重要途徑，也為建立ECSP 點火模型提供依據(jù)。采用仿真建模的手段有助于了解ECSP 的物理化學(xué)演變過程與電能的熱效應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)之間關(guān)系，為尋求降低ECSP 點火延遲時間、提高燃燒速率的方法以及指導(dǎo)配方設(shè)計提供思路。國外于1996 年開始研發(fā)ECSP，Katzakian 公司研發(fā)了以硝酸銨（ammonium nitrate，AN）為主氧化劑的第一代熄滅可控固體推劑［13］。其最大比沖為230 s，大氣壓下燃速為1.016～1.27 mm·s-1。然而，其點火延遲時間較長、能損耗率高、安全性能差，限制了該種推進劑的應(yīng)用和發(fā)展。2005 年，由第一代熄滅可控固體推劑進一步發(fā)展而來的以硝酸羥胺（hydroxy lammonium nitrate，HAN）為主 氧 化 劑 的 第 二 代 電 控 推 進 劑［14-15］（higher performance electric propellant，HIPEP），其真空比沖高、響應(yīng)時間短，進一步推動了ECSP 的發(fā)展［16-17］。目前美國DSSP 公司已形成了較為完善的ECSP 配方體系，研制了3～100 mm，推力為5 mN～1200 N ECSP 火箭發(fā)動機，并進行飛行試驗驗證。雖然以HAN 為氧化劑的推進劑是目前國內(nèi)外ECSP 研究的主流［18］，并且在姿態(tài)控制系統(tǒng)和空間推進劑點火系統(tǒng)均得到了一定應(yīng)用［19-20］，但是由于HAN 熱穩(wěn)定性較差（熱分解溫度為100 ℃左右），并且長期儲存時易分解，使其電控性能適應(yīng)壓強范圍較窄［21］。國內(nèi)從2014 年開始開展HAN 基ECSP 相關(guān)研究，主要涉及HAN 基ECSP 理化性能［22］、點火燃燒現(xiàn)象以及燃速特性研究［23-25］，目前已初步實現(xiàn)HAN 基ECSP 的多次點、熄火和燃速調(diào)節(jié)。

針對HAN 熱分解溫度低、高壓熄滅性能差等缺點，國內(nèi)外科研單位研制出了以高氯酸鹽為氧化劑的ECSP。2010年，Raytheon公司采用3D打印技術(shù)制備出了高氯酸鹽基ECSP。該推進劑能夠?qū)崿F(xiàn)在1.4～14 MPa的寬壓力范圍內(nèi)的電控燃燒［26］。2015 年以來，國防科技大學(xué)［27-28］以高氯酸鋰（lithium perchlorate，LP）為氧化劑，PVA 為黏合劑制備的ECSP，在0.1～1.8 MPa 壓力條件下實現(xiàn)了推進劑多次重復(fù)點火。2018 年，重慶大學(xué)［29-30］通過ECSP 的熱分解和通電/激光點火等試驗對推進劑點火燃燒過程進行了初步分析。此外，研究人員基于LP/PVA 基ECSP 熱分解［31］的認(rèn)識，獲得了化學(xué)動力學(xué)參數(shù)，進行了ECSP 端面的電流密度分布仿真計算和發(fā)動機原理樣機驗證試驗，提出了提高ECSP 燃燒噴射效率的方法［23，32］。然而對于以高氯酸鹽為氧化劑的ECSP 存在的固相殘渣容易堵塞噴管、理論比沖低等問題，還需進一步開展研究。此外，研究人員嘗試其他氧化劑作為ECSP 的主成分，如二硝基酰胺銨（ammonium dinitroamide，ADN）［33］，通過研究該配方體系的點火、燃燒及熄滅特性，為提高ECSP 的綜合性能和擴大其應(yīng)用范圍提供重要的科學(xué)指導(dǎo)。由于ECSP 的物理化學(xué)演變過程與外加電能的熱效應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)高度耦合，為實現(xiàn)ECSP 的可靠點火與可控燃燒，需要明晰ECSP 的點火和燃燒機理，掌握不同點火燃燒階段下電能的工作機制，同時對電極材料、電極構(gòu)型、電極間距等進行甄選和優(yōu)化。為尋求降低ECSP 點火延遲時間和提高燃燒速率的方法、改善ECSP 的燃燒性能以及指導(dǎo)配方設(shè)計提供思路。本文綜述了ECSP國內(nèi)外研究進展，梳理了典型的ECSP 配方，重點歸納了HAN 基和高氯酸鹽基配方體系點火、燃燒以及熄滅特性，為ECSP 及基于ECSP 的推進系統(tǒng)發(fā)展指明了ECSP 未來需重點攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 HAN 基ECSP 點火、燃燒及熄滅特性研究

1.1 典型的HAN 基ECSP 配方

HAN 本身具有強吸濕性，其晶體在空氣中暴露會很快吸水變成液體，以其為氧化劑制備得到的ECSP 暴露在空氣中也易出現(xiàn)吸水變潮現(xiàn)象。HAN 作為第二代ECSP 的氧化劑主要組分，主要有3 種配方體系［34］：非金屬基ECSP、鋁基ECSP 和硼基ECSP。研究人員以HAN 水溶液為主要氧化劑，添加高分子黏合劑（如聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉鹽等）形成HAN 基體，引入可相容的燃料（如硼粉、鋁粉等），制備HAN 基ECSP。典型的HAN 基電控配方組成列于表1。

表1 典型HAN 基ECSP 配方［15］Table 1 Typical HAN-based ECSP formula composition［15］

1.2 HAN 基ECSP 點 火 特 性

HAN 作為ECSP 的主氧化劑，其液態(tài)形式在電能作用下的點火燃燒性能為HAN 基ECSP 點火燃燒機理的研究提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，因此研究者首先開展了一系列HAN 液體推進劑電點火特性研究，主要包括點火裝置結(jié)構(gòu)、電極材料、電極極性、電極比表面積等影響因素。同時開展了電流、電壓、體積和初始溫度對HAN 液體推進劑點火延遲的影響，獲得了電能在HAN 基液體推進劑中的作用機制。如：Klingenberg等［34］開展HAN 基液體推進劑點火試驗，發(fā)現(xiàn)純電加熱及電化學(xué)轉(zhuǎn)化本身不足以通過初級分解產(chǎn)物實現(xiàn)點火，而是需要反應(yīng)中間產(chǎn)物的參與。Koh 等［35］認(rèn)為，電極材料反應(yīng)活性是影響HAN 水溶液電解過程的關(guān)鍵因素，如銅電極和鋁電極在分解HAN 溶液方面均優(yōu)于惰性電極。Kuo［36］研究HAN 基液體推進劑的電解分解特性發(fā)現(xiàn)：低溫下以電解為主，主要產(chǎn)物為N2O 和CH3ONO。Hua 等［37］對HAN 基液體推進劑的電解與點火過程的主要影響參數(shù)及機理開展了相關(guān)研究。結(jié)果表明，與熱分解過程相比，電流顯著增強了HAN 的分解。他們還發(fā)現(xiàn)電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣可能有助于HAN 基單組元推進劑的后續(xù)點火和燃燒過程。Khare等［38］對HAN 液態(tài)推進劑的熱分解、電解和點火進行了理論和試驗研究，分析結(jié)果表明：電流的存在顯著降低了點火延遲。上述關(guān)于HAN 液體推進劑電能作用下的試驗的研究方法和結(jié)果，對于后續(xù)開展固體HAN 基ECSP電化學(xué)分解機理的研究提供技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)。

Sawka 等［39］以HAN 溶液為氧化劑采用室溫法制備HIPEP 作為推進劑，采用6.35 mm 和3.175 mm 直徑的圓柱同軸微型推力器（圖1a），酚醛樹脂作為電極表面的絕緣層。試驗發(fā)現(xiàn)：2 種尺寸的推進劑均能實現(xiàn)多次點火，如圖1b 和1c 所示，且點火發(fā)生于中心電極附近。同時發(fā)現(xiàn)點火時間過長，容易導(dǎo)致HAN 基ECSP 陰燃。同軸裝藥方式使得ECSP 的點、熄火依賴電極表面絕緣層來實現(xiàn)，且ECSP 的燃速受絕緣層的材料、厚度和燃速影響。因此，絕緣層與推進劑的良好匹配性是軸向電極裝藥方式實現(xiàn)端面縱向燃燒的關(guān)鍵。

圖1 同軸微型推進器多次啟動試驗圖［39］Fig.1 The coaxial micro-thruster illustrating repeated［39］

Hiatt 等［40］采用如圖2a 的試驗裝置，研究了常壓條件下HAN 基ECSP 樣品的熱和電響應(yīng)。結(jié)果表明：面積比相同下，陽極優(yōu)先發(fā)生點火（圖2b 和2c）。對于不同尺寸的電極對（1∶3 和4∶1 的面積比），較小的電極上優(yōu)先發(fā)生點火（圖2d 和2e）。與Hiatt 同組的Baird［41］采 用 圖2b 的 板 狀 電 極 研 究HAN 基ECSP（HAN/PVA）的電解燃燒過程，也觀察到相同的現(xiàn)象。王新強等［42］設(shè)計了3 種不同形狀的燃面端電極（圖3），通過控制電壓實現(xiàn)了HAN 基ECSP 的多次點/熄火循環(huán)。試驗結(jié)果表明：使用篩網(wǎng)狀電極ECSP 的燃燒效果最佳；采用不同材料的電極優(yōu)先點火順序為鈦鋁、石墨、銅；固定電極材料，電流密度一定時，ECSP 在陽極優(yōu)先點火；固定電極材料和電極極性時，在電流密度較大電極端的ECSP 優(yōu)先點火，且電流密度越大，點火效果越好。以上結(jié)果表明：HAN 基ECSP 的點火次序與電極材料、電極極性和電流密度（電極面積）有關(guān)，且電流密度相同的條件下，HAN 基ECSP 優(yōu)先在正極點火。此外，采用板狀電極和端面電極結(jié)構(gòu)無需使用絕緣層，但是推進劑的燃速受推進劑接入回路中厚度的限制，ECSP 接入通電回路中的厚度越大，所需點火電壓越高，且伴隨燃燒推進劑的質(zhì)量消耗，接入回路中的推進劑厚度發(fā)生變化，為適應(yīng)推進劑的尺寸及性能的動態(tài)變化，外接電源及點火裝置需要實時做出相應(yīng)的變化。因此，采用上述的電極結(jié)構(gòu)難以精準(zhǔn)控制HAN 基ECSP的燃速。

圖2 HAN 基ESP 試驗裝置實物圖［40］Fig.2 Experimental device of HAN based ESP［40］

圖3 3 種HAN 基ECSP 燃面端電極裝置及點火燃燒試驗圖［42］Fig.3 The end electrode devices， ignition and combustion test diagrams of three types of HAN based ECSP［42］

絕緣層和推進劑燃速的匹配困難使得采用同軸電極結(jié)構(gòu)的ECSP 燃燒可控性降低，而隨推進劑燃燒，需要改變電壓來調(diào)節(jié)燃速，使得采用端面電極結(jié)構(gòu)的ECSP 控制變得更為復(fù)雜。鑒于以上不足，仝瑞杰等［43］設(shè)計了一種正負(fù)交錯螺旋型單端面電極結(jié)構(gòu)。該電極構(gòu)型的2 個電極均在燃燒側(cè)，保證分解只發(fā)生在藥柱的一端，啟動電壓僅與電極之間的距離有關(guān)，不受ECSP 藥柱的直徑、厚度影響。通過試驗發(fā)現(xiàn)，設(shè)計的電控固體火箭發(fā)動機能夠在2 MPa 的壓強下實現(xiàn)重復(fù)啟動，并且隨啟動次數(shù)增加，啟動時間逐漸縮短。但是這種正負(fù)交錯螺旋型單端面電極結(jié)構(gòu)對電極材料的耐燒蝕性能要求很高，長期受高溫?zé)g的電極面容易發(fā)生形變，導(dǎo)致與推進劑燃面接觸不均，使得推進劑燃燒不均勻，進而影響發(fā)動機性能。

鮑立榮等［44-45］研究不同電壓、初始溫度、壓力條件下的HAN 基ECSP 的點火特性。試驗發(fā)現(xiàn)隨著電壓、初始溫度、壓力的增加，HAN 基ECSP 的點火延遲時間、點火能量、電解質(zhì)量比均減小。同時點火延遲時間、點火能量隨點火次數(shù)的增加而減小，當(dāng)點火次數(shù)＞3 次后，點火延遲時間、點火能量基本不再隨點火次數(shù)的增加而發(fā)生變化。采用Raman 光譜對比有無電壓刺激下的光譜圖，發(fā)現(xiàn)：在電壓刺激下HAN 基ECSP發(fā)生電化學(xué)分解反應(yīng)，隨著電阻熱的積累，HAN 中的N─OH 和NO3-與PVA 中的C─H 反應(yīng)形成混合物，從而點燃推進劑，即電化學(xué)分解產(chǎn)生的可燃物與電阻熱的耦合導(dǎo)致了ECSP 的點火［44］，如圖4 所示。通過上述研究獲得HAN 基ECSP 潛在的點火機理，但目前尚未明確HAN 基ECSP 的電解產(chǎn)物和熱解產(chǎn)物對ECSP點火的影響，這是由于電解反應(yīng)和熱解反應(yīng)耦合，難以在點火過程區(qū)分兩者產(chǎn)物。后續(xù)研究可以采用數(shù)值仿真計算手段，獲得HAN 基ECSP 點火機理。

圖4 ECSP 點火、燃燒和熄滅過程示意圖［44］Fig.4 Schematic diagram of ECSP ignition， combustion and extinguishment process［44］

1.3 HAN 基ECSP 燃 燒 特 性 研 究

1.3.1 HAN 基ECSP 燃 燒 機 理 研 究

王新強等［46］針對HAN 基ECSP 開展了燃燒控制技術(shù)研究，分析了ECSP 的燃燒可控機理，認(rèn)為ECSP 發(fā)生燃燒是電解效應(yīng)和電熱效應(yīng)耦合的結(jié)果，通過電壓能夠控制ECSP 的一次電解反應(yīng)，是實現(xiàn)燃燒可控的關(guān)鍵。Glascock 等［47-49］分析了HIPEP 的燒蝕過程，發(fā)現(xiàn)燃燒過程中的離子電流密度低，電阻熱很可能決定其工 作 機 制。Hiatt［39］認(rèn) 為HAN 基ECSP 點 火 主 要 是 由電化學(xué)反應(yīng)決定的，并且點火發(fā)生在較小的線電極上，這可能是由電流密度或電場效應(yīng)造成的。在大氣壓和常溫下，關(guān)閉電源后僅由熱化學(xué)反應(yīng)提供的能量不足以維持ECSP 燃燒。研究人員提出的HAN 基ECSP 可能的燃燒工作機制，可以擴展對電解反應(yīng)和熱分解效應(yīng)影響ECSP 燃燒過程的理解，為后續(xù)揭示ECSP 的燃燒可控機理提供指導(dǎo)方向。

程紅波等［50］認(rèn)為ECSP 的工作機理如圖5 所示，可簡化為以下4 個機理：ECSP 導(dǎo)電機理、HAN 電解機理、HAN 熱解機理、ECSP 電控點火熄滅機理。ECSP的工作機理是：ECSP 導(dǎo)通后，HAN 電離的一部分離子相互接觸形成導(dǎo)電通道；另一部分離子分散在PVA 黏合劑中不參與導(dǎo)電。在外加電場作用下，導(dǎo)電離子發(fā)生電遷移，與相鄰的導(dǎo)電離子相互接觸而形成遷移電流。在電場作用下HAN 發(fā)生電解反應(yīng)和熱分解。黃印等［51］開展了ECSP 藥漿電解試驗，并分析陰陽兩極的氣體產(chǎn)物。結(jié)果表明：陰極電解水產(chǎn)生氫氣和氨氣；陽極則產(chǎn)生氧氣。在以上HAN 基ECSP 的工作機理中，對HAN 基ECSP 導(dǎo)電機理的報道尚不深入，離子遷移機理尚不明確，而高電導(dǎo)率的ECSP 能降低點火電壓和點火能量［72］，因此后續(xù)可開展HAN 基ECSP 的導(dǎo)電機理研究，通過深入分析推進劑的導(dǎo)電性能與推進劑點火燃燒之間的關(guān)系，為優(yōu)化推進劑配方提供指導(dǎo)。

圖5 HAN 基ECSP 工作機理［50］Fig.5 Schematic diagram of HAN-based ECSP working mechanism［50］

推進劑的燃燒是沿表面發(fā)生熱分解的一個能量釋放、質(zhì)量傳遞及產(chǎn)物相互作用的復(fù)雜過程［52］，ECSP 燃燒機理對推進劑的燃燒性能的調(diào)節(jié)極為重要。要掌握ECSP 的燃燒機理需要對凝相熱分解性能特性和熱解產(chǎn)物及燃燒火焰中發(fā)生物理、化學(xué)過程有深入的理解，熱分解釋放的能量是燃燒波傳播的動力，故推進劑配方中組分的熱分解特性會影響推進劑的燃燒過程［53］。研究人員從HAN 基ECSP 的熱分解、電解反應(yīng)及燃燒過程解釋ECSP 的燃燒機理。具體為：HAN 基ECSP 的熱分解先是部分HAN 熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生H2O、NO 和N2O 等產(chǎn)物；其次，HAN 的熱分解產(chǎn)物同未分解的HAN 與PVA 相互作用；最后ECSP 中剩余其他組分熱分解［54］。HAN 基ECSP 的電解過程是：當(dāng)施加電壓，HAN 基ECSP 中水先被電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，電熱使得HAN 基ECSP 黏合劑分解產(chǎn)生熱量和氣體產(chǎn)物，最終氣體產(chǎn)物在電極兩側(cè)混合點燃［55］，HAN 電化學(xué)反應(yīng)方程式具體如表2 所示。HAN 基ECSP 在電化學(xué)、熱化學(xué)反應(yīng)的共同影響下，推進劑開始逐漸穩(wěn)定燃燒［44］。在燃燒過程中，ECSP 的燃燒反應(yīng)區(qū)可分為電解區(qū)和熱解區(qū)。在電解區(qū)，除了與點火過程相同的電解反應(yīng)外，燃燒面內(nèi)部還存在著熱解反應(yīng)。將電解和熱解產(chǎn)生的混合物與PVA 在熱解區(qū)預(yù)混合，進一步燃燒生成分子量更小的物質(zhì)（CO、CO2、N2、H2、H2O 等）。燃燒過程同時受到電化學(xué)和熱化學(xué)反應(yīng)的影響，且電解比熱解對ECSP 實現(xiàn)可控燃燒有更重要的作用［47］。斷電后，推進劑停止電解，同時，氣相的熱反饋的能量要小于推進劑本身被點燃的能量，推進劑無法維持正常穩(wěn)定燃燒，ECSP 隨即熄滅［49］。

表2 HAN 電化學(xué)反應(yīng)方程［55］Table 2 HAN electrochemical reaction equation［55］

1.3.2 HAN 基ECSP 的燃速特性研究

發(fā)動機的工作時間和推力大小與固體推進劑的燃速大小有關(guān)［56-57］；推進劑的燃速壓強指數(shù)的大小也會對發(fā)動機的工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響［58-59］。此外，還需要改變推進劑的化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)推進劑的燃燒性能，才能適應(yīng)不同發(fā)動機的需求。因此研究ECSP的燃速性能，不僅有利于揭示固體推進劑的燃燒機理，而且對滿足各種導(dǎo)彈武器的需求十分重要［60］。黃印［51］研究了HAN 基ECSP 配方的關(guān)鍵組分和電壓、燃速的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬燃料的含量低于5%時，含金屬燃料配方的ECSP 燃速是非金屬配方的2～4 倍，且燃速隨點火電壓的增加而增加；而當(dāng)金屬含量高于10%后，HAN 基ECSP 斷電自維持燃燒，改變外加電壓無法調(diào)控ECSP 的燃速。一般的燃速測量方法（靶線法和超聲波動態(tài)測量法）由于電場干擾均不適合用于測量ECSP 的線性燃速，王新強［42］在常壓條件下設(shè)計了一種基于位移傳感器燃速測量原理的測試裝置，獲得不同電壓下HAN 基ECSP 的平均燃速。試驗結(jié)果表明電壓為200 V 下的燃速（0.552 mm·s-1）是100 V 下燃速（0.156 mm·s-1）的3 倍；對不同電壓和燃速進行線性擬合發(fā)現(xiàn)：常壓下HAN 基ECSP 的燃速與電壓呈線性關(guān)系。鮑立榮等［44］研究了在不同電壓、初始溫度、壓力條件下的HAN 基ECSP 的燃燒特性。試驗結(jié)果表明：推進劑燃燒速率及熱失重隨著電壓、初始溫度、壓力的增加而增加，如圖6a～6f 所示。研究發(fā)現(xiàn)提高推進劑的初始溫度能增加推進劑點火表面熱量，可以縮短與點火溫度的溫差，從而降低推進劑點火延遲；增加壓強一方面能增加氣體和顆?；旌衔锏臐舛龋硪环矫娓邏合氯济鏌岱答佔饔酶鼜?。以上研究結(jié)果表明，影響HAN 基ECSP 燃速的主要因素是初始溫度、電壓和壓強。但是由于HAN 的低分解溫度，作者只分析了1.5 MPa 以下的HAN 基ECSP 燃速與壓強、電壓關(guān)系。后續(xù)可通過調(diào)整配方設(shè)計提高ECSP 的熄滅壓強閾值，進一步探究ECSP 的燃速與壓強、電壓關(guān)系。

圖6 HAN 基ECSP 的燃速關(guān)系圖［44］Fig.6 Burn rate relation diagram of HAN-based ECSP［44］

1.4 HAN 基ECSP 熄 滅 性 能 研 究

針對固體火箭發(fā)動機難以熄滅、推力難以控制問題，國內(nèi)外學(xué)者提出一些推力控制方案，如：調(diào)節(jié)噴管喉面、采用分段裝藥等。然而采用噴管喉面調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且無法實現(xiàn)發(fā)動機多次啟動［61］；而分段裝藥方式使得發(fā)動機不具備連續(xù)多次啟動和隨機控制能力［62］。ECSP 的出現(xiàn)能從根本上顛覆傳統(tǒng)固體推進劑難以實現(xiàn)多次點火的特性，通過認(rèn)識ECSP 的熄滅性能，掌握不同配方體系ECSP 的壓強閾值，有利于揭示ECSP 的熄滅機理。非金屬化HIPEP 配方自持燃燒所需的壓力閾值［63］如圖7 所示。標(biāo)記為“可熄滅”的區(qū)域表示低于閾值的工作壓力，其中壓力效應(yīng)和燃燒能量反饋不足以維持燃燒的推進劑表面。HIPEP 可以通過電能輸入來維持或停止低于此壓力閾值的燃燒。金屬燃料的作用是降低或消除壓力閾值，以使燃燒焓足以在較低壓力下實現(xiàn)自持燃燒或?qū)⑷紵袨榻档椭陵幦紶顟B(tài)。從圖8 可知，隨著電壓、壓強的增加，斷電后HAN 基ECSP 的熄滅延遲時間增加；同時熄滅延遲時間先隨重復(fù)點火次數(shù)的增加而增加，當(dāng)點火次數(shù)超過3 次后，由于推進劑內(nèi)的電流趨勢及累計硝酸殘余量趨于一致，熄滅延遲時間基本不變［44］。與傳統(tǒng)的固體推進劑不同的是，HAN 基ECSP 在撤去電壓后，剩余的熱量不能維持推進劑的熱解以支持燃燒。隨著熱損失和殘留火焰遠(yuǎn)離燃燒表面，推進劑逐漸熄滅。目前僅采用試驗手段測量影響ECSP 熄滅的因素，還未見關(guān)于ECSP 熄滅的機理報道。究其原因是缺少ECSP 的化學(xué)反應(yīng)參數(shù)，無法采用數(shù)值仿真開展研究。因此，未來工作可開展ECSP 的固相熱解和氣相燃燒詳細(xì)反應(yīng)，明確基元反應(yīng)來分析和解釋熄滅過程中詳細(xì)化學(xué)本質(zhì)，建立熄滅仿真模型，揭示HAN基ECSP 的熄滅機制。

圖8 不同壓強下HAN 基-ECSP 電壓與熄滅延遲時間的關(guān)系［44］Fig.8 The variation of extinguishment delay time with voltages for HAN-based ECSP at different pressure［44］

2 高氯酸鹽基ECSP 點火、燃燒及熄滅特性研究

2.1 典型的高氯酸鹽基ECSP 配方

ECSP 在電能作用下要想實現(xiàn)快速響應(yīng)，同時保持其對高溫和高壓的耐受性，需要采用具有高離子電導(dǎo)率和高分解溫度的氧化劑以減少電能損失并且避免陰燃。在眾多可用的氧化劑中，高氯酸鹽具有良好的燃燒特性、高分解溫度，其中LP 還具有高氧平衡。此外，LP 用于傳統(tǒng)固體電解質(zhì)［63-65］中能增強聚合物基質(zhì)的無定形相。采用高氯酸鹽代替AN 或HAN 作為氧化劑，以長鏈高分子聚合物PVA 為黏合劑［66］，制備得到了高氯酸鹽基ECSP，其典型配方組成列于表3。

表3 高氯酸鹽基ECSP 的典型配方［15］Table 3 Typical perchlorate salt-based ECSP formula composition［15］

2.2 高氯酸鹽基ECSP 的點火特性研究

電極參數(shù)（材料、極性、面積比等）會影響高氯酸鹽基ECSP 的點火特性［40-42］，Li 等［67］在常壓下開展板狀ECSP 構(gòu)型（帶絕緣層）的電點火試驗，研究電極極性、電極材料、電極表面粗糙度和電極面積比等參數(shù)對ECSP 點火的影響，如表4 所示。電極極性響應(yīng)試驗結(jié)果表明：施加直流電時（P1 測試條件），ECSP 點火發(fā)生在負(fù)極附近；向ECSP 施加的交流電（測試P2 條件），在兩電極均能點火。對比P1 和P2 試驗結(jié)果可知：在考慮電極極性的情況下，ECSP 在負(fù)極發(fā)生點火。在不考慮電極極性的情況下，兩電極板均能點火，且按交流電頻率交替在電極板上點燃。此外，電極排布、電極構(gòu)型等對ECSP 的點火特性和燃燒效率也有重要影響［30］。后續(xù)可通過設(shè)計多種電極構(gòu)型和不同的電極分布形式，結(jié)合理論和試驗研究其對ECSP 點火燃燒特性影響，為發(fā)動機燃燒室電極構(gòu)型設(shè)計提供理論依據(jù)。

表4 不同電極極性下高氯酸鋰基ECSP 電響應(yīng)試驗參數(shù)及結(jié)果［67］Table 4 LP based ECSP polarity response overall experimental test［67］

ECSP 電點火具體過程［67］（圖9）如下：通電后兩側(cè)電極接觸的推進劑開始分解并且出現(xiàn)液體；點火發(fā)生在靠近絕緣層附近的推進劑上。Gobin 等［68］研究以聚環(huán)氧乙烷（polyethylene oxide，PEO）為黏合劑，LP 為氧化劑制備ECSP 的點火特性時也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)電點火過程中ECSP 在陰極處出現(xiàn)液體，如圖10 所示。這些液體是由于高電壓作用下PEO 主鏈經(jīng)歷快速氧化熱解產(chǎn)生的。隨著ECSP 分解和電流流動，分解層從陰極生長到陽極。研究認(rèn)為ECSP 樣品的完全點燃要求液體分解層到達陽極，同時2 個電極之間的液體分解層生長可能是點火的關(guān)鍵因素。這可能是由于離子比固體更容易通過液體層，較高的離子穿過溶液的速率可能會加速PEO 聚合物骨架的分解。而一旦分解層連接電極，陽極處高氯酸鹽離子分解速率即會增加。此外，在分解層連接陽極和陰極之前，在陽極處沒有觀察到大量氣態(tài)產(chǎn)物。一旦連接，陽極周圍開始形成氣泡，表明高氯酸鹽離子開始分解成氣態(tài)氧和氯，這有助于聚合物的點燃。通過以上研究發(fā)現(xiàn)：高氯酸鹽基ECSP 熱分解和熔化的原因可能是聚合物在電能作用下發(fā)生離子遷移運動引起的整個推進劑的歐姆加熱和電極處發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的共同作用，其點火則與電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)。

圖9 LP 基ECSP 從點火到熄滅的序列圖像［67］Fig.9 Sequence images of the LP-ECSP from ignition to extinguishment［67］

圖10 LP/PEO 基ECSP 電化學(xué)分解演變過程［68］Fig.10 Electrochemical decomposition evolution of LP/PEO-based ECSP［68］

Li 等［69］研究了電壓、壓強以及初溫對LP 基ECSP點火延遲時間的影響。通過試驗發(fā)現(xiàn)：相比增加初溫和壓力，增加點火電壓能有效地減少ECSP 的點火延遲時間。此外，添加金屬粉末后，ECSP 點火延遲時間也會明顯減少。LP 基ECSP 隨點火次數(shù)和壓強的增加，點火延遲時間和點火能量明顯減少。Gnanaprakash 等［70］開展添加金屬鎢的高氯酸鹽基ECSP 在0.1～2.0 MPa 下點火特性試驗研究，也得到類似的結(jié)論。此外，他們還發(fā)現(xiàn)添加金屬鎢能顯著降低ECSP 的點火延遲時間和點火能量，且顯著提高了2.0 MPa 以下的ECSP 燃燒速率。以上研究發(fā)現(xiàn)：電壓、初溫、壓強以及金屬添加劑均能影響高氯酸鹽基ECSP 的點火延遲時間和點火能量，此外研究還發(fā)現(xiàn)ECSP 與電極材料之間的界面電阻是增大推進劑點火延遲時間和點火能量的主要原因。未來可以在該體系的基礎(chǔ)上，嘗試其他黏合劑或?qū)ΜF(xiàn)有的黏合劑進行改性處理，改善材料的柔韌性，降低界面接觸電阻，提高ECSP 的電導(dǎo)率。

2.3 高氯酸鹽基ECSP 燃燒特性研究

2.3.1 高氯酸鹽基ECSP 燃燒性能研究

為了深入理解ECSP 的燃燒反應(yīng)機理，研究人員采用高速攝像動態(tài)捕捉ECSP 燃燒火焰和燃面的細(xì)節(jié)，通過分析推進劑燃燒火焰微觀變化解析燃燒過程中相關(guān)物理和化學(xué)行為。Wang 等［71］在1 MPa 壓力下采用定容燃燒試驗系統(tǒng)研究以LP 和高氯酸銨（ammonium perchlorate，AP）為氧化劑，PEO 或聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN）為黏合劑的ECSP 燃燒特性。試驗研究結(jié)果表明：PEO 基ECSP 的燃面平行向下退移，且火焰呈亮黃色，而PEO/PAN 基ECSP 的燃燒火焰則呈現(xiàn)橙黃色，如圖11 所示。段煉［30］觀察到非金屬高氯酸鹽ECSP 的燃燒火焰形成的初期，推進劑表面存在明顯暗區(qū)，在持續(xù)的電流作用下，推進劑的火焰亮度提高，暗區(qū)逐漸減小直至消失，如圖12 所示。Li 等［67］觀察到含金屬高氯酸鹽基ECSP 燃燒表面的火焰上方區(qū)域觀察到燃燒表面與火焰完全分離，也出現(xiàn)明顯的暗區(qū)，如圖13 所示。根據(jù)ECSP 火焰形貌，火焰形態(tài)可分為：附著在燃燒表面的多束發(fā)光火焰和離燃面一定距離的擴散火焰。目前針對ECSP 的研究都是宏觀上對燃燒特性（如燃速、燃燒火焰結(jié)構(gòu)及燃燒波）進行試驗研究，然而ECSP 在微觀上具有復(fù)雜的三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其微觀燃燒包括氣固耦合、化學(xué)反應(yīng)機理以及復(fù)雜火焰結(jié)構(gòu)等?，F(xiàn)階段文獻報道的ECSP 的微觀燃燒較少，表征手段較為單一。后續(xù)工作可采用多種手段（如平面激光誘導(dǎo)熒光等）表征ECSP 的火焰形貌，建立ECSP 燃燒模型，獲得ECSP 的微觀燃燒特性。

圖11 1.0 MPa 下PEO 基ECSP 和PEO/PAN 基ECSP 的燃燒圖［71］Fig.11 Combustion image sequences for PEO-based ECSP and PEO/PAN-based ECSP under 1.0 MPa［71］

圖12 非金屬基-ECSP 的火焰形態(tài)演變圖［30］Fig.12 Sequence images of combustion flame of Non-metal ECSP［30］

圖13 5% Al-ECSP 的火焰形態(tài)演變圖［67］Fig.13 Sequence images of combustion flame of 5% Al-ECSP［67］

圖14 LP 基ECSP 和LP/AP 基ECSP 的電壓-燃速圖［68］Fig.14 Regression rate vs.voltage for LP-based ECSP （left） and LP/AP-based ECSP （right）［68］

Wang 等［71］認(rèn) 為 高 氯 酸 鹽 基ECSP 的 燃 燒 主 要 是由凝膠的離子轉(zhuǎn)移、電子交換、歐姆加熱和阻燃性4 個因素控制。他們認(rèn)為低點火溫度下的氧化電解產(chǎn)物和熱解產(chǎn)物預(yù)混到一定濃度時，電加熱能加速其發(fā)生點火。電能則通過調(diào)節(jié)離子轉(zhuǎn)移和電子交換的速率來改變電解產(chǎn)物的生成速率，宏觀上表現(xiàn)為ECSP 點火延遲時間和燃燒速率隨施加的電壓而變化。而Li 等［67］認(rèn)為熱化學(xué)反應(yīng)在LP 基ECSP 的點火起主導(dǎo)作用，而電化學(xué)過程在維持其穩(wěn)態(tài)燃燒中發(fā)揮了重要作用?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，高氯酸鹽基ECSP 的點火和燃燒過程機制主要分為3 個：電作用過程、固相熱分解過程及氣相化學(xué)反應(yīng)。電作用過程分為電加熱和電解，具體表現(xiàn)為：ECSP 吸收電能使其自身溫度逐漸升高，達到水的沸點繼續(xù)吸收能量，水發(fā)生相變，且由于溫度的升高，黏合劑由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，此時推進劑固相整體變軟且有水蒸氣產(chǎn)生。電解過程則是電壓作用下離子發(fā)生遷移，氧化劑的陽離子遷移到陰極，高氯酸根和水則在陽極電解產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物和燃料。固相熱分解過程主要是：氧化劑和黏合劑通過熱傳導(dǎo)和電加熱使得氧化劑和黏合劑吸熱分解。該固相區(qū)域可以分為固相預(yù)熱區(qū)和固相反應(yīng)區(qū)。固相預(yù)熱區(qū)與電極構(gòu)型以及絕緣層位置有關(guān)。固相反應(yīng)區(qū)內(nèi)不僅存在氧化劑和黏合劑單元各自的吸熱分解過程，還存在他們之間的化學(xué)反應(yīng)。氣相化學(xué)反應(yīng)為：固相區(qū)的分解產(chǎn)物和蒸發(fā)產(chǎn)物逐漸進入氣相，隨著反應(yīng)物的積累和溫度的不斷升高，熱分解和電解產(chǎn)生的氣態(tài)氧化產(chǎn)物和還原性產(chǎn)物預(yù)混到一定濃度，氣相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終點火燃燒。

2.3.2 高氯酸鹽基ECSP 的燃速特性研究

固體推進劑的燃速主要取決于燃面處反應(yīng)釋放的熱量及氣相區(qū)燃燒火焰對燃面的熱反饋。高氯酸鹽基ECSP 在常壓下存在暗區(qū)，增加燃燒室壓強可以減少暗區(qū)的高度，從而增加氣相熱反饋，ECSP 的燃速增加。如：He 等［28］在0.5～5 MPa 范 圍 內(nèi) 開 展 高 氯 酸 鋰 基ECSP 燃速特性研究，隨壓力的升高，推進劑燃速增幅變大。增加電壓可以增加燃面處的電流，從而提高燃面處的熱反應(yīng)速率和熱解產(chǎn)物生成速率，使得ECSP 的燃速增加。高氯酸鋰基ECSP 具有較寬的燃速調(diào)節(jié)范圍，隨著輸入電壓的改變?nèi)妓倏勺兓?～10 倍［27］。受限于電極的間距，ECSP 存在上限電壓閾值，因為高電壓極易引起ECSP 短路，從而使得電源無法正常工作［69］。因此，后續(xù)的研究工作應(yīng)該考慮設(shè)計電極分布，確保推進劑燃燒噴射效率的同時避免推進劑在燃燒過程中發(fā)生短路。此外，ECSP 的燃速還受配方中氧化劑和黏合劑的種類和配比影響。如Gobin 等［68-70］僅采用LP 作為氧化劑的ECSP 樣品在燃燒速率與電壓線性相關(guān)，如圖15a 所示。而使用AP 和LP 作為氧化劑的ECSP 樣品，其燃燒速率與電壓呈非線性關(guān)系，如圖15b 所示。綜上可知，引入AP 顆?？捎行岣逧CSP的燃速。Wang 等［71］以LP 和AP 為氧 化劑，PEO-PAN為黏合劑制備ECSP，研究其不同推進劑配比下的燃速特性，其火焰圖像如圖15 所示。試驗結(jié)果表明：針對不同比例的PEO 和PAN，當(dāng)PEO 和PAN 的質(zhì)量比為2∶1（C31）時，燃燒速率最大為7.34 mm·s-1；而當(dāng)PEO 和PAN的質(zhì)量比為5∶1（B31）時，燃燒速率為6.52 mm·s-1。這意味著，PAN 的加入會改變聚合物結(jié)構(gòu)，使得燃燒速率增加，如圖15a 所示。對于僅使用PEO 的配方，當(dāng)LP 和AP 的質(zhì)量比為2∶1（A21）時，燃燒速率最高為4.9 mm·s-1；當(dāng)LP 和AP 的質(zhì)量比為1∶1（A11）時，其燃燒速率最低為3.0 mm·s-1。當(dāng)LP 和AP 的質(zhì)量比分別為3∶1（A31）和1∶1（A11）時，在0.5～2 MPa 壓力范圍內(nèi)的燃燒過程如圖15b 所示。根據(jù)維耶定律擬合的壓力指數(shù)（n）結(jié)果，對于A31，其n值為0.55，而A11 的n為0.23。綜上可知，電控固體推進劑的燃速不僅與壓強和電壓有關(guān)，還受成分和配比的限制。因此提高ECSP 燃速的有效途徑需要在甄選和優(yōu)化推進劑的主要成分和成分配比的基礎(chǔ)上，掌握不同電壓和壓強下燃速的影響規(guī)律。

圖15 A21、A11、B31 和D31 在1.0 MPa 下燃燒過程的連續(xù)火焰圖像（a）和A31 和A11 在0.5 和2.0 MPa 壓力下的連續(xù)火焰圖像（b）［71］Fig.15 Sequence images of combustion flame of A21， A11，B31 and D31 at 1.0 MPa （a）， of A31 and A11 at 0.5 and 2.0 MPa （b）［71］

2.4 高氯酸鹽基ECSP 熄滅性能研究

Li 等［69］研究Non-metal-ECSP 和5% Al-ECSP 熄火特性。圖16 為0.1～3.5 MPa 下的Non-metal-ECSP 和5% Al-ECSP 的熄滅延遲時間。由圖16 可知隨著壓強的升高，ECSP 熄滅延遲時間變長，熄滅變得困難。對于含鋁推進劑當(dāng)壓強高于3 MPa 后，即使斷電推進劑也不能熄滅，而非金屬推進劑自維持燃燒的壓強閾值是3.5 MPa。Wang［72］認(rèn)為高氯酸鹽基ECSP 的熄滅是由于斷電后，推進劑中的離子轉(zhuǎn)移和電子交換瞬間中止，電解產(chǎn)物停止生成使燃燒不穩(wěn)定，而剩余的電解產(chǎn)物在燃燒反應(yīng)中被快速消耗。此外，電加熱也停止，使得電極溫度逐漸降低，熱分解最終停止。而火焰和熱電極不足以支持黏合劑的燃燒，導(dǎo)致推進劑熄滅。研究認(rèn)為高氯酸鹽基ECSP 的熄滅特性主要受聚乙烯醇凝膠基質(zhì)的阻燃性和熱分解溫度的影響。雖然選用高分解溫度的高氯酸鹽作為ECSP 的主氧化劑能顯著提高ECSP 的熄滅壓強閾值，但是目前研究得到的最高熄滅壓強閾值為3.5 MPa，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前彈道武器的工程化使用需求，后續(xù)應(yīng)當(dāng)開展其熄滅機理研究，獲取提高ECSP 壓強閾值的方法。

圖16 不同壓強下Non-metal-ECSP 和5% Al-ECSP 的熄滅延遲時間［69］Fig.16 Extinguishment delay times of non-metal ECSP and 5% Al-ECSP obtained at different pressures［69］

3 其他氧化劑ECSP 點火燃燒特性研究

3.1 典型配方

Sawka 等［14］對基于AN 的熄滅可控固體推進劑進行研究。在AN 中加入其他成分，以降低制備過程中推進劑的熔點，并在燃燒過程中形成導(dǎo)電相。由于大多數(shù)ECSP 配方獲得比沖比較低，Ma 等［33］采用高能氧化劑ADN 作為ECSP 的主氧化劑，ADN 的添加能大幅度提高推進劑的能量，降低特征信號，其典型配方組成列于表5。

表5 其他氧化劑ECSP 的典型配方Table 5 Typical other oxidizer-based ECSP formula composition

3.2 其他氧化劑ECSP 點火燃燒特性研究

Sawka等［14］研發(fā)以AN 作為氧化劑的第一代熄滅可控固體推進劑，其燃燒過程如圖17所示。該推進劑熄滅可控是由于燃燒產(chǎn)生大量液化層。常壓下燃速為1.01～1.27 mm·s-1，在3.45 MPa 時燃速可達到5.08 mm·s-1。當(dāng)壓強大于1.4 MPa 時推進劑燃燒不能熄滅。Khoruzhii 等［74-75］開展硝酸銨-環(huán)氧樹脂基ECSP 點火燃燒特性研究。結(jié)果表明：AN 和環(huán)氧樹脂的固相混合物不導(dǎo)電，需要通過加熱使樣品熔化才能實現(xiàn)電點火燃燒。此外，樣品燃燒率隨電壓增加而線性增加。Zamir 等［73］在Khoruzhii 等［74-75］的基礎(chǔ)上開展高壓條件下電壓對AN 和環(huán)氧樹脂混合物樣品燃燒速率的影響。與Khoruzhii 的試驗現(xiàn)象類似，該樣品也需要熱點火來創(chuàng)建初始熔融層，然后再施加電壓實現(xiàn)點、熄火。此外，當(dāng)電壓從70 V 增加到200 V 時，燃燒速率增加了約4 倍，如圖18 所示。電壓的變化導(dǎo)致推進劑燃燒表面形成的導(dǎo)電層中電流產(chǎn)生變化，進而影響燃燒速率。在低壓范圍內(nèi)，電壓變化對燃燒速率的影響相對更大?；趬簭姾捅裙β剩▎挝槐砻娣e功率）之間的耦合效應(yīng)，提出了一個燃速經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，該模型可以很好地預(yù)測推進劑在較寬壓力和電功率范圍內(nèi)的燃速變化。以上研究發(fā)現(xiàn)，采用硝酸銨作為ECSP 的主氧化劑需要先創(chuàng)建導(dǎo)電層，這就增加ECSP 點火的復(fù)雜程度，而且硝酸銨基ECSP 的燃速要明顯低于以HAN 和高氯酸鹽為氧化劑的ECSP 的燃速。這說明相比于HAN 和高氯酸鹽，硝酸銨不適合單獨作為ECSP 的主氧化劑。

圖17 硝酸銨基ECSP 電點火燃燒過程圖［14］Fig.17 Ignition and combustion process of AN-ECSP［14］

圖18 75% AN 和25%環(huán)氧樹脂組成的推進劑燃速與電壓/壓力的關(guān)系［73］Fig.18 Burning rate vs voltage/pressure for propellant consisting of 75% AN and 25% epoxy ［73］

Ma 等［33］以ADN 為主氧化劑制備了一種新型綠色ECSP。從圖19 中可知電壓為60 V 時，觀察到明顯的液相分離；當(dāng)電壓增加到90 V 時燃燒產(chǎn)生高溫氣體，但是該電壓下斷電已無法熄滅。以AND 為氧化劑的ECSP 顯示出較高的能量，但是穩(wěn)定性較差。而當(dāng)氧化劑中加入硝酸銨后，發(fā)現(xiàn)其點火閾值略有增加，并且產(chǎn)生明顯的火焰，說明其具有良好的電響應(yīng)和高能量性能。以AND 為氧化劑的ECSP 點火發(fā)生在樣品與電極板接觸的部分。推進劑在初始點火階段（0～60 V）ECSP 處于固態(tài)，當(dāng)施加30～150 V 電壓，推進劑和電極之間的界面被加熱，且推進劑熔化，離子開始在熔化的推進劑中遷移。隨著能量的累積ECSP 達到點火的閾值，推進劑被點燃。雖然含能材料AND 的加入能有效地提高ECSP 的能量，但是低分解溫度限制了其應(yīng)用范圍。AN 的加入能一定程度提高ECSP 的整體分解溫度，但效果不甚理想。以AND 作為ECSP 的主氧化劑是一個新的嘗試，也為增加ECSP 的理論比沖提供新的思路。后續(xù)可采用含能且導(dǎo)電性高材料作為ECSP 氧化劑或添加劑，解決目前ECSP低比沖和高點火電壓的問題。

圖19 ADN 基ECSP 的高速相機（a）和紅外成像儀（b）燃燒試驗圖［33］Fig.19 High-speed （a） and infrared photos （b） taken during the combustion processes of AND-based ECSP［33］

綜合上述研究可知：ECSP 的電點火過程集合了電能作用、凝聚相熱解、氣相反應(yīng)，并且與電極結(jié)構(gòu)、電極特性以及電能大小相關(guān)。對比同軸電極、端面電極以及正負(fù)交錯螺旋型單端面電極結(jié)構(gòu)對ECSP 點火特性的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同電極結(jié)構(gòu)會影響ECSP 的點火現(xiàn)象；同一電極結(jié)構(gòu)下，電極極性和電流密度是影響ECSP 的點火次序的主要因素，且在電流密度較大的電極端ECSP 優(yōu)先點火。此外，不同ECSP 配方體系的點火試驗表明其點火機制不同。HAN 基ECSP 點火優(yōu)先發(fā)生在正極，而高氯酸鹽基的ECSP 點火則優(yōu)先發(fā)生在負(fù)極。這是由于HAN 基ECSP 在正極分解生成NO3-，產(chǎn)生的氧濃度較高，使得正極升溫速率高于負(fù)極；而高氯酸鹽基ECSP 可能是由負(fù)極電解水產(chǎn)生的氫氣加快了ECSP 的 氣 相 反 應(yīng)［71］。綜 合 不 同ECSP 配 方 體 系 的燃燒試驗可知：ECSP 燃燒是由于當(dāng)能量高于氧化劑點火能量閾值的外部電場被施加到推進劑上，氧化劑/水電解，釋放的可燃物質(zhì)混合，在持續(xù)的電熱作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放大量的熱，從而促使推進劑燃燒，其燃燒過程主要受電效應(yīng)和熱效應(yīng)耦合作用。綜合以上幾種不同配方體系的燃速特性可知：改變?nèi)紵覊簭姾碗妷壕苡行岣逧CSP 的燃速。升高燃燒室壓強能有效加快ECSP 的氣相反應(yīng)，而增加電壓則能提高ECSP中的離子轉(zhuǎn)移、電子交換以及電加熱的速率。此外氧化劑和金屬添加劑也能明顯改變ECSP 的燃速。綜合不同配方的ECSP 的熄滅特性可知：高氯酸鹽基ECSP的熄滅壓強閾值明顯高于HAN 基ECSP，這與HAN 氧化劑較低的分解溫度有關(guān)。相比之下，采用高分解溫度的高氯酸鹽作為氧化劑可以提高ECSP 的熄滅壓強閾值。然而，即使該類氧化劑能夠提高ECSP 的熄滅壓強閾值，目前研究也只限于3.5 MPa。這大大限制了ECSP 的應(yīng)用。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)ECSP 的熄滅與黏合劑阻燃以及氧化劑的分解溫度有關(guān)，后續(xù)可以通過篩選/合成高阻燃、高導(dǎo)電性的黏合劑來提高ECSP 的壓強閾值。

4 總結(jié)與展望

ECSP 具有多次點火、安全鈍感和推力可調(diào)等優(yōu)點，在航天和國防領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，為解決固體動力系統(tǒng)重復(fù)啟動和推力寬域調(diào)節(jié)提供新的技術(shù)路線。隨著ECSP 配方的拓展，目前已具備較為豐富的研究積累。本文綜述不同配方體系ECSP 的點火和燃燒性能，重點討論了HAN 基ECSP 和高氯酸鹽基ECSP的點火特性和燃速特性，包括電極材料、電極極性、電極比表面積等對ECSP 點火性能的影響，總結(jié)了電壓、初始溫度和環(huán)境壓強對HAN 基ECSP 和高氯酸鹽基ECSP 點火延遲時間的影響規(guī)律，討論了電能對ECSP燃速的影響，發(fā)現(xiàn)ECSP 的燃燒過程是電解效應(yīng)和電熱效應(yīng)耦合的結(jié)果，電化學(xué)反應(yīng)是實現(xiàn)燃燒可控的關(guān)鍵，改變電壓能有效地調(diào)節(jié)ECSP 的燃速。此外，提高壓強和添加金屬粉末均能有效提高ECSP 的燃燒速率。本文所述的ECSP 配方體系的可熄壓強均較低，其熄滅可能是由于黏合劑阻燃性決定的。

針對當(dāng)前ECSP 研究和應(yīng)用中的不足，對其未來的研究重點提出以下幾點建議：

（1）當(dāng)前約束HAN 基ECSP 研究進展的主要問題是點火困難和高壓熄滅性差，應(yīng)著重開展該類推進劑點火性能的改善研究，解決該類推進劑的工程化應(yīng)用問題。

（2）高氯酸鹽基ECSP 的研究還處于初步階段，推進劑的性能上還存在諸多不足，如燃燒固相殘渣多易堵塞噴管，比沖相對較低，可熄滅壓強閾值偏低，目前還難以滿足固體火箭發(fā)動的性能要求。因此針對此類問題應(yīng)著重開展該類推進劑配方的優(yōu)化，改善該類推進劑的燃燒性能問題，加快其實際應(yīng)用的腳步。

（3）以AN 和ADN 等為氧化劑的ECSP 研究較少，其中AN 有效氧含量低，以其為氧化劑的ECSP 重復(fù)點火差、點火延遲時間長，不適合單獨作為ECSP 的氧化劑使用。后續(xù)工作可重點篩選推進劑的氧化劑開展試驗研究；此外黏合劑對ECSP 的導(dǎo)電性能和燃燒性能也有較大影響。因此ECSP 的氧化劑和黏合劑的篩選將是未來實現(xiàn)工程化應(yīng)用的突破點。

（4）ECSP 目前已在微推進領(lǐng)域，固體姿軌控發(fā)動機等領(lǐng)域應(yīng)用。然而ECSP 應(yīng)用在大型尺寸系統(tǒng)仍面臨多次點火重復(fù)性差，燃燒室壓強偏低，且長時間工作后熄火時間長甚至難以熄滅等挑戰(zhàn)。明晰ECSP 的燃燒可控機理可以從根源提出行之有效的方法解決以上技術(shù)難題。ECSP 的燃燒可控機理涉及到復(fù)雜的物理化學(xué)過程、電化學(xué)反應(yīng)與熱化學(xué)反應(yīng)耦合、多相傳熱和傳質(zhì)等，需要結(jié)合實驗研究和數(shù)值仿真獲得ECSP 電能作用機制、點火燃燒機理、燃速調(diào)節(jié)及熄滅性能，為優(yōu)化ECSP 配方、提供電控固體火箭發(fā)動機設(shè)計思路、實現(xiàn)工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，因此ECSP 的燃燒可控機理將是未來研究的重點。