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。     

含铝浆体燃料燃烧性能研究进展

将高能金属颗粒添加到液体燃料中制成的浆体燃料含有比普通液体燃料更高的体积能量,在航空航天领域显示出潜在的重要应用价值。对国内外已开展的浆体燃料的研究情况进行了总体回顾,介绍了浆体燃料的发展历程,重点聚焦含纳米铝颗粒浆体燃料燃烧特性研究,以微观燃烧特性研究(单液滴为对象)和宏观燃烧性能研究(模型燃烧室为对象)两个不同视角论述了浆体燃料燃烧性能研究中单液滴蒸发/燃烧的理论模型、单液滴蒸发/燃烧特性的实验测量值及浆体燃料模型燃烧室燃烧性能研究进展,呈现了国内外研究机构在该领域的主要研究成果。探讨了现有研究存在的一些问题,如纳米铝团聚体的蒸发燃烧行为研究不足,微观燃烧特性和宏观燃烧性能研究脱节及模型燃烧室设计不利于准确评价燃烧性能等。给出了对该领域研究发展趋势的展望和进一步研究的建议。     

涡流对固体燃料冲压发动机性能影响分析

通过对固体燃料冲压发动机内流动和燃烧过程的数值模拟,研究了涡流对发动机性能的影响。主要讨论了发动机推力和比冲、固体燃料的平均后退速率和燃烧效率对旋流强度的依赖关系,还对推进剂燃速沿轴向的分布进行了考察,并与无旋条件进行了比较分析。结果表明,小强度的涡流能明显提高固体燃料燃速和发动机推力,但强度过大,涡流反而会给发动机性能带来不利影响;涡流增强燃烧作用主要体现在装药后段。     

纳米铝燃料研究进展

纳米铝代替传统微米铝作为固体火箭推进剂的金属燃料,有助于提高推进剂的燃速、比冲和降低特征信号等。综述了纳米铝燃料合成、活性保持、高温氧化反应机理和在含能材料体系中的分散性能等方面的研究进展,分析了关键技术的发展趋势。最后,给出了下一阶段纳米铝燃料的研究建议:探索各向异性纳米铝燃料合成途径,丰富纳米铝燃料类别;在不降低铝燃料能量的前提下,进行修饰、包覆,提高纳米铝燃料活性;弄清不同反应速率下纳米铝燃料氧化反应过程,明晰纳米铝燃料氧化反应机理;重视铝燃料在含能材料中的分散技术、表征手段,揭示分散状况对燃烧稳定性的影响规律。     

TGA测试含硼富燃料推进剂发火温度实验研究

采用一定实验条件下的TGA实验,对不同含硼富燃料推进剂发火温度进行测试,以验证方法的可靠性,并在此基础上,研究了初始温度、升温速率、装药量和坩埚等实验条件,以及配方对此方法测定的发火温度的影响。实验结果表明,采用TGA对含硼富燃料推进剂的发火温度进行测试具有较高的精确度,实验结果的通用性也较高;初始温度及升温速率基本不影响此方法测得的推进剂的发火温度;与氩气气氛相比,空气气氛下的含硼富燃料推进剂发火温度降低;在使用高压坩埚的情况下,推进剂的实测发火温度降低;使用HMX代替含硼富燃料推进剂中的AP、使用镁作为金属添加剂,以及增加推进剂中硼粉的含量,都能降低含硼富燃料推进剂的发火温度。     

含碳氢燃料(ACH)的低特征信号富燃料推进剂特性

随着低特征信号固体推进剂技术的发展,低特征信号富燃料推进剂的研究已受到国内外广泛关注。高能碳氢燃料部分替代富燃料推进剂中的金属燃料是降低推进剂特征信号的主要途径之一。采用激光粒度仪测试了烯烃类碳氢燃料(ACH)的粒径及粒径分布,利用TG-DTG热分析仪分析了ACH及含ACH的富燃料推进剂热分解特性,评价了ACH和含ACH的富燃料固体推进剂的机械安全性能(撞击感度和摩擦感度),采用靶线法和燃烧实验装置研究了推进剂的燃烧特性及火焰结构,分析了含ACH的富燃料推进剂的燃烧残渣率,并与不含ACH的富燃料推进剂进行了比较。结果表明,ACH的颗粒较均匀,明显呈现近"球形";富燃料推进剂的质量燃烧热值和体积燃烧热值随着ACH质量分数的增加均增大,而密度却减小; ACH的撞击感度和摩擦感度均较低,表明其自身本质是安全的,推进剂的特性落高H50随着ACH质量分数的增加而提高,而摩擦感度几乎不发生变化;在不同测试压力下,推进剂的燃速随ACH质量分数的增加而降低,而燃速压力指数却增大,压力指数提高了65.87%。     

含硼富燃料推进剂低压燃烧模型

针对含硼富燃料推进剂低压燃烧的凝相反应和气相燃烧具有气相反应在燃面上的惰性“沉积层”中进行、气相放热主要由AP与HTPB分解产物的扩散燃烧产生的特点,以BDP模型为基础,建立了含硼富燃料推进剂低压燃烧模型,分析了“沉积层”对气相燃烧的影响。结果分析认为,“沉积层”的存在是含硼富燃料推进剂能在较低压强下维持稳定燃烧,并具有较高燃速和压强指数的主要原因。燃烧模型实质是对BDP模型的拓展,利用该模型定性解释了含硼富燃料推进剂低压下特有的燃烧现象。     

液体火箭发动机热过程仿真技术发展概述

<正>液体火箭发动机热过程基础研究是探索液体火箭发动机工作时所发生的流动、传热及燃烧等过程的基本规律,其研究内容涉及液体推进剂喷雾燃烧过程,工质与结构间复杂传热过程,液体推进剂物理化学特性、流体流动等。液体推进剂雾化、蒸发、燃烧和传热仿真技术是液体火箭发动机研究设计的理论基础,其与试验研究相辅相成,在正确分析与评估发动机工作性能、减少研制经费和研制周期、防范试验危险等方面发挥着重要作用,有力支撑了液体火箭发动机的研制工作。     

镁粉对含硼富燃料推进剂能量释放特性的影响

为考察辅助金属燃料Mg对含硼富燃料推进剂能量释放特性的影响,采用氧弹量热计分别测定了Mg、Al和Ti的燃烧热,以及相应含硼富燃料推进剂的爆热Qv和燃烧热Hv,计算得出了推进剂在燃烧过程中的三个能量释放效率ηc1、ηc2和ηB。结果表明,Mg通过自身的低耗氧、高放热提高了含硼富燃料推进剂的爆热,进而提高了一次燃烧温度,为硼粉燃烧营造了一个较合适的高温环境,促进了硼粉的燃烧,因而明显提高了含硼富燃料推进剂的ηc1、ηc2和ηB。因此,在含硼富燃料推进剂中,采用B+Mg的主辅燃料组合是较佳选择。     

含硼富燃料推进剂燃烧表面"沉积层"研究

针对含硼富燃料推进剂低压燃烧时燃烧表面产生“沉积层”的现象,结合该推进剂的燃烧过程,分析了“沉积层”的形成机理,建立了“沉积层”影响燃气流动的数学模型,研究了其对气相火焰高度的影响。结果表明,“沉积层”使气相火焰高度降低,传给燃面的热流密度占气相总热流密度的百分比增大,有更多的气相燃烧产生的热量反馈回燃烧表面,即使含硼富燃料推进剂燃烧过程中气相作用增强,易于在低压下维持稳定燃烧,并具有相对高的燃速和压强指数。这为含硼富燃料推进剂用于冲压发动机提供了有利的理论支持。     

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.     

提高含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧效率的研究

为了解决含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧效率低、实验测试值不能正确表征实际燃烧热值的问题,研究了含硼富燃料推进剂燃烧热值测试过程中试样质量和充氧压强对测试结果的影响,在氧弹安全承载范围内,试样质量越大、充氧压强越大,含硼富燃料推进剂燃烧越完全。使用有机溶剂溶解后挥发的混合方式,将作为助燃剂的自制ZS与加工成20目含硼富燃料推进剂实现紧密结合,经过一系列工艺处理制得试样。根据含硼富燃料推进剂在氧弹内的燃烧特点设计加工了专用钨坩埚,使用改进型氧弹式量热仪对试样进行热值测试。实验结果表明,助燃法测试含硼富燃料推进剂的燃烧热值较为有效,解决了含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧不完全以及测试值不能正确表征理论燃烧热值的问题,具有较高的准确性和可靠性。     

基于BDP多火焰模型的简化复合固体推进剂燃烧数值分析

复合固体推进剂是一种典型的具有细观异质结构的含能材料,其细观结构形态非常复杂,研究其燃烧火焰结构,首先需针对复合推进剂特点,建立简化的细观几何模型与合适的燃烧模型。文中引入异质"推进剂胞元"的思想,对复合推进剂细观结构进行简化,并应用基于BDP理论燃烧模型的多步化学反应动力学机制,建立AP/HTPB三明治推进剂2-D细观燃烧数值模型。计算分析考察了不同环境压强与推进剂计量数(HTPB宽度)对火焰结构、燃面几何型面及燃烧速率的影响。计算结果与相关文献研究结果相符,证明了该模型的有效性。三明治推进剂模型燃烧数值模拟可捕捉到推进剂燃烧火焰细观结构,并提供相关燃烧场详细信息,其结果可用于检验或改进各种理论燃烧模型,并为从细观层面预示异质推进剂宏观燃烧性能提供一种科学可行的数值模型与研究方法。     

国外对GAP／AN推进剂燃烧性能和感度的研究

介绍了国外对ＧＡＰ／ＡＮ复合燃烧性能研究的新进展，探讨了少量添加剂对ＧＡＰ／ＡＮ推进剂燃速特征的影响，评价了ＧＡＰ／ＡＮ推进剂的印感性能。     

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。     

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。     

液氧/烃类推进剂的燃烧室传热特性

用4448.3N推力的水冷量热室对液氧/丙烷和液氧/乙醇推进剂进行了气流面传热速率特性试验.喷射器元件类型和燃料膜冷却效应是燃料混合比的函数.穿过谐振腔的喷射燃料对传热和燃烧壁积碳的相互作用是随燃烧时间、轴向距离、燃料冷却剂流率以及混合比而变化的.对乙醇的完全燃烧和丙烷燃烧后会积碳这两者的比较表明,这两种燃料有很大的差别.在喷管喉部区,乙醇燃料的热通量比预期的大得多.     

纤维素甘油醚硝酸酯在双基推进剂中的应用

纤维素甘油醚硝酸酯NGEC是一种改性硝化棉,以NGEC为粘合剂代替NC,采用传统的无溶剂法制备了NGEC基改性双基推进剂。研究了以NGEC为粘合剂的改性双基推进剂的力学、燃烧和弹道性能及燃烧波结构。结果表明,NGEC具有较好的热塑性,NGEC基改性双基推进剂加工性能优良,其低温-40℃延伸率可达相同配方NC基改性双基推进剂的1.5倍以上,其推进剂弹道性能稳定,燃烧性能和燃烧波结构与NC基推进剂相似。因此,NGEC作为含能粘合剂代替NC,可用于改善改性双基推进剂性能的研究。     

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。     

AP粒度和包覆层对硼燃烧的影响

通过对AP和硼及其混合物进行热分析实验,研究了硼在AP分解过程中参与反应的程度;用氧弹式量热计测试含硼富燃料推进剂的爆热,分析硼在推进剂燃烧过程中的放热。结果表明,对各组分含量相同的含硼富燃料推进剂用AP包覆硼粒子和提高超细AP含量可促使硼在AP分解过程中参与反应,使AP／B(1：1)热分解的放热量增加,提高推进剂的爆热,有利于推进剂中硼的燃烧。