复合推进剂中铝燃烧实验研究

采用长焦显微镜头和高速相机组合的光学拍摄方法,研究了不同压强下含铝复合推进剂中铝粒子在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧过程。分别在1MPa,3MPa和5MPa充满氮气的燃烧实验器中进行了实验。在3MPa和5MPa实验中,通过在镜头前增加不同透射率的中性密度滤波片解决了因铝滴燃烧发光过强导致相机成像过度曝光的问题。通过测定拍摄过程中相邻两张图片中同一粒径铝滴在不同位置,计算了不同粒径铝滴的随流运动速率。小粒径随流运动速率快,大粒径随流运动速率慢。实验中还得到了不同粒径铝滴在推进剂燃烧表面的团聚形成时间。1MPa实验下,200μm和150μm粒子的团聚时间分别约为8ms和6ms;3MPa下,300μm和200μm粒子的团聚时间分别约为5ms和3ms;5MPa下,300μm和150μm粒子的团聚时间分别约小于3ms和1ms。随着压强的增大,同一粒径团聚物的团聚时间缩短。在同一压强条件下,粒径越小的铝团聚物其所需团聚时间越短。     

基于数字同轴全息的铝颗粒燃烧粒度分布研究

铝颗粒的团聚效应会对固体推进剂燃烧造成不良影响,产生积渣、两相流损失等问题。为掌握铝颗粒的团聚机理,了解初始铝颗粒尺寸以及压强对铝团聚的影响,以优化推进剂配方及粒度级配,有必要对三维空间内铝颗粒的粒度分布进行研究。为解决传统检测方法的景深问题,采用了数字同轴全息（DIH）技术,并用普通镜头搭配4f透镜组取代长焦显微镜头构建了成像系统。实验一方面对两种具有不同初始粒径的推进剂A和B进行燃烧测量,另一方面对推进剂B分别在0.1,0.2,0.3MPa三种不同压强下的燃烧进行了测量,然后通过全息重建以及图像处理技术得到了燃烧铝颗粒的粒径信息,相对测量误差在9%以内,最后采用Normal和Log-Normal多峰拟合获取了粒度分布的详细参数。对比实验结果发现,常压下铝团聚体的尺寸随着初始铝粉粒径减小而减小;随着压强增大,铝团聚物的尺寸逐渐变小,体积概率密度逐步由双峰分布变为单峰分布,说明压强升高对于铝团聚有抑制作用。     

NEPE推进剂的高压燃烧特性研究

应用高压燃速测试、微热电偶测温及燃烧火焰单幅摄影等技术,研究了NEPE推进剂的高压燃烧特性与燃烧机理。实验结果表明:NEPE推进剂高压压强指数出现拐点;且随压强以及AP含量升高,燃烧波由硝胺-CMDB向AP-CMDB推进剂转变。分析认为硝酸酯基的含量及AP单元推进剂的扩散火焰是控制NEPE推进剂燃速及压强指数的主要因素。     

含铝固体燃料冲压发动机工作性能分析

为探究含铝固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能，基于纳米铝颗粒和端羟基聚丁二烯（HTPB）的混合固体燃料，采用雷诺转捩模型、颗粒表面反应模型和涡概念耗散模型，建立了二维两相湍流燃烧模型；数值计算分析了含铝固体燃料冲压发动机内流场，以及不同含铝质量分数和粒径下的燃面退移速率、推力与比冲。结果表明：发动机的进气条件对颗粒相的燃烧与运动起主导作用；与纯HTPB推进剂相比，添加质量分数为5%的铝颗粒能够提高补燃室压强和温度，增大燃烧室内高温区面积，可使推进剂平均燃面退移速率提高18.53%，发动机推力提高21.37%，密度比冲提高2.38%，适当增加铝颗粒含量或减小粒径，对提高推进剂燃面退移速率、发动机推力和密度比冲具有积极作用。     

固体推进剂铝团聚模型

综述了固体推进剂铝团聚研究进展，对现有研究中存在的局限性进行了讨论，并分析了未来团聚模型的趋势.铝团聚物理过程可抽象为堆积、聚集和团聚3个阶段.现有团聚模型可分为5类，分别是经验模型、口袋模型、物理模型、随机装填模型和凝相边界层模型.目前缺乏高精度、宽适用性的模型来准确预测铝的团聚过程.团聚模型未来发展的趋势应具备能够预测团聚物粒度分布和计算量小两大优势.由于能描述团聚过程的本质，物理模型具有很好的研究前景.开展了5MPa下含铝推进剂燃烧实验，采用高速显微拍摄技术获得推进剂燃面处铝颗粒的团聚直径，与Hermsen模型和Salita模型预测数据进行了比较，对于燃速分别为5.1mm/s和8.0mm/s的推进剂，Salita模型对于团聚直径的预示误差分别为8.7%和9.6%，而Hermsen模型对于高燃速推进剂的预示误差为19.2%.总体看来，Salita模型预示精度更为合理.      

包覆及团聚硼对富燃料推进剂燃烧性能的影响

研究了硼粉表面包覆材料的种类和含量及团聚硼的含量对富燃料推进剂燃烧性能的影响。结果表明,团聚硼有利于提高推进剂的燃速与燃速压强指数;包覆材料AP的含量对推进剂燃烧性能的影响较为复杂,低含量有利于提高推进剂的低压燃速,但对燃速压强指数不利,高含量有利于提高推进剂的燃速压强指数,但对低压燃速不利;包覆材料L iF有利于提高推进剂的低压燃速,但过高的含量降低了推进剂的燃速压强指数。     

含铝固体复合推进剂颗粒团聚现象

含Al固体复合推进剂在燃烧过程中，燃烧表面存在Al颗粒团聚现象，其对火箭发动机性能产生重要影响。通过分子动力学算法建立固体复合推进剂三维颗粒微观模型，实现了模拟三维空间内AP颗粒和Al颗粒的随机分布特征。并建立了颗粒的团聚模型，分析研究Al颗粒在随机填充模型中的团聚现象，得到了不同的临界分离距离下Al颗粒粒径分布规律，并将之与实验数据进行对比，最终总结出了合适的临界分离距离与Al颗粒直径的经验公式。然后总结出了Al颗粒在气固交界面发生团聚后粒径的分布规律，设计了Al颗粒在气固交界面的Rosin-Rammler概率分布函数，分析得到其均匀性系数与特征系数分别为1.445 3与86.49，可用于数值模拟计算固体燃料燃烧面退移过程中表面Al颗粒喷射的初始粒径。     

嵌银丝低易损推进剂增速比和综合燃速试验研究

针对嵌银丝端羟基聚醚（HTPE）低易损推进剂的复杂燃烧过程，采用水下声发射法对增速比和综合燃速随基础燃速、压强、银丝直径及温度的变化规律开展试验研究。结果显示，低压下推进剂的综合燃速随基础燃速的增大整体呈上升趋势，而增速比呈下降趋势；综合燃速随压强的增大呈上升趋势，增速比高压段低于低压段，平均值相差24%；推进剂增速比随银丝直径增大先增大后减小，存在一个最佳银丝直径为0.25mm，使得增速比最大；综合燃速和增速比随推进剂的温度增加呈上升趋势。     

加速度对含铝复合推进剂燃烧特性的影响

介绍了用中止燃烧试验方法研究加速度对含铝复合推进剂燃烧特性的影响。结果表明，固体推进剂的加速度效应，最初是一种特殊的动态过程，在熄火后的药柱燃面上可观察到形状各异的凹坑，由凝聚铝粒子在燃面上滞留造成，它使向药柱的热反馈大大增强，结果导致燃面增加，燃速增大。根据研究结果，导出了燃速增量的三个表达式，即热效应燃速增量，增面效应燃速增量，压强效应燃速增大。根据研究结果，导出了燃带增量的三个表达式，即热效     

数字全息在固体推进剂铝燃烧三维测量中的应用研究

为获得固体推进剂铝颗粒动态燃烧的精细化过程,将数字全息技术用于固体推进剂铝燃烧三维动态过程测量中,成功地解决了传统光学显微成像法景深过小的问题。搭建了固体推进剂铝燃烧数字全息测量系统,分别在0.1MPa和1.0MPa压强条件下开展了推进剂中铝颗粒燃烧过程的三维测量工作,获得了铝颗粒动态燃烧过程的全息图像。研究结果表明:数字全息技术能够获得不同截面处的颗粒信息,并可跟踪颗粒的动态燃烧过程,准确地获得颗粒粒径信息,真正实现三维动态测量;全息法能够清晰地分辨出动态燃烧过程中十几微米至几百微米量级的铝颗粒,测量误差小于8%;跟踪单一铝颗粒的动态燃烧过程,可获得颗粒粒径、空间分布、粒径分布、燃烧火焰区域、运动速度以及氧化帽的动态生成过程等变化规律。     

氧化剂含量和粒度对NEPE推进剂燃速影响的模型化

以高能固体推进剂热分解特性和燃烧模型的研究成果为基础,建立了由化学结构参数计算NEPE推进剂的燃速和压强指数的公式,计算了氧化剂组分含量和粒度对燃烧性能的影响。经验证,计算结果与实测燃速值的偏差全部在±20%以内,其中80%的偏差在±10%以内。这说明所建立的模型基本合理,编制的NEPE类推进剂燃速计算程序基本可行。     

含铝固体推进剂铝团聚抑制方法研究进展

固体推进剂燃烧过程中铝团聚现象会引起诸如两相流损失、熔渣沉积、比冲降低和燃料能量释放不完全等一系列负面影响。因此,铝团聚抑制方法的研究对于提高发动机性能具有重要意义。本文简要介绍了固体推进剂燃烧过程中铝颗粒团聚过程及其影响因素,重点介绍了目前铝团聚抑制方法的研究进展,并分析和总结了现有抑制方法的机理和优缺点。最后,提出了未来需要关注的几个研究方向。     

纳米碳酸盐对复合固体推进剂燃烧性能的影响

研究了纳米碳酸盐对丁羟三组元、丁羟四组元、低燃速NEPE推进剂燃烧性能的影响。结果表明:纳米碳酸盐使丁羟三组元推进剂在高压(10～18MPa)和低压(4～10MPa)段的压强指数降低到0.2以下,同时使燃速明显降低;使丁羟四组元推进剂在高压段(10～18MPa)的压强指数降低到0.26左右;使低燃速NEPE推进剂的的压强指数(4～9MPa)从0.77左右降至0.55以下。从研究结果可以看出,添加该纳米碳酸盐是降低复合推进剂压强指数行之有效的途径。     

基于原位X射线成像的推进剂损伤演化表征

为实现对硝酸酯增塑聚醚（NEPE）固体推进剂的细观损伤及其演化行为的可视化表征，基于自主研制的原位力学试验系统与第3代高分辨同步辐射X射线三维成像技术，对拉伸速率为0.1 mm/s下的NEPE固体推进剂单调拉伸过程进行三维成像原位观测和表征，获取初始状态固体推进剂的细微观形貌及其随拉伸载荷的演化特征，提取并分析其内部典型损伤的体积与球度随载荷的演化规律。结果表明：同步辐射原位成像技术能够准确获取NEPE固体推进剂的细观结构特征，可以基于灰度差异对固体推进剂的AP颗粒、Al颗粒、基体以及缺陷等实现特征的准确识别。研究发现，NEPE固体推进剂内部缺陷主要有2种，一种为颗粒内的孔洞，一种为AP颗粒/基体界面的初始脱湿。推进剂细观损伤首先表现为初始的界面脱湿形成的孔隙：在拉伸载荷较小时，推进剂的损伤形式主要表现为较大的AP颗粒脱湿形成的孔隙；在拉伸载荷较大时，除AP颗粒脱湿外可以观察到Al颗粒的脱湿，大量的AP颗粒脱湿后形成的孔隙相互融合，最终导致固体推进剂宏观断裂。对固体推进剂内部孔隙定量化表征的结果表明，孔隙体积随着拉伸载荷增大而增加，而球度变化与初始缺陷相关，有初始缺陷时，球度呈现单调减...     

金属/水反应冲压发动机内流场数值模拟

基于燃气发生器式金属/水反应冲压发动机的构成形式,建立了发动机补燃室内流场两相反应计算模型,并在该模型下对给定的贫氧推进剂配方,及某模型发动机进行了模拟,得出了不同水喷射雾化角、铝颗粒燃烧模型、铝颗粒初始直径下反应物和产物组分、温度等发动机参数的变化趋势。结果表明,水喷射雾化角大有利于水滴蒸发及其与燃气的掺混;两种不同的铝颗粒燃烧模型结果差别不大;铝颗粒初始直径的大小对发动机性能有显著影响。     

含铝复合固体推进剂液体喷射熄火研究

本文对含铝 18.5%、 16%的 PU和 HTPB推进剂进行了液体喷射熄火研究。结果表明:可靠熄火用液量随推进剂能量增加而增加;随着射流压降的增加,熄火速率和用液量分别增加和减少;燃烧室压强升高,用液量增加;除熄火用液量外,存在一个无因次参数,它综合反映了推进剂能量和燃速特性、喷射工况、液体性质、燃烧压强等对熄火过程的作用。      

AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性数值研究

为研究AP/HTPB复合推进剂低压燃烧特性,使用二维三明治模型进行了数值仿真研究。该模型使用简化的四步总包反应机理,考虑燃烧过程中的燃面退移,计算时大粒径AP取平均粒径,小粒径AP采用“均质黏合剂假设”,认为其与HTPB组成“均质黏合剂”。在0.02MPa-0.08MPa的压强下进行了仿真,并与高压（5MPa）下的燃烧仿真进行对比。结果表明,低压下固相AP对黏合剂的传热导致了交界面处燃面的下陷,下陷程度随压强减小而增大;随着燃烧的进行燃面各点燃速趋于一致,燃面形状不再改变。低压下气相反应表现为预混燃烧,初焰为主导反应。低压下燃速仿真与实验值基本一致,压强指数小于高压下的压强指数。     

无铝CTPB＋PB固体推进剂旋转燃烧的试验研究

启动鱼雷动力系统的固体推进剂药柱系低燃温、无铝复合推进剂，处于旋转状态下燃烧。本项研究利用旋转燃烧试验台进行了药柱的燃烧试验，显示了加速度对无铝推进剂燃烧的影响。结果表明：在试验条件范围内，推进剂药柱随着加速度增大，燃烧室压强增大、燃烧时间缩短。根据实验数据整理出旋转燃烧条件下燃速公式。     

收集处理方法对含铝固体推进剂凝相燃烧产物特性影响

含铝固体推进剂凝相燃烧产物特性对固体火箭发动机的燃烧效率、燃烧稳定性和绝热安全性等影响重大。为获得准确可靠的凝相燃烧产物的理化特性,利用定压燃烧装置来收集凝相燃烧产物,采用马尔文激光粒度分析仪、扫描电镜及X射线衍射仪对产物进行表征,研究收集介质、干燥处理和超声分散对凝相燃烧产物性质的影响。结果表明,使用水收集获得的凝相燃烧产物平均粒度与氮气收集条件下相比大60%,水收集法适用于研究推进剂近燃面凝相燃烧产物。干燥处理能保证凝相燃烧产物样品中大尺寸颗粒的有效取样,在粒度测试之前需要对样品进行干燥处理来获取准确的凝相燃烧产物粒度分布数据。超声分散会导致大颗粒团聚物含量降低,小颗粒团聚物含量升高,最终显著降低凝相燃烧产物平均粒径。粒度测试时,在80kHz条件下,超声分散参数设定为40 W,5 min较为合适。基于研究结果,提出了一套科学合理的凝相燃烧产物收集处理方法。     

新型非壅塞式固体火箭冲压发动机试验研究

建立了一种新型非壅塞燃气发生器固体火箭冲压发动机系统。一系列直连式实验证实,验证的镁铝中能贫氧推进剂在低压（≥０．５ＭＰａ）范围内可以稳定燃烧,燃气发生器的工作压强可以随冲压补燃室压强的改变而变化,因此贫氧推进剂燃速随之进行自适应调节,最终达到富燃烧气流量自主调节的目的。