摘要
固体推力器结构简单、工作可靠、响应迅捷，是实现微纳卫星轨道机动和快速离轨的重要手段之一。本文针对南京理工大学“田园一号”卫星，研制了一款阵列式固体推力器。在空间环境下，推力器研制过程中涉及的推进剂使用寿命、空间点火性能均与常压下的情况不同。因此，为了探讨推力器的使用寿命和真空点火性能，以改铝铅-3固体推进剂作为研究对象，进行了真空与常压高温加速老化试验，并采用试验与理论分析结合的研究手段，获得了不同压力和温度条件下推进剂的老化性能，建立了改铝铅-3推进剂老化模型；为了研究固体推力器在真空环境下的点火性能，设计了真空点火试验，获得了推力器在真空不同温度下的点火特性。同时，针对设计的固体推力器，开展了一系列地面验证试验，确保推力器性能满足卫星的实际使用需求，实现固体推力器在微纳卫星上的工程化应用。本文的主要研究内容如下： （1）进行固体推力器初样的结构设计，分析了改铝铅-3固体推进剂在老化过程中的化学老化机理，完成了推进剂的老化试验设计，介绍了拉伸试验数据的处理方法；同时搭建了固体推力器的真空点火试验系统和地面点火试验系统，能够对固体推力器的真空点火性能与工作性能进行测试。 （2）根据固体推力器设计，以改铝铅-3推进剂为研究对象，开展了常压与真空下的推进剂老化试验，研究了推进剂的硬度、强度、伸长率等性能参数随老化时间的变化规律。对于推进剂的常压老化，最大抗拉强度、断裂强度、中定剂含量都在整体上随老化时间逐渐下降，最大伸长率和断裂伸长率会在老化试验中期增加，但整体上呈下降趋势。对于推进剂的真空老化，在试验进行20天后，推进剂拉伸试验的应力应变曲线会在峰值处出现断崖式下跌，呈现出脆性材料的拉伸性质，最大抗拉强度和断裂强度随老化时间呈上升趋势，而最大伸长率和断裂伸长率在老化试验初期下降较快，然后缓慢下降。改铝铅-3推进剂在老化过程中主要发生硝酸酯的分解和酸性水解，生成的氮氧化物会与推进剂内部的Ⅱ号中定剂发生反应，部分老化产生的酸性物质和氮氧化物会加速硝酸酯的分解与水解，同时NG的迁移挥发和中定剂等固体组员的晶析，共同导致了推进剂力学性能和中定剂含量的变化。 （3）进行固体推力器的真空点火试验，研究了推力器喷管出口处密封性、点火药种类、点火药量、环境压强和温度对点火过程的影响。固体推力器喷管出口处的密封性会影响硼基高能点火药初始压强峰的建立，密封性越好，越容易建立点火压强；在喷管出口处密封的情况下，黑火药常压点火可以产生明亮的燃气流，点火后期会有较多未燃烧完全的黑火药在空气中继续燃烧，产生的峰值压强会随着黑火药量的增加而上升；而真空下黑火药的点火性能下降，未观察到稳定的燃气流产生，不稳定燃烧现象更明显，会有较多未燃烧完全的黑火药喷出，残留在推力器周围，随着温度降低，点火压强峰值也会下降。对于硼基高能点火药的真空点火，随着温度降低，硼基高能点火药产生的点火压强峰值降低，但在-20℃条件下仍可建立较好的压强曲线，有明显的燃气流产生，点火性能良好。 （4）确定固体推力器正样件的设计方案并进行加工，开展推力器的地面验证试验，在高温、低温和常温下的工作性能与理论相差较小，使用老化试验后的推进剂进行点火试验，真空60℃老化后的推进剂点火总冲偏低，且常压或真空老化试验后的推进剂侵蚀燃烧效应更明显，工作性能下降；固体推力器在力学性能试验后未发生结构损伤，低温环境下的工作性能良好；在地面试验时，通过对固体推力器点火时卫星的加速度和角速度进行测量，发现点火后的卫星出现一定程度的偏转，试验结果可作为卫星姿态控制的依据。 通过本文的研究工作，对推进剂的老化和固体推力器的真空点火性能进行了深入探讨，设计制作了满足卫星变轨机动任务需求的固体推力器正样件，并进行了地面验证试验，搭载“田园一号”卫星成功发射入轨，促进了固体推进在空间的工程化应用。
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