两种十氢十硼酸金属盐的表面特性及在富燃料推进剂中的应用

基于硼氢盐化合物具有高燃速、高燃烧热值等优点,探索了两种十氢十硼酸金属盐化合物(BHM)在富燃料推进剂中应用前景。采用DCAT 21型动态接触角/表面张力仪测量了BHM、AP、Mg、团聚硼、HTPB的接触角,计算了固体组分与HTPB之间的粘合功W和铺展系数S,结果显示几种固体组分与HTPB粘合剂相互作用大小次序为AP/HTPBBH-2/HTPB团聚硼/HTPBMg/HTPBBH-1/HTPB,且SHTPB/BH-1较小,因为BH-1不能充分浸润于HTPB粘合剂,界面间产生排斥作用,导致含硼氢盐BH-1推进剂内部出现裂纹。还研究了含硼氢盐BH-2富燃料推进剂的流变性能、能量性能和燃烧性能。结果表明,用硼氢盐BH-2替代团聚硼粉,能降低推进剂药浆的表观粘度和屈服值,提高推进剂实测热值,其中,BH-2含量30%的B-2配方,推进剂药浆的屈服值为44.5 Pa,表观粘度为188 Pa·s,燃烧效率达到了93.2%。发现硼氢盐使推进剂燃速降低,且产生大量的燃烧残渣,这与燃烧产物中凝聚相碳(C)的大幅增加有关。依据硼氢盐分解和燃烧特点,认为其适应于燃料冲压发动机。     

Mg粉/CO2粉末火箭发动机点火试验研究

初步设计了粉末火箭发动机,并以Mg粉作为燃料、CO2作为氧化剂进行了点火试验.研究结果表明,在一定的压强和温度下,利用空气与Mg粉的燃烧放热可成功引燃Mg粉/CO2,且在关闭空气后达到自持燃烧；燃烧室壁面沉积较多,主要以MgO为主,还有一部分未燃烧的Mg；通过该试验验证了Mg粉/CO2粉末火箭发动机方案的可行性.     

粉末燃料冲压发动机研究进展

粉末燃料冲压发动机采用高能金属或硼粉为燃料,兼具液体燃料冲压发动机推力可调、比冲高及固体火箭冲压发动机安全可靠、结构简单等优点,尤其是固体/粉末或液体/粉末燃料组合冲压发动机,粉末燃料的加入不仅可大幅提高传统冲压发动机的比冲等性能,还能改善并增加其原有功能,是极具发展潜力的新一代导弹动力装置之一。针对粉末燃料冲压发动机及其相关研究领域的发展现状进行了概述分析,并以此梳理出粉末燃料供给、发动机燃烧组织、发动机点火等粉末燃料冲压发动机主要关键技术,同时对发动机技术提出了高性能粉末燃料研究、冲压空气作为驱动流化气可行性研究、发动机快速响应和环境适应潜力及工作可靠性研究等几点研究展望。通过对粉末燃料冲压发动机相关研究技术进行综述梳理,明确了其研究的重点和难点,为发展高性能冲压发动机提供了一定参考。     

含纳米金属粉的推进剂点火实验及燃烧性能研究

利用CO2激光点火系统对含有纳米铝粉和纳米镍粉的AP／HTPB推进剂进行激光点火实验,测量了推进剂在不同激光功率和压强下的点火延迟时间,对推进剂的燃速、常压点火温度和爆热也进行了测量。同时,利用氧化还原滴定法测定燃烧残渣中活性铝含量。结果表明,纳米铝粉(n—Al)的点火阀值比普通铝粉(g-A1)的点火阀值小几个数量级,加入纳米铝粉可有效地缩短推进剂点火延迟时间。而在纳米镍粉为催化剂的协同作用下,推进剂燃速明显提高,点火延迟时间也大大减少,Al在推进剂燃烧过程中的燃烧效率得以提高,同时燃烧残渣中活性铝含量也明显降低。     

粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流数值模拟

采用颗粒轨道模型对镁粉燃料冲压发动机的两相流场进行了三维数值模拟,目的是为进一步的实验研究提供指导和参考。结合理论性能分析,提出了一种发动机构型,通过数值模拟分析了颗粒粒径、产物相态等因素对该发动机燃烧效率的影响。结果表明,粉末燃料的粒径较小时点火延迟时间短,颗粒在发动机中的滞留时间长,燃料燃烧效率较高。     

高纯硼粉的特性及其在富燃料推进剂中的应用研究

通过SEM、XRD、pH计、X射线荧光光谱仪和HAAKE流变仪等研究了高纯硼粉的物化特性,并重点研究了其用于富燃料推进剂的燃烧性能.结果表明,高纯硼粉中大部分颗粒不规则,但在微观上呈晶体结构.由于高纯硼粉表面B2O3、H3BO3杂质非常少,硼粉与水悬浊液的pH值接近中性,硼粉在HTPB粘合剂中的屈服值和表观粘度较小,且随混合时间增加,屈服值和表观粘度保持不变.通过290～407 ℃范围内高纯硼粉富燃料推进剂热分解过程的质量损失可定性认为,高纯硼粉参与凝聚相反应的活性高于无定形硼粉.燃烧性能研究表明,含高纯硼粉的富燃料推进剂低压下正常燃烧,燃烧特性与无定形硼粉相同,实测燃烧热和燃烧效率较高.     

硼颗粒点火燃烧特性研究进展

硼的质量热值和体积热值极高,作为金属燃料使用具有显著的能量优势。如何充分释放硼氧化的高热量成为其应用推广的关键问题。基于半个世纪以来国内外的相关研究成果,论述了硼颗粒点火燃烧的主要过程与机理,分析了硼点火燃烧特性的影响因素与促进方法,评述了硼点火燃烧模型和数值计算的研究进展。对目前研究中存在的问题与不足进行了归纳总结,并对未来研究的重点及改进方向进行展望。     

固体火箭超燃冲压发动机硼基贫氧推进剂配方优选试验研究

针对固体火箭超燃冲压发动机中高焓多相超音速燃烧组织难题,通过改进含硼固体贫氧推进剂配方,为硼颗粒的点火燃烧提供良好的微环境,以进一步缩短硼颗粒的点火延迟时间,开展了三种推进剂配方的直连试验研究.试验结果表明,在5～10μm粒径的基础上,进一步降低硼颗粒粒径至1～2μm,使颗粒的随流性增强,并使得掺混均匀度降低,抵消了硼...     

驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机两相流数值模拟

根据已有粉末燃料冲压发动机的特点,设计了驻涡火焰稳定器,并对现有发动机结构进行了改进,提出了驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机。采用颗粒轨道模型,对镁基粉末燃料冲压发动机进行了三维流场数值模拟,对比分析了改进前后发动机内流场结构对该发动机燃烧效率的影响,以便为进一步的实验研究提供指导。数值模拟结果表明,驻涡火焰稳定器的应用,可使燃烧效率较现有发动机提高10%。     

固体推进剂铝基燃料高效燃烧的研究进展

铝基燃料作为含能添加剂在固体推进剂中能大幅提升火焰温度,增大发动机比冲,提升推进剂的总体能量。然而,铝基燃料在燃烧过程中经常出现燃烧不完全、燃烧速率低、点火温度高及团聚等现象,严重影响了燃料的燃烧效率。从各个维度总结了铝基燃料燃烧的最新研究进展,指出了各因素的作用原理。介绍了铝基燃料在固体推进剂中的燃烧机理,评述了铝基燃料尺寸、高氯酸铵(AP)颗粒尺寸与级配、表面氟化物包,以及金属氧化物添加剂对铝基燃料燃烧效率的影响。结果表明:采用铝粉表面改性、调节颗粒尺寸与级配、添加多元氧化剂等能有效提高铝基燃料燃烧效率。     

金属粉末燃料冲压发动机初步试验研究

为了检验金属粉末燃料冲压发动机的点火及燃烧特性,对设计的发动机进行了初步的直连式试验研究。初步试验结果表明,目前设计的燃料供应系统能将粉末燃料有效输送到发动机燃烧室;在火炬作用下粉末燃料能实现快速点火启动;火炬工作结束粉末燃料可自身维持燃烧;燃烧室壁面沉积较多,主要分为2层,其中表层为白色MgO,内层为Mg、MgO和Mg3N2的混合物。     

粉末火箭发动机推力调节试验研究

为了验证粉末火箭发动机的多次点火启动及推力调节等技术,利用设计的发动机开展了试验研究。研究结果表明,在高能火花塞作用下,粉末火箭发动机可实现多次点火启动及关机,且启动及关机的次数、时间间隔等可随意调节;通过调节粉末燃料和氧化剂的流量,可实现粉末火箭发动机的推力调节技术,推力调节比达到6.5。     

微米级三氢化铝激光点火燃烧性能研究

三氢化铝(AlH_3)由于较高的含氢量、较高的质量和体积热值,及低温下快速分解释氢的特性,被视为是最有发展潜力的含能燃料之一,可显著提高推进剂的比冲。采用功率为270 W的激光点火实验台研究了3种粒径的AlH_3样品(中位径分别为21.88、86.16、136.00μm)的点火燃烧性能。结果表明,整个火焰演变过程存在发展、稳定和衰退3个阶段。在实验工况范围内,随着样品粒径增大,最大火焰高度和直径均有所减小,最大光谱强度减小,点火延迟时间增大,自维持燃烧时间减少。当粒径由21.88μm增大到86.16μm,点火延迟时间由12 ms增大到130 ms,平均燃烧强度由371 496减少至144 016,而燃烧时间由238 ms减少至80 ms。因为粒径越大,比表面积越小,样品与氧化剂的接触面积越小,燃烧强度降低,样品燃烧不完全,导致自维持燃烧时间变短。     

大规模固体微推力器阵列点火关键技术

为了将固体微型推力器阵列应用于姿轨控,需要对点火相关技术进行研究。分析了点火电路在姿态、轨道控制上的应用问题;设计了适用于大规模阵列的驱动电路,通断可控,能够满足点火需要;研究了点火延迟时间以及单次多组点火的间隔时间,当点火功率为2 W时,点火延迟时间经测试最大为7.6 ms,而点火间隔时间经测试最小为50μs。经过综合测试实验,点火成功率能够达到100%,验证了点火系统相关模块的可靠性和匹配性;经过控制仿真,验证了该系统能够满足卫星姿轨控需要。     

Mg粉/CO2点火燃烧性能实验研究

利用自行设计的点火实验装置对Mg粉/CO2的点火燃烧性能开展了实验研究.通过记录的实验现象验证了Mg 粉/CO2组合作为推进剂的可行性的同时,由测量到的不同粒径的Mg粉在CO2中的点火温度,对点火燃烧性能作出详细的分析和评估,得到了中等粒径的Mg粒子在CO2中的点火温度约为960 K,且随着粒径的增大,点火温度会逐渐升...     

粉末火箭发动机燃烧室燃烧流动特性研究

选取颗粒轨道模型,对Al／AP粉末颗粒在粉末火箭发动机内流动和燃烧进行三维数值模拟,为以Al粉末燃料和AP粉末氧化剂作为推进剂的新型燃烧室的设计以及实验研究提供参考。文中提出了一种粉末火箭发动机构型,通过对发动机燃烧室进行冷态和热态数值模拟,研究了氧燃比、Al粉末颗粒大小、燃烧室体积等因素对粉末火箭发动机燃烧室燃烧性能的影响。结果表明,一定范围内氧燃比较高时,燃烧室温度反而较低;较小粉末颗粒在燃烧室内更易离散;Al颗粒粒径越小越易燃烧,Al燃烧率也越高;验证了在Al／AP粉末火箭发动机的设计中引入特征长度来匹配Al粉粒径与燃烧室体积的合理性。     

宽范围变流量空气/液氧/酒精燃烧加热器试验

为了突破空气/液氧/酒精三组元宽范围变流量燃烧加热器可靠点火和稳定燃烧等关键技术,采用一种经过优化的直流喷嘴来组织燃烧,研制了宽范围变流量燃烧加热器并进行了点火试验,研究了其在10倍流量变化范围内的点火特性和燃烧性能。试验结果表明该燃烧加热器在10倍多的流量变化范围内实现了高效稳定燃烧,其中设计点的燃烧效率达到97%。加热器采用新型组织燃烧方式实现了宽范围变工况和低喷注压力下的可靠点火和稳定燃烧,其中加热器点火成功率100%,稳定工作过程中室压波动小于1%。加热器采用等离子点火火焰先进入燃烧室,随后氧化剂、燃料依次进入燃烧室的点火程序合理。     

B/HTPB体系混合过程中剪切力对流变特性的影响研究

探索剪切力对硼粉/端羟基聚丁二烯(B/HTPB)混合体系流变性能的影响,采用旋转粘度计和同向双螺杆转矩流变仪分别考察了B/HTPB体系在低剪切应力和高剪切应力下流变特性的变化规律。结果表明:B/HTPB体系在旋转粘度计中剪切速率小于5s-1,剪切应力小于200Pa,含硼25%的B/HTPB体系在50℃下混合300min,表观粘度在26.9～32.0Pa·s内变化;而B/HTPB体系在同向双螺杆转矩流变仪中的剪切速率范围为71.11～355.56s-1,剪切应力比旋转粘度计的高1～2个数量级,对于含硼20%的B/HTPB体系在50℃、233.33s-1下混合230min,表观粘度达到446.3Pa·s,体系达到凝胶状态。在高剪切力作用下,B/HTPB体系粘度快速增加,低剪切力作用下B/HTPB体系粘度几乎不变。因此,在高剪切应力下对改性硼粉的B/HTPB体系流变规律进行研究,可为硼粉改性和团聚效果的评价提供一种方法。     

不同助燃方式下硼粉的燃烧机理研究

为研究硼粉燃烧规律，采用两种典型混合方式(干法混合和湿法混合)制备了含不同质量助燃剂双铅-2(SQ-2)的硼粉试样，使用氧弹式量热计测量了硼粉燃烧放热量，同时在量热计上加装压强传感器获得了不同样品在燃烧过程中的压强变化趋势，得到了不同样品中硼粉的有效燃烧时间。结果表明，在SQ-2含量一致时，干法样品在燃烧过程中的升压速率明显大于湿法样品，其最大压强也高于湿法样品；在两种助燃方式下，氧弹中的温度和氧气量均可满足硼粉的燃烧，但SQ-2含量>80%的干法混合中硼粉放热量低，最高仅为34 950 J/g,依然有约40%硼粉没有燃烧，其硼粉有效燃烧时间仅约有29 ms。分析认为，干法混合中样品为粉末状，燃烧迅速，当SQ-2含量>80%时，其燃烧产生的高速气体将硼粉喷溅在氧弹壁上或者氧弹底部，硼粉受“冷壁效应”影响明显而导致无法继续燃烧，而湿法混合中SQ-2与硼粉接触紧密，硼粉受“冷壁效应”影响不大，SQ-2燃烧产生的热量和气体更容易加热硼粉，加上硼粉自身的放热，延长了硼粉的高温燃烧时间，助燃效果好，燃烧效率高。     

燃气喷射角度对含硼固体火箭超燃冲压发动机补燃室燃烧效率的影响

固体火箭燃气超燃冲压发动机具有高比冲、结构简单、流量易调节等优点,然而在超音速空气流的补燃室中,如何让燃料更好地与空气掺混,增加颗粒停留时间,在较短时间内释放出更多的燃烧焓成为目前研究的重点。采用Realiazble k-ε湍流模型,单步涡团耗散模型,在King的硼颗粒点火燃烧模型的基础上考虑了硼颗粒在高速气流当中的气动剥离效应,利用龙格-库塔算法迭代计算硼颗粒点火燃烧过程,对燃气进气方向与轴向夹角从45°~180°的10种进气方式下的补燃室进行了三维两相燃烧流动计算,分析了各种进气角下的燃气燃烧效率、硼颗粒燃烧效率以及总燃烧效率。结果表明:当一次燃气喷射角度与轴向夹角逐渐增加时,燃气与颗粒燃烧效率逐渐增加,并在180°时燃烧效率和比冲为最高。