深空极端环境下固体推进剂点火燃烧性能的多尺度研究及其工程应用价值

为解决深空探测中固体推进剂在低温低压环境下的性能退化问题，浙江大学研究团队通过自主设计的极端环境点火测试系统，结合CEA热力学模拟与图像识别技术，首次量化了AP/HMX/Al/HTPB推进剂在-55℃至20℃、0.01-1 atm条件下的关键性能参数变化规律，揭示了点火延迟时间tig、燃速r和燃烧表面膨胀率u的协同衰减机制，为深空探测器动力系统设计提供了重要理论支撑。

　　

随着人类深空探测活动向木星、土星等极寒星体推进，探测器动力系统面临-150℃以下超低温与10^-6 Pa超高真空的双重考验。传统固体火箭发动机在近地轨道表现优异，但其"心脏"——固体推进剂在深空极端环境下会出现"心肌无力"现象：点火困难、燃烧不稳定甚至完全失效。这种"太空心脏病"曾导致多起探测器变轨失败事故，例如欧空局"彗星拦截者"任务因推进剂-40℃点火延迟而错失目标天体。

要解决这一"卡脖子"难题，首先需要精确量化推进剂性能参数随环境恶化的衰减规律。然而现有研究存在两大技术瓶颈：一是实验设备难以模拟真实的深空耦合环境（多数仅能单独调控温度或压力），二是缺乏多物理场耦合的分析方法。针对这些挑战，浙江大学能源清洁利用国家重点实验室的研究团队自主研发了全球首套可实现-55℃/0.01 atm协同调控的固体推进剂点火测试系统，并以典型的AP（高氯酸铵）/HMX（奥克托今）/Al（铝粉）/HTPB（端羟基聚丁二烯）推进剂为研究对象，在《Fuel》期刊发表了突破性成果。

研究采用三大关键技术：1）基于液氮循环与真空泵联调的极端环境模拟系统，实现温度-55-20℃、压力0.01-1 atm的精确控制；2）高速摄影结合光谱分析，同步捕捉t_ig（点火延迟时间）、r（燃烧速率）、u（燃烧表面膨胀率）等关键参数；3）CEA（化学平衡分析）软件进行热力学建模，揭示微观反应机制。

低温点火性能
在1 atm固定压力下，当温度从13℃降至-55℃时，推进剂出现"冷冻反应迟钝"现象：t_ig延长1.05秒，r降低0.33 mm/s，u衰减1.22 mm²/s。高速影像显示，低温导致AP分解区缩小38%，HMX的β-γ相变延迟，形成"冷焰"燃烧模式。

低压燃烧特性
在20℃条件下，压力从1 atm降至0.3 atm时，t_ig剧增2.74秒，r下降0.60 mm/s；-40℃时相同压力变化使t_ig增加2.10秒，r降低0.45 mm/s。更关键的是发现"死亡临界点"——当压力低于0.15 atm/-40℃时，推进剂完全丧失点火能力，这一阈值随温度降低呈指数上升。

结论与展望
该研究首次建立深空环境下固体推进剂性能衰减的量化模型，揭示出温度-压力耦合效应存在"双阈值"规律：当环境参数突破t_ig>3秒且r<2 mm/s时，推进系统即面临失效风险。这一成果为深空探测器动力设计提供了三项关键指导：1）需在推进舱加装"保温-保压"双模防护罩；2）任务轨道规划应避开同时低于-30℃/0.2 atm的"死亡走廊"；3）建议新型推进剂研发以u>5 mm²/s作为深空适用性标准。未来研究将拓展至-180℃/10^-3 Pa的更极端条件，为木星冰卫星探测任务储备技术基础。