● 上?？臻g推進(jìn)研究所 黃振芝 苗思薇 劉 俊

2018年10月，美國(guó)正式發(fā)布了《綠色推進(jìn)技術(shù)發(fā)展路線圖》（以下簡(jiǎn)稱“2018版《路線圖》”），其在2016年版《綠色推進(jìn)路線圖》的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步完善，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）綠色推進(jìn)工作組（GPWG）在NASA化學(xué)推進(jìn)子能力管理部（CPSM）的領(lǐng)導(dǎo)下研究制定。其目的是為NASA的各任務(wù)理事會(huì)、研究中心、項(xiàng)目組的技術(shù)研發(fā)與投入提供指導(dǎo)，也為其他部門和承包商提供參考。2018版《路線圖》論述了綠色推進(jìn)技術(shù)的研究目的、范圍、背景、發(fā)展領(lǐng)域及項(xiàng)目應(yīng)用等內(nèi)容。本文重點(diǎn)介紹2018版《路線圖》的制定過程、依據(jù)、主要內(nèi)容，以及對(duì)我國(guó)綠色推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的參考意義。

一、綠色推進(jìn)的定義

綠色推進(jìn)劑與肼類有毒推進(jìn)劑相比，具有易于處理、無毒、無污染、環(huán)境友好等特點(diǎn)。當(dāng)前，各類航天器的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)大部分依賴于有毒推進(jìn)劑。隨著各國(guó)對(duì)環(huán)保的重視程度越來越高，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，發(fā)展綠色推進(jìn)技術(shù)來代替肼類有毒推進(jìn)技術(shù)將成為未來航天器推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，許多國(guó)家對(duì)航天器的無毒推進(jìn)系統(tǒng)開展了廣泛的研究。

美國(guó)在2018版《路線圖》中主要關(guān)注的是可替代肼類推進(jìn)劑的綠色推進(jìn)劑及其相關(guān)技術(shù)（如催化劑、推力器等）。綠色推進(jìn)劑包含硝酸羥胺基（HAN）、二硝酰胺銨基（ADN）等各種推進(jìn)劑配方，這些液體在習(xí)慣上統(tǒng)稱為單組元推進(jìn)劑，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖呋瘎┍砻鏁?huì)發(fā)生反應(yīng)，類似于傳統(tǒng)的肼或過氧化氫（H2O2）。單組元推進(jìn)劑的應(yīng)用是2018版《路線圖》關(guān)注的焦點(diǎn)，也是美國(guó)大部分研發(fā)活動(dòng)的重點(diǎn)；此外，NASA持續(xù)關(guān)注綠色推進(jìn)劑在雙組元推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，其技術(shù)需求同樣受到重視。

二、GPWG成立的背景和職責(zé)

NASA能力領(lǐng)導(dǎo)組（CLT）下設(shè)的化學(xué)推進(jìn)子能力管理部（CPSM）認(rèn)識(shí)到，需要有一個(gè)更加明確的發(fā)展路線圖和投資戰(zhàn)略目標(biāo)，來進(jìn)一步推動(dòng)這些綠色推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。CPSM于2017年4月組建了一個(gè)新的機(jī)構(gòu)——GPWG，其具體任務(wù)是為NASA制定2018版《路線圖》，指導(dǎo)綠色空間推進(jìn)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。GPWG主要由NASA馬歇爾航天飛行中心、格林研究中心和戈達(dá)德航天飛行中心的成員組成。主要職責(zé)包括：制定和維護(hù)2018版《路線圖》，以應(yīng)對(duì)綠色空間推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)；列出工作組各成員所屬中心、機(jī)構(gòu)的綠色推進(jìn)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目清單；識(shí)別、評(píng)估NASA各中心綠色推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)施和研發(fā)能力。圖1為NASA能力領(lǐng)導(dǎo)組框架下的GPWG關(guān)系圖。

圖1 NASA能力領(lǐng)導(dǎo)組框架下的GPWG關(guān)系圖

鑒于NASA其他一些中心也在開展綠色推進(jìn)劑的研究項(xiàng)目，GPWG也可以擴(kuò)展其成員單位，將更多感興趣的成員涵蓋進(jìn)來。另外，GPWG還在積極尋求與其他政府部門和商業(yè)實(shí)體的合作，共享知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以便更好地實(shí)時(shí)跟進(jìn)綠色推進(jìn)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。

三、GPWG的戰(zhàn)略目標(biāo)

為了使NASA在綠色推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)投入的回報(bào)達(dá)到最大化，GPWG制定了以下戰(zhàn)略目標(biāo)。

（一）制定NASA綠色推進(jìn)愿景

過去，NASA系統(tǒng)內(nèi)沒有一個(gè)定義清晰的綠色推進(jìn)愿景。NASA各任務(wù)理事會(huì)、研究中心，以及通過個(gè)人資助和商業(yè)合作（如SBIR項(xiàng)目）等形式無重點(diǎn)地開展了各種推力量級(jí)的綠色推進(jìn)技術(shù)研發(fā)，其技術(shù)發(fā)展進(jìn)程大都止步于“飛行驗(yàn)證”階段，缺乏后續(xù)研究。雖然這些研發(fā)推動(dòng)了相關(guān)前沿技術(shù)的發(fā)展，并帶來了一定的發(fā)展效益，但是由于NASA內(nèi)部沒有一個(gè)清晰的、前瞻性的研發(fā)愿景，使得每個(gè)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目不能很好地延續(xù)下去，甚至還存在項(xiàng)目重疊或重復(fù)研發(fā)的情況，導(dǎo)致綠色推進(jìn)技術(shù)進(jìn)展緩慢。所以，2018版《路線圖》的制定就是為了解決這一問題。

（二）為資源的集中使用提供指導(dǎo)

近年來，人們?cè)絹碓疥P(guān)注綠色推進(jìn)技術(shù)的研發(fā)。許多研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)伙伴都想加入推動(dòng)綠色推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的行列。如果沒有統(tǒng)一、有效的研發(fā)監(jiān)管機(jī)構(gòu)，就會(huì)出現(xiàn)重復(fù)投入、資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。設(shè)立GPWG的初衷是持續(xù)監(jiān)管綠色推進(jìn)技術(shù)的研發(fā)活動(dòng)，并提供咨詢和指導(dǎo)服務(wù)。此外，GPWG還將為NASA任務(wù)理事會(huì)、規(guī)劃局、各研究中心、各項(xiàng)目辦等部門提供指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有資源利用率的最大化。

（三）知識(shí)的歸檔、分發(fā)和利用

目前，綠色推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)輸出了大量的研究成果，積累了大量的文獻(xiàn)資料和報(bào)告，其中不僅包括技術(shù)報(bào)告和文獻(xiàn)，還包含政策規(guī)定、最佳實(shí)踐、事故報(bào)告及評(píng)價(jià)等。如果相關(guān)的研發(fā)人員能獲得這些豐富的知識(shí)數(shù)據(jù)，就可以減少重復(fù)研發(fā)和資源浪費(fèi)。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料進(jìn)行整理并建立共享知識(shí)庫(kù)，以便于知識(shí)數(shù)據(jù)在NASA內(nèi)部、衛(wèi)星和火箭承包商之間得到有效傳遞和充分利用。GPWG將承擔(dān)起綠色推進(jìn)技術(shù)知識(shí)庫(kù)的建設(shè)、持續(xù)更新與維護(hù)的工作職責(zé)，使知識(shí)庫(kù)成為該領(lǐng)域的首選知識(shí)源。

四、2016年版《綠色推進(jìn)路線圖》

2015年，JANNAF（美國(guó)陸軍-海軍-空軍-NASA聯(lián)席會(huì)議）組織了一個(gè)主題為“替代肼的綠色單組元推進(jìn)劑（GMAH）”的技術(shù)交流會(huì)。會(huì)上，來自政界和商界的代表研討了綠色推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及所面臨的技術(shù)攻關(guān)、項(xiàng)目應(yīng)用等雙重挑戰(zhàn)問題。同時(shí)，又召開了一個(gè)僅限于政府代表參加的小型會(huì)議，會(huì)上對(duì)已識(shí)別的綠色推進(jìn)技術(shù)差距進(jìn)行了確認(rèn)，并確定了優(yōu)先發(fā)展順序。會(huì)后，跨部門工作組根據(jù)會(huì)議內(nèi)容制定了一個(gè)非正式的《技術(shù)發(fā)展路線圖》，明確了以下9項(xiàng)技術(shù)差距，并將前3項(xiàng)技術(shù)列為最高優(yōu)先級(jí)。

（1）點(diǎn)火功率和工藝技術(shù)。催化劑系統(tǒng)往往比非催化劑系統(tǒng)質(zhì)量大，需要使用大功率推力器。

（2）推進(jìn)劑消耗量。與肼推力器相比，對(duì)使用綠色推進(jìn)劑的推力器所做的壽命試驗(yàn)較少。更高的燃燒溫度、急劇的熱瞬變及燃燒過程中產(chǎn)生的腐蝕性中間物都會(huì)縮短整個(gè)推力器和催化劑的壽命。

（3）羽流建模。連續(xù)流和稀薄流的效應(yīng)對(duì)推力器的推進(jìn)劑尾氣，以及航天器表面的影響都是未知的。

（4）材料性能。缺乏銥、錸及其他難熔性金屬材料的熱性能數(shù)據(jù)，特別是綠色推進(jìn)劑推力器要經(jīng)受的高溫條件下的相關(guān)數(shù)據(jù)。材料的相容性特別是與非金屬的相容性是未知的。

（5）反應(yīng)時(shí)間。目前，與肼推力器相比，綠色推進(jìn)劑推力器要求的預(yù)熱時(shí)間和點(diǎn)火延遲時(shí)間更長(zhǎng)。

（6）新推進(jìn)劑的配方。目前正在研發(fā)更高性能的綠色推進(jìn)劑配方，還沒有與AF-M315E和LMP-103S進(jìn)行同級(jí)別的推進(jìn)劑評(píng)估測(cè)試。如何通過改變推進(jìn)劑混合比方法，在燃燒溫度（影響推力器/催化劑壽命）和性能之間如何權(quán)衡取舍還是未知的。

（7）制造工藝和成本。綠色推進(jìn)系統(tǒng)目前使用的材料價(jià)格昂貴且難以獲得，其制造方法較之肼推力器系統(tǒng)也更昂貴。

（8）推進(jìn)劑性能建模。缺乏能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)并分析推進(jìn)劑性能和分解/燃燒過程的分析程序。

（9）推進(jìn)劑供應(yīng)。目前的綠色推進(jìn)劑配方或所含成分原產(chǎn)地都不是美國(guó)，無專用的后勤供應(yīng)鏈。

明確了上述技術(shù)差距后，跨部門工作組將需求按優(yōu)先順序進(jìn)行排序，明確了急需發(fā)展的主要技術(shù)領(lǐng)域，以解決一個(gè)或多個(gè)技術(shù)差距。另外，工作組考慮采用漸進(jìn)式的發(fā)展途徑，確認(rèn)近期發(fā)展目標(biāo)，并賦能下一步發(fā)展計(jì)劃。發(fā)展目標(biāo)按優(yōu)先順序分為近期、中期和長(zhǎng)期任務(wù)，分別對(duì)應(yīng)0～3年、3～7年、7～10年的任務(wù)時(shí)間。此外，高、中、低優(yōu)先級(jí)任務(wù)也大致適用于推力級(jí)的劃分，例如，高優(yōu)先級(jí)（近期）研制的推力器在22N以內(nèi)，中期任務(wù)的推力器在110N以內(nèi)，長(zhǎng)期任務(wù)的推力器在440N內(nèi)。表1為2016版《綠色推進(jìn)路線圖》中明確的幾個(gè)主要技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域。

表1 2016年簡(jiǎn)化版《綠色推進(jìn)路線圖》

五、2018版《路線圖》技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域概述

GPWG審查了2016版《綠色推進(jìn)路線圖》，一致認(rèn)為其確定的技術(shù)差距和發(fā)展領(lǐng)域?qū)G色推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展仍然具有相關(guān)性和必要性。2016版《綠色推進(jìn)路線圖》列出了各類技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域，對(duì)于已識(shí)別的技術(shù)差距，確定了符合邏輯的漸進(jìn)式技術(shù)發(fā)展途徑，并且支持潛在的公-私合作機(jī)會(huì)。因此，GPWG建議采納2016版《綠色推進(jìn)路線圖》作為NASA需求的基準(zhǔn)，再增補(bǔ)一些新內(nèi)容，形成2018版《路線圖》。雖然2016版《綠色推進(jìn)路線圖》明確了技術(shù)需求的大致時(shí)間表，但是在2018版《路線圖》中，提出了需要更早啟動(dòng)且需要花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間的一些研發(fā)項(xiàng)目。

2018版《路線圖》中，將技術(shù)發(fā)展目標(biāo)分解為技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域，領(lǐng)域內(nèi)劃分為近期、中期、長(zhǎng)期子目標(biāo)。同時(shí)，確定以下4個(gè)技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域。

（一）推力器硬件研制

關(guān)于推力器硬件研制，GPWG提出下述發(fā)展方向：提高推進(jìn)劑消耗量（近期）；降低點(diǎn)火功率需求（近期）；研制支持硬件（近、中期）；改進(jìn)制造工藝及降低成本（中期）。

（二）建模及工具研發(fā)

計(jì)算模型和工具可以讓工程師預(yù)測(cè)推力器性能，分析、診斷系統(tǒng)異常，并且能為合作方提供設(shè)計(jì)工具，降低整體研制成本。GPWG建議研發(fā)以下模型和工具：羽流模型（近期）；催化劑及分解化學(xué)（近期）；瞬態(tài)熱分析（近期）；推進(jìn)劑性能建模/縮比建模（中、長(zhǎng)期）。

（三）材料特性及兼容性

深入了解材料特性及兼容性問題很重要，不僅能夠降低系統(tǒng)成本，還有助于全面評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的局限性。GPWG提議創(chuàng)建和改善下述數(shù)據(jù)庫(kù)：確認(rèn)并增強(qiáng)系統(tǒng)材料相容性數(shù)據(jù)庫(kù)，包括可相容的非金屬，如密封件等（近、中期）；創(chuàng)建一個(gè)綠色推進(jìn)技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)加進(jìn)NASA材料工藝技術(shù)信息系統(tǒng)（MAPTIS）數(shù)據(jù)庫(kù)（中期）；識(shí)別高輻射通量對(duì)系統(tǒng)組件的影響（遠(yuǎn)期）。

（四）綠色推進(jìn)劑研制

為了獲得穩(wěn)健的技術(shù)，需要全面、徹底地理解推進(jìn)劑本身的特性。盡管綠色推進(jìn)劑經(jīng)過了多次物理性能和熱性能測(cè)試，但還是有許多重要特性數(shù)據(jù)尚未掌握，這些數(shù)據(jù)有助于任務(wù)規(guī)劃者在搭建系統(tǒng)框架時(shí)識(shí)別影響任務(wù)成敗的潛在風(fēng)險(xiǎn)，也有助于建立在“建模及工具研發(fā)”中提到的計(jì)算模型。另外，供應(yīng)鏈源頭若無進(jìn)一步的研發(fā)投入，就目前的推進(jìn)劑供應(yīng)基地的供應(yīng)情況來看，尚不能滿足長(zhǎng)期提供大量推進(jìn)劑需求的能力。GPWG針對(duì)推進(jìn)劑研發(fā)和供應(yīng)現(xiàn)狀，提議進(jìn)行以下方面的評(píng)估：改善并發(fā)展推進(jìn)劑供應(yīng)基地（近期）；量化并擴(kuò)展推進(jìn)劑特性數(shù)據(jù)庫(kù)（近、中期）；研制新推進(jìn)劑的配方（中、長(zhǎng)期）。

六、路線圖與其他技術(shù)戰(zhàn)略規(guī)劃的一致性

NASA在論證太空技術(shù)投資戰(zhàn)略途徑時(shí)，會(huì)參考許多政策性文件，包括《NASA太空技術(shù)戰(zhàn)略投資規(guī)劃（2012）》《NASA 2018戰(zhàn)略規(guī)劃》《NASA技術(shù)路線圖（2015）》。這些文件作為NASA發(fā)展太空技術(shù)的戰(zhàn)略參考，在論證新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目時(shí)常常被引用，甚至成為NASA招投標(biāo)時(shí)必須引用的文件，以表明其符合NASA的戰(zhàn)略目標(biāo)和規(guī)劃。除了NASA內(nèi)部的文件外，還有其他外部文獻(xiàn)也提出了太空技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，尤其針對(duì)綠色推進(jìn)提出了特別建議，對(duì)路線圖的制定具有重要的參考價(jià)值。例如，國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）制定了《NASA太空技術(shù)路線圖和優(yōu)先事項(xiàng)：恢復(fù)NASA技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為太空新紀(jì)元鋪平道路》；Robert L Sackheim等人在《推進(jìn)與動(dòng)力》上發(fā)表文章《綠色推進(jìn)的進(jìn)展：挑戰(zhàn)成熟單元肼推進(jìn)劑》。GPWG在調(diào)研并綜合以上文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，制定了2018版《路線圖》，以確保其與這些戰(zhàn)略規(guī)劃的一致性。

七、綠色推進(jìn)項(xiàng)目的應(yīng)用

與所有NASA的技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目一樣，綠色推進(jìn)技術(shù)的目標(biāo)是將該技術(shù)應(yīng)用到太空飛行任務(wù)中。任務(wù)應(yīng)用幾乎和技術(shù)研發(fā)一樣艱難，面臨諸多挑戰(zhàn)，因?yàn)闃I(yè)界和任務(wù)規(guī)劃者通常不愿意接受新技術(shù)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，除非某次任務(wù)指定必須使用該項(xiàng)新技術(shù)。

2018版《路線圖》實(shí)施的成果之一是NASA資助的“綠色推進(jìn)劑演示驗(yàn)證項(xiàng)目”（GPIM）。該項(xiàng)目的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星BCP-100于2019年6月發(fā)射升空，驗(yàn)證了HAN基無毒推進(jìn)技術(shù)。此外，綠色推進(jìn)技術(shù)可能會(huì)應(yīng)用到NASA的一些重點(diǎn)任務(wù)及小衛(wèi)星（SmallSat）、立方星（CubeSat）任務(wù)中。對(duì)這些任務(wù)而言，適合的推力器主要是100mN～22N推力級(jí)，其中，100mN推力器適用于立方星和小衛(wèi)星任務(wù)，22N推力器適用于中到大型科學(xué)任務(wù)（包括ESPA級(jí)別和更大型任務(wù)）。

需要注意的是，美國(guó)國(guó)防部和其他一些政府部門也高度重視綠色推進(jìn)技術(shù)，由此給綠色推進(jìn)帶來了難得的技術(shù)應(yīng)用機(jī)遇。然而，美國(guó)國(guó)防部和NASA對(duì)任務(wù)需求有著明顯的差別。一般來說，美國(guó)國(guó)防部的任務(wù)持續(xù)時(shí)間較短（數(shù)小時(shí)到數(shù)月），其重點(diǎn)關(guān)注快響應(yīng)、高比沖機(jī)動(dòng)能力；而NASA的任務(wù)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（數(shù)月到數(shù)年），其關(guān)注的重點(diǎn)是長(zhǎng)壽命、長(zhǎng)期在太空飛行的能力。因此，NASA需要穩(wěn)健的技術(shù)，具有不依賴地球的即時(shí)制導(dǎo)與控制就可以正常運(yùn)行的能力。

NASA過去的研發(fā)投入主要集中在特定的推進(jìn)劑配方上， NASA認(rèn)為這些在研的綠色推進(jìn)技術(shù)中并不存在“對(duì)的”解決方案，因?yàn)橥七M(jìn)系統(tǒng)及其推進(jìn)劑的選擇取決于任務(wù)因素（如項(xiàng)目限制、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、成本、時(shí)間表、相容性等），而NASA對(duì)推進(jìn)劑的關(guān)注始終是其可獲得性和是否便于技術(shù)轉(zhuǎn)化，而不是特定的技術(shù)方案。GPWG將綠色推進(jìn)看作是未來飛行任務(wù)的可行替代方案，因此，建議對(duì)系統(tǒng)方案和推進(jìn)劑開展大范圍的類似替代研究，以滿足NASA的任務(wù)需求。這將給任務(wù)策劃者提供更大范圍的可選技術(shù)，從而帶來更多的應(yīng)用機(jī)會(huì)。

八、結(jié)束語(yǔ)

NASA發(fā)布的2018版《路線圖》制定依據(jù)清晰，內(nèi)容詳實(shí)，對(duì)未來的綠色推進(jìn)技術(shù)研發(fā)具有切實(shí)的指導(dǎo)意義。同時(shí)，NASA將根據(jù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀定期對(duì)2018版《路線圖》進(jìn)行審查與更新，確保其在美國(guó)各地開展的研究活動(dòng)中發(fā)揮引領(lǐng)作用，這充分體現(xiàn)了美國(guó)對(duì)綠色推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的重視。美國(guó)的2018版《路線圖》的制定過程、依據(jù)和漸進(jìn)式發(fā)展路徑規(guī)劃對(duì)我國(guó)如何推進(jìn)綠色推進(jìn)技術(shù)發(fā)展具有重要的參考和借鑒意義。

2020年5月5—8日，我國(guó)采用綠色推進(jìn)技術(shù)的新一代載人飛船試驗(yàn)船成功進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。新飛船的返回艙使用的HAN基400N單組元發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)目前研制的最大推力無毒單組元發(fā)動(dòng)機(jī)。此次飛行試驗(yàn)的成功將極大地推進(jìn)我國(guó)各類航天器從常規(guī)肼類有毒推進(jìn)技術(shù)向綠色環(huán)保、無毒化應(yīng)用轉(zhuǎn)化的進(jìn)程。