2018, Vol. 39
2. 空间智能控制技术国家级重点实验室，北京 100194;
3. 中国科学院力学研究所 高温气体动力学国家重点实验室，北京 100190
2. National Laboratory of Space Intelligent Control, Beijing 100194, China;
3. Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics, Institute of Mechanics, Beijing 100190, China
水分解推进系统以水为推进剂，利用卫星上的电能将水电解产生氢气和氧气，然后根据卫星的控制指令将氢气和氧气点燃喷出产生推力[1]。水无毒无腐蚀性，是一种绿色推进剂；利用卫星上的富余能源电解水产生氢氧气体，无需单独为水分解推进系统配置大功率的电源；水分解推进系统以氢气和氧气为推进剂，可以获得较高的比冲[2, 3]。综上所述，水分解推进系统特别适合于微小卫星的应用需求。
国际上20世纪70年代便开始了水分解推进系统研究。美国Stechman在1973年成功研制了水分解推进系统原理样机，并对原理样机进行了试验，试验结果证明了水分解推进系统适用于高性能，高可靠和长寿命的大型航天器[4]；北京航空航天大学的林震也在2011年进行了水分解推进系统初步研究，并对水分解推进系统在大型航天器上应用的整体性能进行了估算，估算结果表明在DFH-4卫星平台上，水分解推进系统比常规的双组元推进系统整体质量更轻[5, 6]。
伴随着应用型微小卫星的快速发展，水分解推进系统无毒无腐蚀性、低功率、高比冲的特点，使得它在微小卫星推进领域极具应用前景。2011年康奈尔大学Zeledon提出了应用于自旋稳定型卫星的水分解推进系统[3, 7]，并制作了试验样机。水电解产生氢氧混合气体，工作时，打开电磁阀使氢氧混合气体流入燃烧室；在燃烧室中建立适当的压力之后，关闭电磁阀，随后点燃燃烧室内的混合气体，当燃烧室内的气体压力超过燃烧室和喷管之间的单向阀的开启压力时，单向阀打开，燃烧室内的气体喷出产生推力。Zeledon对测试样机进行了初步验证，结果表明在充气压力为200kPa时比冲约为50s，远低于理论比冲。Zeledon并未指出实测比冲比理论比冲出现巨大差异的原因。
2012年，Tethers Unlimited Inc提出了与康奈尔大学不同的水分解推进系统方案[8]：将电解产生的氢氧气体分开存储，根据卫星的控制指令打开氢气储箱/氧气储箱和燃烧室之间的电磁阀，使氢气/氧气通过不同的输运管路进入燃烧室，在燃烧室内建立适当的压力后关闭两个电磁阀，点燃混合气体并选择恰当的时间打开出口阀门，使气体喷出从而产生推力。2013年，该公司完成了水分解推进系统模块HYDROS工程样机的研制，初步测试表明HYDROS可以产生300~600mN的推力[9]；2016年美国Air Force Institute of Technology对HYDROS的喷管进行了改进，在初始压力为300kPa时，推力600mN左右，比冲约为335s，与理论值接近[10]。
Zeledon和Tethers Unlimited，Inc研究的水分解推力器采用同种推进剂，均以脉冲形式工作，实际性能却差异甚远。这是由于水分解推进系统的微小氢氧推力器性能与燃烧过程和工作时序的匹配密切相关：一方面，随着推力器的微小型化，燃烧室的面容比快速增加，热损失对发动机性能影响更加严重[11]；另一方面，推力器未工作时，整个发动机处于冷态，氢氧燃烧产生的水容易被冷态壁面吸收，引起性能下降。因此，通过优化燃烧过程和工作时序，在保证燃烧充分反应的同时，减少发动机热损失和燃烧产物在冷态壁面的吸附，可以有效提升水分解微推力器的性能。为了指导水分解推力器设计，本文对水分解微推力器燃烧室中的定容点火过程进行了实验研究，利用燃烧室压力表征燃烧过程，获得了燃烧过程、冷却过程的压力特征及时间特征，为优化水分解推力器的设计参数、提高水分解推进系统的综合性能提供了支撑。
2 实验系统设计根据微小型卫星对推进系统的需求及结构约束，设计了氢氧推进系统，原理如图 1所示。电解产生的氢氧混合气体存储在气体储箱中，在卫星有推进需求时，打开入口阀门使氢氧混合气体流入燃烧室。燃烧室内建立一定压力之后，关闭入口阀门，打开点火器点火，并在恰当的时机打开出口阀门使气体喷出产生推力。
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Fig. 1 Schematic of water electrolysis system |
参考相关工作中的微小推力器结构[12, 13]，采用直径为10mm，高度为10mm的圆柱体燃烧室；直接采用水分解装置产生氢氧混合气体进行测试，与真实推进系统的推进剂的组分和当量比一致。在给定燃烧室特征结构条件下，通过调节氢氧混合气体的初始压力可以控制每次点火产生的冲量，以满足卫星的控制需要。监测燃烧室压力，即可通过压力随时间的变化量化表征燃烧过程。因此，本实验选定在不同的充入压力下燃烧室中压力作为测量目标。
2.1 水分解发动机燃烧室针对水分解微推力器的结构特征，本实验设计的圆柱体模拟燃烧室如图 2所示，其出口和入口处设计了约6°的倾角。模拟燃烧室的入口和出口安装了金属球阀以约束燃烧室的体积。
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Fig. 2 Experimental combustion chamber structure |
为了使模拟燃烧室中的燃烧过程更接近真实的推力器，球阀和模拟燃烧室之间的空间填充了聚四氟乙烯。模拟燃烧室内装有铂金丝点火器，点火器与外壳间用陶瓷隔离。点火器连接15kV的脉冲型高压电源，用单片机控制点火时序，实验有较好的可重复性。模拟燃烧室顶部安装有高频压力传感器，以记录燃烧室中的压力变化，其响应时间为1μs。模拟燃烧室的两侧设置了两个观察窗口，可以通过观察燃烧室内是否发光判断混合气体是否被点燃。
2.2 实验系统本文建立了如图 3所示的实验系统。真空泵在每次实验之前将管道抽真空，以保证每次实验时燃烧室内的气体只含氢气和氧气。通过电解水储箱中的氢氧化钠溶液可以产生氢氧混合气体，混合气体与氢氧化钠溶液共用储箱，氢氧混合气体位于水的上方。氢氧混合气体通过干燥管、针阀、球阀1和球阀2流到燃烧室以及燃烧室右侧的空间，通过连接在球阀4上方的高精度压力传感器P2测量燃烧之前的压力。在点火针点火之前，关闭球阀1和球阀2，以模拟燃烧室中的实际过程。通过记忆示波器采集燃烧过程压力传感器P1的信号，以获得燃烧室的压力变化规律。每次点火后用高压氮气储箱中的氮气通过球阀6，球阀1，球阀2，球阀3吹除燃烧生成的水以及剩余的氢氧气体。
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Fig. 3 Schematic of the pressure measurement experimental setup of water electrolysis thruster |
氢氧混合气体的初始压力为30kPa时，模拟燃烧室中脉冲燃烧过程获得的典型压力传感器P1输出信号如图 4所示。点火之后压力传感器输出存在高频变化，初步判断是压力传感器受到点火针击穿过程的电磁干扰所致。为了验证此结论，在模拟燃烧室中分别充入初始压力为30kPa，60kPa，90kPa的氢氧混合气体和30kPa的氮气，采用相同的点火时序，压力传感器P1的输出如图 5所示。由图可见，不同初始压力的氢氧混合气体和氮气在点火之后压力传感器的输出相似，因此可以认定，0~50μs的压力传感器输出的高频震荡信号是由于点火器点火带来的电磁干扰导致的。
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Fig. 4 Typical pressure signal of combustion process vs time |
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Fig. 5 Pressure profiles of combustion process after ignition |
点火针输出电压非常高，不能直接接入示波器的触发端作为时间基准。每次点火，压力传感器均会输出一个明显的特征信号，如图 5所示，本实验以此特征信号作为时间基准。
由图 5可知压力传感器受到点火针的干扰输出为典型的冲激响应，在50μs之后点火带来的电磁干扰对压力传感器的输出带来的影响已经很微弱，因此认为50μs之后压力传感器输出不受点火过程电磁干扰影响。根据图 4所示的典型压力变化曲线，可以首先将压力传感器的输出粗略分为4段：（1）快速上升段；（2）快速下降段；（3）缓慢上升段；（4）缓慢下降段。通过分析快速上升段的时间，发现快速上升段火焰传播的平均速度在29.9~58.1m/s，远大于初始温度约为300K的层流预混火焰的传播速度[14]。将快速上升段展开，可以发现在上升部分有一个由于缓燃转变为爆燃而导致压力变化速率突变的点（下称突变点），如图 6所示。根据以上压力的变化规律，可以将燃烧室的燃烧过程分为5段。
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Fig. 6 Transition process from laminar combustion to deflagration |
（1）气体缓燃，积累能量：对应的压力变化区间为从点火到突变点之前，燃烧室内氢氧混合气体缓燃，压力逐渐增加并且增速逐渐增大。
（2）气体爆燃，压力快速增加：对应的压力变化区间为突变点到燃烧室压力最大值。燃烧室内的气体在标记的位置已经积累了足够的能量，缓燃转变为爆燃，压力增速加快，以几乎恒定的速度增加到最大值。
（3）爆燃波被反射：对应的压力变化区间为图 4中压力迅速下降的区间。爆燃波在燃烧室顶部反射，压力传感器的示数迅速下落。
（4）燃烧室内未烧完的气体缓燃：对应的压力变化区间为图 4中压力缓慢上升的区间。燃烧室中混合气体爆燃过程中混合气体没有反应完全，未燃烧的气体继续以缓燃的形式燃烧，燃烧室的压力缓慢增大。
（5）冷却和吸附过程：对应的压力变化区间为图 4中压力缓慢下降的区间。燃烧室内的高温燃气对外界散热、同时水分子接触燃烧室壁时被吸附，燃烧室内的压力下降。
通过观察压力传感器P1的典型输出曲线，可以发现压力上升的时间和压力下降的时间相当，即燃烧过程的特征时间与冷却吸附过程的特征时间相当，均为毫秒量级。排气阀门开启时机过早，则推进剂未充分燃烧；排气阀门开启时机过晚，则冷却和吸附效应显著，均会导致推力器的性能下降。因此必须对点火过程进行定量研究，以匹配阀门的开启时间与燃烧室内的燃烧过程。
3.2 预充压力的影响分析本实验的研究目标是通过研究化学计量比的氢氧预混气体充入压力与燃烧过程的压力特征及时间特征之间的关系，对水分解推力器设计提供数据支撑，因此本实验从爆燃导致的最大压力以及此压力出现的时间、缓燃导致的最大压力以及此压力出现的时间等角度分析氢氧混合气体的初始压力对燃烧过程的影响。根据卫星推进系统的设计要求，本实验以初始压力为30，40，50，60，70，80，90kPa的预混气体作为研究对象。每组实验重复3次。
爆燃导致的最大压力与氢氧混合气体初始压力的关系如图 7所示。氢氧混合气体初始压力为30kPa时，爆燃导致的最大压力为201kPa，随着初始压力增大，爆燃导致的最大压力增大，在初始压力为90kPa时，爆燃导致的最大压力为731kPa。根据实验数据可以得到，随着预氢氧混合气体初始压力的增大，爆燃导致的最大压力逐渐增大，爆燃强度逐渐增强。
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Fig. 7 Peak pressure caused by deflagration vs initial pressure of hydrogen-oxygen mixture |
爆燃导致的最大压力出现的时间与氢氧混合气体初始压力的关系如图 8所示。氢氧混合气体的初始压力为30kPa时，爆燃导致的最大压力出现的时间为335μs，随着初始压力的增大，爆燃导致的最大压力出现的时间逐渐缩短。在初始压力为90kPa时，仅需要172.5μs爆燃导致的压力便达到了最大值。随着氢氧混合气体初始压力的增大，气体燃烧积累能量的速度加快，可以更早转为爆燃，如图 9所示。而根据燃烧学的相关理论[15]，在化学当量比确定的前提之下爆燃波的传播速度受到充气压力的影响很小，并且比缓燃波的传播速度大得多。因此缓燃转变为爆燃的时间越早，燃烧波传播的平均速度越大，爆燃波导致的最大压力出现的时间越早。
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Fig. 8 Time of peak pressure caused by deflagration vs initial pressure of hydrogen-oxygen mixture |
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Fig. 9 Time of laminar combustion to deflagration vs initial pressure of hydrogen-oxygen mixture |
缓燃导致的最大压力与氢氧混合气体初始压力的关系如图 10所示。氢氧混合气体的初始压力为30kPa时，缓燃导致的最大压力为82.5kPa。随着初始压力增大，缓燃导致的最大压力增大。在初始压力为90kPa时，缓燃导致的最大压力为210.8kPa。绝热的化学计量比的氢氧预混气体在定容容器中燃烧之后的压力应为燃烧之前压力的6倍左右，而本实验中压力的变化仅为2~3倍。这是由于燃烧产生的能量与燃烧室体积成正比，散热及水分子的吸附速率与表面积成正比。从实验结果可以看到，在本文研究的燃烧室的特征尺度及脉冲工作条件下，由于表面积与体积比大，燃烧过程中的热损失与水分子的壁面吸附效应可观，导致压力上升远低于绝热燃烧状态。
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Fig. 10 Maximum pressure caused by laminar combustion vs initial pressure of hydrogen-oxygen mixture |
缓燃导致的最大压力出现的时间与氢氧混合气体初始压力的关系如图 11所示。由图可见，缓燃导致的最大压力出现的时间在900~1000μs，基本不变。可以认为在本实验测量的预混气体初始压力范围之内，缓燃导致的最大压力出现的时间基本无变化。参考Law所给出的氢气在空气中的燃烧速度的实验数据[16]，当量比＞0.5时，低气压（p＜150kPa）下火焰传播速度不受压力影响；以及Stephen R Turns的研究结果及总结低气压（p＜500kPa）下相关实验数据给出的结论，压力较低时缓燃波的传播速度与压力基本无关[15]，与本文的实验结果是一致的。
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Fig. 11 Time of maximum pressure caused by laminar combustion vs initial pressure of hydrogen-oxygen mixture |
本文建立了一套水分解推进系统微推力器燃烧室内点火过程的测量系统。利用爆炸压力传感器对燃烧室内压力变化进行高速测量，可以得到在水分解微推力器中，氢氧混合气体的脉冲燃烧过程有如下规律：
（1）随着氢氧混合初始气体压力从30kPa增大到90kPa，缓燃转变为爆燃的时间逐渐缩短，爆燃导致的最大压力出现的时间逐渐从335μs缩短至172.5μs，爆燃波的强度逐渐增大。
（2）随着氢氧混合气体初始压力从30kPa增大到90kPa，缓燃导致的最大压力逐渐增大，最大压力出现的时间基本不变。缓燃导致的最大压力明显小于绝热定容燃烧的最大压力，表明燃烧室壁面的冷却和吸附作用对发动机性能影响明显。
（3）尽管缓燃转化为爆燃的时间受预充压力的影响明显，但由缓燃导致的最大压力出现的时间基本不受预充压力影响，本文设计的燃烧室中，燃烧所需的时间和冷却吸附所需的时间尺度相当，均为毫秒量级。为了保证工作时序与燃烧及冷却吸附过程相匹配，排气时间精度应优于亚毫秒量级。
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