激光加热复合固体推进剂点火的数学模型及数值解

本文从实验及理论上分析了以二氧化碳激光为能源的复合固体推进剂的点火,在激光加热热流为21～150×10~4W/m~2、初始温度分布为253～293K的条件下,测量了点火延迟时间,并根据推进剂点火的固相理论,在考虑了固相加热、表面吸热及放热反应的情况下,提出了数学模型,并用计算机进行了数值求解,得出了与实验基本相一致的结果。理论及实验都给出:点火延迟时间随着初始温度及点火热流的增高而单调下降,与初温的关系近于线性;在低热流下,延迟时间与点火热流的关系也近于一条直线。点火初始压力的影响将反应在指前因子B上,这些结果都与有关文献报道的基本一致。     

复合固体推进剂的综合点火模型

本文提出了固体推进剂点火的一种综合理论模型。这种模型可真实地描述非均质推进剂的点火,其中包括环境气体中压力增量(dp/dt)的影响,它还详细地考虑了AP/PBAA推进剂的反应动力学,而且并没有预先做出关于点火部位的假设。其物理模型假设为嵌入燃料粘结剂模型中的是圆球形氧化剂粒子。数学模型的组成是:(a)氧化剂和燃料粘结剂在固相时的能量方程;(b)质量、能量和物质处在气相时的守恒方程。由试验测得的靠近推进剂试样表面的压力——时间曲线作为模型的输入参数。反应机理需要考虑处在气相中的五种物质。本文研究了表面下的反应和气相反应。它提出的模型能够作为阐述在大范围工作条件下不同推进剂的点火模型的基准。     

HAN基绿色推进剂点火技术研究进展

针对HAN基绿色推进剂普遍存在点火困难的问题,总结了国内外HAN基绿色推进剂点火技术的研究和应用情况。HAN基液体推进剂的点火方式主要包括催化分解点火、电火花点火、无弧点火、电解点火和激光点火。HAN基凝胶推进剂仍采用传统烟火药方式,难以实现点火。HAN基固体推进剂采用电极电解点火方式,在电压的控制下实现了点火、燃烧和熄火可控。分析认为,采用电解方式能够显著提高HAN推进剂的点火效率,是HAN基推进剂点火技术的发展方向。     

固体火箭发动机点火瞬间火焰传播模型比较研究

以N-S方程、k-ε湍流模型、P1辐射模型为基础,采用流固耦合传热的火焰传播边界条件,分别对固体火箭发动机点火瞬间的层流粘性模型、湍流粘性模型、层流粘性辐射模型、湍流粘性辐射模型进行了比较分析研究。以PS-1发动机点火过程为算例的分析表明,燃气和推进剂热力参数相同时,层流粘性模型不能形成火焰;湍流粘性模型虽然形成了燃面,但不可自持燃烧;层流粘性辐射模型的点火诱导期长;湍流粘性辐射模型可正确预示初始发火点和火焰传播过程。     

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。     

考虑两相表面反应的二硝酰胺铵点火研究

为了研究固体推进剂二硝酰胺铵(ammonium dinitramide,ADN)点火过程中物理化学变化,建立了1个考虑两相(固相和气相)表面化学反应的点火模型。该模型基于固相与气相的质量守恒方程、组元连续方程、能量守恒方程及有限速率化学动力学方程而建立,并引入多组元系统状态方程封闭方程组。模型中包含35种组元,2个固相ADN总分解反应和166个气相细节(基元)化学反应,并使用温度函数表示物性参数进行计算。应用该点火模型对0.1 MPa下ADN在不同初始温度下点火延迟时间进行预测,计算结果与试验数据较吻合,说明该点火模型较准确地描述了ADN点火过程;计算表明,ADN点火延迟时间随初始温度升高而急剧缩短,且初始温度高于600 K时,温度存在一个短时间的降低过程;计算得到ADN完全燃烧产物为H2O(0.393)、N2(0.394)、O2(0.193)及极少量的NO(0.009),表明ADN是一种绿色无污染低特征信号推进剂。     

含硼富燃料推进剂燃烧波结构分析

采用微测温和火焰照相及SEM研究了含硼富燃料推进剂燃烧波温度分布、火焰结构及熄火表面；结合热力计算，分析含硼富燃料推进剂中硼燃烧反应类型。研究认为低压下推进剂燃烧波结构存在暗区；硼表面用AP包覆，可以降低暗区厚度，有利于改善推进剂的燃烧。     

含偶氮四唑胍的RDX-CMDB推进剂的燃烧性能和热行为研究

采用浇铸工艺制备了GZT部分取代RDX的系列RDX-CMDB推进剂样品。研究了GZT对不含催化剂的RDX-CMDB推进剂的燃速、压强指数及燃烧火焰结构等燃烧性能的影响,并采用TG-DTG和DSC实验,初步研究了含GZT的RDX-CMDB推进剂的热行为。结果发现,GZT对推进剂的火焰温度、火焰的暗区厚度、燃面上的亮点数目和燃烧表面对凝聚相的温度梯度等都呈现一定规律性的影响;在1～10 MPa范围内,GZT使RDX-CMDB推进剂的燃速升高,压强指数降低。热行为研究表明,加入GZT时,推进剂的DSC曲线上出现一个单独的放热分解峰,对应TG曲线上也表现出一个单独的失重过程。     

翼柱形药柱模拟发动机火焰传播规律研究

翼柱形药柱模拟发动机的翼槽结构对点火瞬态过程的火焰传播规律存在着潜在的影响.通过试验分析不同质量流量的点火剂燃气以不同的角度喷射到翼柱形药柱模拟发动机的推进剂表面时的火焰传播规律,发现火焰峰传播到翼槽区域后,尾部翼槽底部区域被最后点燃.通过对试验进行数值仿真分析可知,压缩在翼槽底部温度较低的气体减弱了高温燃气与推进剂的...     

偶氮四唑胍对含催化剂的RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响研究

采用浇注工艺制备了GZT部分取代RDX的系列含催化剂的RDX-CMDB推进剂样品。研究了GZT对含催化剂的RDX-CMDB推进剂的燃速、压强指数及燃烧火焰结构等燃烧性能的影响,对比分析了GZT对含催化剂和不含催化剂的RDX-CMDB推进剂燃烧行为影响不同的原因,并采用DSC实验初步研究了含GZT和催化剂的RDX-CMDB推进剂的热行为。结果发现,GZT对推进剂的火焰温度、火焰的暗区厚度、燃面上的亮点数目、燃烧表面对凝聚相的温度梯度等都呈现一定规律性的影响;在1～10 MPa内,GZT使含催化剂的RDX-CMDB推进剂燃速降低,压强指数升高;热行为研究表明,含催化剂的GZT-RDX-CMDB推进剂的DSC曲线上出现了GZT单独分解峰,且DSC的第一分解峰温随GZT的加入而减小。     

DNP-CMDB推进剂的催化燃烧性能

为研究含N,N-二硝基哌嗪(DNP)改性双基推进剂(DNP-CMDB)的催化燃烧性能,用燃速测试、高压差示扫描量热(PDSC)、扫描电镜(SEM)和单幅彩色火焰照相技术,分别研究了邻笨二甲酸铅(φ-Pb)、邻苯二甲酸铜(φ-Cu)及其复配体系对DNP-CMDB推进剂燃烧性能、凝聚相热分解、熄火表面和火焰结构的影响。结果表明,φ-Pb及其复配体系能够提高推进剂的燃速,降低压强指数,促进DNP的凝聚相热分解,减少熄火表面上的DNP晶体残留,增大燃烧表面面积,增强火焰区的燃烧反应程度。     

丁羟推进剂激光点火延迟时间研究

应用Ｃ２激光点火器研究了丁羟推进剂中氧含量，等因素及激光点火热通量与点瞎迟时间之间的关系，研究结果表明，随着丁羟推进剂氧量，燃速以及点火热通量的增加，推进的点火延迟时间缩短。超细铝粉能明显改善了羟推进剂的激光点火性能，使点火延这时间缩短。     

光敏推进剂激光烧蚀过程建模与仿真

相较于传统大卫星,微小卫星具有结构紧凑、质量轻便和成本低廉的特点。然而,受功率和质量负载的限制,微小卫星一般不装备推进系统,其航线也局限于近地轨道。为扩展微小卫星的功能,满足日益复杂的任务需求,需给其配备合适的微推进系统。固体推进系统具有结构简单、寿命长、可靠性高的优点,但无法重复启动。为得到可重复启动的固体微推进系统,设计了一种非自持燃烧的光敏推进剂,采用激光控制其燃烧。在背压为大气压的环境下,利用高速摄像机拍摄燃烧过程并记录燃速。之后,对光敏推进剂的激光烧蚀过程进行建模。分析结果表明:激光可控制光敏推进剂的燃烧,燃速与激光强度成线性关系;该光敏推进剂的最小激光点火强度为0.28 W/mm~2;燃速计算值与实测值的误差在10%以内,证明该数学模型具备工程应用价值。     

声振荡作用下推进剂铝颗粒团聚特性实验研究

为获得压强振荡对推进剂燃烧表面铝颗粒团聚特性的影响，建立了声振荡作用下铝颗粒团聚特性实验测量装置和方法，采用高速显微成像技术和激光全息技术同步测量的方法，对HTPB四组元推进剂在有、无声振荡作用下的铝颗粒团聚特性进行了实验研究。研究结果表明，在340 Hz声振荡作用下，铝颗粒火焰呈现与声振荡频率相一致的周期性摆动，颗粒微观形貌发生明显的形变；受声场力的作用，小尺度颗粒(40～80μm)团聚作用减弱，中等尺度颗粒(100～260μm)团聚作用加强，且更容易发生融合等现象，从而改变了推进剂燃烧表面及近表面铝团聚颗粒粒度分布(0～3 mm),团聚粒度及团聚分数均增加。所建立的实验方法可为研究压强振荡作用下推进剂铝团聚特性提供有效的实验技术和数据参考。     

固体推进剂点火的表面沉积模型

本文根据固体推进剂采用含有凝结物质的流动热气体进行点火的特点,提出了一个点火过程的机理,即认为在点燃之前凝结物质的热粒子首先沉积在推进剂的表面上形成一层沉积层,并根据传热理论建立了固体推进剂采用含有凝结物质的流动热气体点火的模型,求得了固体推进剂内部的温度分布和表面温度随时间的变化,以及计算点火延迟时间的解析解,再根据对流换热系数与压力的关系计算出点火延迟时间与压力的关系,将理论计算的点火延迟时间和压力的关系与实验结果比较表明理论模型是合理的。为了验证本文所提出的点火过程的沉积机理,设计了一个实验,实验结果表明在点燃之前推进剂表面确实存在一个沉积层,因而合理的理论模型应该包括这个沉积过程。     

一个包括气相和亚表面反应的过氯酸铵复合推进剂的点火模型

本文提出了 Ap 基复合推进剂点火的一个综合模型及其数值解。这一分析模拟位于滞止区的推进剂试样在快速加压条件下的点火过程。本模型的特点包括:a)考虑了 Ap 基复合推进剂点火的详细的化学动力学资料;b)推进剂几何形状是二维(轴对称)的;c)考虑了气相中压力迅速增加对点燃过程的影响。使用隐式有限差分格式求解瞬态二阶联立、非齐次、非线性偏微分控制方程组。数值解揭示在点火阶段顺序发生的一系列重要事件,包括:点火器气体流入接近样品表面的区域;压缩波到达处未燃成份的燃烧;向推进剂传热;氧化剂和燃烧剂的高温分解;气相反应导致点燃。这个模型正确地预测了实验观察到的现象:随着增压速率提高,点火延迟时间缩短。采用文中考虑的不同点火准则都得到和试验一样的趋势。     

非自燃推进剂固液火箭发动机点火特性试验研究

叙述了非自燃推进剂固液火箭发动机的点火特性，并分析了点火起动程序设计、烟火剂点火器和复合固体引燃器的试验过程，结果表明；应用烟火剂点火器和预设固体引燃器，不仅能保证点火起动安全无误，而且还适用于多种非自燃固液发动机的点火 。     

添加剂HMX对AP/HTPB复合推进剂燃速行为的影响

本文研究了添加剂HMX对AP丁羟推进剂燃速的影响。试验研究发现:在AP/HTPB复合推进剂中加入HMX时,其燃速降低;随着推进剂中HMX含量的增加,其燃速压力指数呈现出先下降后上升的“情形”;当HMX的粒度变细时,推进剂的压力指数显著降低。我们基于BDP模型的气相火焰结构设想,并强调燃烧表面上HMX熔层在燃烧过程中的作用,提出了一个多重竞争火焰—凝聚相结构和反应模型。它能解释AP—HMX双元系统丁羟推进剂的燃速行为和现象,并能对这种推进剂的燃速和压力指数调节的各种途径进行预示。此外,还提出了BDP和GDF模型一致性的设想和一些等价概念。     

固体发动机装药裂纹中火焰传播速度计算

本文根据实验观察和分析、建立了一个固体火箭发动机推进剂裂纹点火燃烧的综合模型,使用该模型进行了裂纹中火焰传播规律的理论计算,计算结果与实验结果基本吻合。     

超燃冲压发动机燃烧室碳氢燃料的点火和火焰稳定研究

在氢氧加热脉冲风洞上,对超音速燃烧室在进口2Ma、总温960~1 420 K条件下的碳氢燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究。在直连式超音速燃烧室实验中,通过采用火花塞 氢先锋火焰、火花塞 乙烯先锋火焰的方法实现了煤油燃料的点火和火焰稳定。研究结果显示,当采用氢作为先锋火焰时,利用火花塞能够在燃烧室进口总温960 K条件下实现煤油的点火和火焰稳定;当采用乙烯作为先锋火焰时,利用火花塞,实现没有点火和火焰稳定的最低温度为1 420 K。