第四节 燃烧可控固体推进技术

燃烧可控固体推进技术是指燃烧方式可控、燃速可调的先进固体推进剂配方设计及装药技术，可根据实际需要完成点燃或熄灭的自主控制，当前主要有两类：①自熄火复合固体推进剂；②可熄火固体推进剂。其中，电控制的燃烧/熄火可控固体推进剂已在美国海军微型推进器、直径50.8mm和76.2mm发动机上得到了成功验证。

尽管固体推进剂的应用日趋广泛，其地位也越来越重要，但迄今为止，固体推进剂仍无法实现重复点火/熄灭，且控制推进剂燃烧较为困难。而目前先进的电控自熄火固体推进剂表现出了与众不同的优良特性。相比于常规固体推进剂，该推进剂可重复实现多次点火/熄火，而且具有能量高、安全无毒、密度比冲高、常压不敏感等诸多优点，具有广阔的应用前景。

早在20世纪80年代末期，日本首先开始了电控自熄火固体推进剂的研究，90年代末期，美国开始大量研究，美国有多家机构参与相关研究，如美海军空战中心武器分部、陆军研究发展与工程中心、美海军研究实验室、美数字化固体推进公司、美福罗里达州大学等单位。经过二十多年的发展，该项技术于2005年获得了重大突破。美数字化固体推进公司宣布研制成功了可熄火固体推进剂。该公司与美海军、空军等开展了密切合作。2014年3月，美海军研究实验室和美数字化固体推进公司联合宣布，将利用该技术在国际太空站进行小卫星姿态调控试验。

最早提出利用直流电弧来控制固体推进剂点火/熄灭想法的是日本九州大学的副教授Takeshi Tachibana。1988年，他研制出了世界第一种可熄火固体推进剂，使用电压控制实现了点火/熄灭和可控的燃烧速度，可熄火推进剂可以非常精确地控制火焰的持续时间和燃烧速度。通过试验，他对比了和常规固体推进剂HTPB/AP/Al的电性能及点火能力。研究发现：①常规固体推进剂HTPB/AP/Al点燃后不能通过控制电能的方式使其熄灭，而新型推进剂可以做到可点火/熄灭；②通过调整推进剂的氧化剂与还原剂的比例，可使得制备的推进剂对电流敏感，可重复实现推进剂的点火/熄灭；③推进剂点燃后其电阻会发生变化，所以引燃推进剂所需的电流与电压无关，如图2-11所示；④不同的推进剂需要不同的点火电压，推进剂电阻值越大，所需的点火电压就越高（见图2-12），此外，新型推进剂的点火电压远高于HTPB/AP/Al推进剂；⑤新型推进剂点火时间与电流的关系表明，推进剂中的还原剂含量越高，其点燃所需的时间越短，如图2-13所示；⑥加大电流会增大推进剂的燃烧速度。从图2-14和图2-15中可以看出，新型推进剂受电流的影响较大，不论是燃烧中段还是末段，增大电流可显著加快推进剂的燃烧速度；而传统HTPB/AP/Al推进剂，在燃烧中段受电流的影响较大，而在末段影响较小。

尽管该新型推进剂在电控方面较传统推进剂有很大优点，但这些推进剂还存在两个显著的缺陷：一是灵敏度低，它们常常不能在电流中断后迅速熄灭，燃烧的精确性和准确性都会因此而削弱，无法精确地控制推进剂的推力大小；二是能量有限，这些推进剂本身不提供能量，需要借助外界的电能电离产生气体。因此，人们围绕可熄火固体推进剂推进技术开展了广泛研究。

1999年，固体推进公司在美空军小企业创新研究计划（SBIR）的资助下开始研究可熄火固体推进剂。2005年，该公司公布了实际意义上的第一代可熄火自熄火固体推进剂，这类推进剂代表了新一代的能源材料，具有可熄火、安全、绿色、高效等的特点。此推进剂对火焰或火花不敏感，并做试验进行了验证，试验结果如图2-16所示，图中左边为传统固体推进剂在火焰的点燃下持续燃烧，右边是新型的可熄火固体推进剂在火焰下并未点燃的试验场景。由图可知，传统固体推进剂在火焰的作用下开始了燃烧，而新型推进剂并未点火，这就保证了该新型推进剂在制造、运输和使用过程中的高安全性，因此，从安全角度来讲该类推进剂又是一种钝感含能材料。该推进剂的产物全部为H₂O、CO₂、N₂，因此，对人类环境来说是绿色的。目前研制的这类推进剂其能量输出比与当今推进剂相当，甚至高于当今推进剂，因此，它又是一种高效的推进剂。

这种推进剂并不适合用作等离子点火推进器燃料（Teflon）的替代品，等离子点火推进器使用等离子体电弧来使得推进剂从接触面开始蒸发电离形成等离子体，而该推进剂则由于其自身导电率较高而使得电弧在瞬间贯穿整个推进剂。

随后，该公司又推出了具有高导电性的推进剂，这种推进剂被称为高性能电子推进剂。但其导电率非常高，因此，新研制的推进剂并不适合用于大口径的发动机，但它却有非常好的缩比试验性能（口径比例缩小后试验结果的吻合度较好），可用于微型卫星的姿态调控等。这种推进剂是一种均一度较高的材料，没有颗粒状结构，可在室温下进行混合或灌装，能够形成不同的形状，如图2-17所示，可制备成圆柱体或扁平体等多种形状，该推进剂能在电能控制下进行点火或熄灭。

人们制备了同轴、扁平两种形状的该类推进剂进行电控制试验，试验结果表明，利用电能可精确控制两种推进剂的点火/熄灭过程（见图2-18）。

通过控制电能输出的大小即可控制推进剂的燃烧速率，从而调节推进系统的推力大小，试验结果如图2-19所示。

基于该电控固体推进技术，美海军研究实验室和固体推进剂公司联合研制了带有姿态调控装置的微型球形卫星（见图2-20），在电控固体推进剂（新型）的作用下，可调整飞行器的飞行姿态。在全球定位系统（UMS）中，该装置已经得到了实际的应用。