铝/镁基水反应金属燃料的燃烧特性研究

为了探索在水冲压发动机中高金属含量铝/镁合金水反应金属燃料的稳态燃烧,开展了其一次燃烧和二次燃烧实验研究,其中铝/镁合金含量达到80%。采用氧弹量热仪收集一次燃烧固相产物,并将一次燃烧固相产物置于水蒸气高温管式炉中模拟二次燃烧。采用TGA对铝、镁和铝/镁合金进行了热性能分析,并采用XRD,SEM及化学分析方法对铝/镁合金和推进剂的一、二次燃烧固相产物进行了表征。结果表明,铝/镁合金的启动氧化温度530℃优于镁的600℃,铝/镁合金在第二阶段的氧化性能优于铝的。铝/镁合金为Mg17Al12,一次燃烧固相产物中主要存在Mg Al,Mg2Al3,Mg Al2等合金相和Mg O,在二次燃烧的固相产物中有Mg O,Al和Al2Mg O4,其中剩余Al的含量随着管式炉温度增大先增大后减小。分析认为铝/镁合金在燃烧过程中镁先行发生了反应,而后其中的铝才发生反应。     

KP对硼富燃料推进剂燃烧性能的影响

用差杀扫描量热（DSC）和热重分析法（TGA）,研究了含KP的硼富燃料推进剂的热分解特性,并测量了推进剂燃速。实验结果表明,KP有助于含硼推进剂的点火是因为钾盐的存在,增加了硼的反应活性,使热分解低温段的放热量显著增加。     

镁基水反应金属燃料的热分解性能

采用热重-差热分析联用(TG-DTA)、差示扫描量热(DSC)、加压热重(PTG)等热分析方法,研究了镁基水反应金属燃料热分解反应的基本特性及其变化规律。研究发现,燃料热分解过程中先后发生AP分解反应、HTPB分解反应,氩气中不发生Mg的氧化反应;添加催化剂、减小AP粒度、增大氧化剂与粘合剂比例、增大细Mg粉含量等,可以降低燃料中AP的分解温度T,减小表观活化能Ea,增大反应速率常数k;减小AP粒度、增大氧化剂与粘合剂比例可以降低燃料中HTPB的分解温度,减小表观活化能Ea,增大反应速率常数k;随着压强增大,AP与HTPB分解失重速率增大、AP失重百分数增大、燃料热分解凝聚相产物质量百分数减少,压强对AP分解影响较大,对HTPB分解影响较小。     

镁基水反应金属燃料与水反应模型及数值分析

为研究宽广温度范围内镁基水金属燃料/水反应特性,在总结国内外研究成果的基础上,建立了包含镁/水和碳/水两个主要反应的镁基水反应金属燃料/水反应模型,其中镁/水反应在不同温度段分别采用动力学和扩散分段控制,镁/水扩散燃烧模型考虑部分氧化镁在镁液滴表面凝聚;碳/水反应为反应动力学控制,反应动力学模型依据阿仑尼乌斯公式。采用数值分析方法,研究了水燃比和镁含量对燃料/水和镁/水反应特性的影响规律。研究结果表明:燃料/水反应特性的计算结果与实验值相符;在保证一定燃料自持燃烧温度的基础上,提高镁含量,选择合适的水燃比,有利于提高燃料/水的反应特性,促进燃料/水反应快速、充分的进行。     

含硼富燃料推进剂低压燃烧特性

通过靶线法和燃气发生器法，研究含硼富燃料推进剂低压燃烧特性，及硼团聚、AP含量与级配、添加HMX，燃速催化剂种类与含量等因素对燃烧性能的影响，研究表明：含硼富燃料低压可燃极限达0.2MPa，压强指数可达0.6。     

镁/硝酸钠富燃料推进剂燃烧性能

研究了压强、镁粉含量、固体组分粒度以及氟化物等因素对镁/硝酸钠富燃料推进剂的燃速影响。研究结果表明,镁/硝酸钠富燃料推进剂的燃速随着压强增大而增大,压强增大到一定程度后,燃速下降;燃速随着镁粉粒度的减小而增加;增大硝酸钠颗粒度,燃速降低,燃烧波动性增加;当镁粉含量达到70%时,推进剂的燃速出现最大值。添加氟化物的推进剂燃速值有所降低,随压强变化燃烧规律也发生了改变。     

含硼富燃料推进剂燃烧机理研究

分析了AP包覆硼对含硼富燃料推进剂低压燃烧的影响。通过微热电偶测温和火焰单幅照相技术分别测试含硼富燃料推进剂燃烧波温度分布及燃烧火焰结构；根据气相温度变化的趋势，把该推进剂的气相区燃烧又分为三个子区，并给出了三个子区的厚度，分析了各区温度变化趋势不同的原因。用扫描电镜对熄火表面形貌进行观察，并通过能谱仪进行局部元素分析；该推进剂中断燃烧熄火纵向剖面的实验表明，该推进剂的燃烧表面存在“沉积层”；分析认为该“沉积层”由硼、积炭和少量的三氧化二硼组成，且基本惰性。燃面上“沉积层”的厚度与温度分布曲线中燃面上气相区的厚度基本一致，认为该推进剂的气相反应在燃面上的惰性“沉积层”中进行。     

含硼富燃料推进剂凝相反应对低压燃烧的影响

用差示扫描量热(DSC)和热重分析法(TGA),分析、研究了含硼富燃料推进剂的热分解特性;并测量了推进剂的爆热和燃速,比较了AP包覆硼粒子对推进剂燃烧性能的影响。实验结果表明:含硼富燃料推进剂各组分含量相同时,在硼粒子表面包覆AP提高了推进剂的爆热,其中凝相放热量增加,气相放热量减少;而推进剂的低压燃速提高了。分析表明促进凝相反应有利于含硼富燃料推进剂低压燃速的提高。     

用于冲压发动机的富燃料固体推进剂的选择和评价

本文着重从能量特性和燃烧特性对富燃料推进剂进行了讨论,以便得出选择和评价富燃料推进剂的基本原则。对硼在冲压发动机中的使用和存在的主要问题作了简要讨论。     

温度和压力对低热值燃料层流燃烧特性的影响

为阐明低热值燃料在燃气轮机工况下的燃烧特性,在定容燃烧弹中测试了初始压力分别为0.10、0.15、0.20 MPa,初始温度分别为303、353、403、453 K,当量比范围为0.8~1.6,体积分数为7% H₂、21.72% CO、21.45% CO₂、49.83% N₂的高炉煤气层流燃烧速度,并采用Gri-Mech 3.0化学反应机理对其进行了数值模拟。实验和模拟均发现,低热值燃料的层流燃烧速度随着初始压力的降低而增高,随着初始温度的增加而升高,且层流燃烧速度随温度和压力并非呈现单调性的变化规律,并在实验工况范围内对层流燃烧速度进行了温度和压力拟合。通过敏感性分析发现:主要的正向促进反应为R99、R46,主要的逆向抑制反应为R45、R36,层流燃烧速度受高活性自由基的影响,与链终止反应与链分支反应关于高活性自由基的竞争有关;随着初始压力的降低和初始温度的升高,高活性自由基摩尔分数增大,从而导致层流燃烧速度升高。      

丁羟/铝镁富燃推进剂燃烧实验

在改进的氮气充压多功能燃烧器中，应用数字高速运动分析及计算机处理技术，对系列Al-Mg富燃催化剂的低压燃烧特性进行了实验研究，总结并讨论了此类推进剂在低于3Mpa贫氧环境下的点火特性，燃烧过程，以及燃速特性与主要成分及燃速催化剂的关系，观测一次燃烧的点火过程，燃面和火焰形貌，以及结渣情况。初步分析了结渣成份，成因及影响因素。     

纳米铝粉和镍粉对复合推进剂燃烧性能的影响

对铝含量较低的AP复合推进剂燃速进行测试，外加2％的n-Ni或4/1的n-Al/g-Al级配均可提高低压下燃速和降低燃速压强指数，改善推进剂的燃烧性能，而采用1/1的n-Al/g-Al级配则降低推进剂的燃烧性能。通过对推进剂样品的能量特性、火焰结构、燃烧残渣的观测以及热分析(TG和DTA实验)，n-Al与n-Ni在燃烧中有不同于g-Al的行为。具有较低的点火阈值和较短的燃烧时间，同时n—Al倾向于单颗粒燃烧，有别于g-Al的凝聚燃烧行为；n-Ni则催化了复合推进剂中主要组分AP的热分解，多种因素共同作用促进了推进剂的燃烧。     

水反应金属燃料发动机初步试验

介绍了水反应金属燃料发动机试验系统,提出了水燃比、工作压强及试验燃烧效率计算方法,为试验设计和发动机性能评价提供了依据。对水反应金属燃料发动机进行了试验研究,并根据试验结果对药柱组分、发动机结构及供水系统进行了改进。试验表明,中等含量金属燃料加水后可稳定燃烧,通过增加燃料中镁含量、稳定进水流量和增加补燃室长度等措施,可有效提高发动机燃烧效率。     

含DNTF的改性双基推进剂燃烧性能

研究了3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）的含量、不同催化剂体系、炭黑的含量、DNTF的粒度对DNTF改性双基推进剂燃速和压强指数的影响。实验表明：DNTF含量为30％时，以含能铅盐、芳香铜盐和炭黑（cB）所组成的复合催化剂可使推进剂压强指数降为0．37（8～14MPa）；而当DNTF的含量为50％时，所选用的三种催化剂体系（铅盐包括含能铅盐和芳香铅盐，铜盐为芳香铜盐）对推进剂的燃烧性能失去调节作用；炭黑含量的增加使推进剂的燃速增加，压强指数变大；DNTF的粒度对该推进剂的燃速影响明显，DNTF粒度较大时，燃速较高（53．19mm／s，16MPa），压强指数较大。     

固体推进剂燃烧表面温度的预估

通过对燃烧表面附近气相产物的分析,建立了固体推进剂化学结构与燃烧表面温度(Ts)的对应关系。在一定假设和实验的基础上,使对应关系定量化,由此提出了预估推进剂燃烧表面温度的方法。由该预估方法计算的燃烧表面温度、及其随压强变化的规律都与实际情况基本一致。并进一步提出了燃烧表面温度与催化剂分解峰温(Tm)相匹配原则,作为推进剂燃烧催化剂选择的新原则。     

用ACP提高硝胺改性双基推进剂的燃速

通过添加快燃物ACP来提高硝胺改性双基推进剂的燃速，得到了ACP影响推进剂燃速的一般规律：推进剂的燃速随ACP的含量和粒度的增大而增大。运用热分析、扫描电镜、燃烧火焰单幅照相、燃烧波温度分布等分析和测试手段来研究含ACP的硝胺改性双基推进剂的燃烧过程，揭示了ACP提高推进剂燃速的机理：ACP的快速燃烧，使得推进剂燃面增大和传热量增加，导致推进剂燃速增加。     

降低硝酸酯增塑聚醚推进剂燃速研究

采用调节硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的配方组分、添加燃速调节剂等手段开展了降低环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚/硝化甘油/硝化二乙二醇/黑索金/高氯酸铵(P(E-CO-T)/NG/DEGDN/RDX/AP)类NEPE推进剂燃速的研究。结果表明,增大AP粒径、降低NG/DEGDN的比例、适当降低AP含量、添加少量燃速调节剂,可达到降低燃速的目的。通过对NEPE推进剂配方组分的调节,在燃速调节剂三醋酸甘油酯/聚甲醛/蔗糖八醋酸酯以1∶1∶1配比添加时,其7.0 MPa下的燃速可降至6.87 mm/s。     

铝镁贫氧推进剂的热分解特性

采用ＤＳＣ、ＤＴＡ、ＴＧ和ＤＴＧ等热分析方法,研究了ＡＰ,ＫＰ,ＡＰ／ＫＰ混合氧化剂、ＡＰ／ＫＰ／ＨＴＰＢ模拟推进剂以及铝镁贫氧推进剂的热分解特性。研究发现,ＡＰ／ＫＰ混合氧化剂的热分解特性由两种氧化剂的热分解特性叠加而成,但ＡＰ的存在使ＫＰ热分解反应提前;贫氧推进剂的热分解过程由ＡＰ和ＫＰ的热分解、粘合剂的热分解等过程组成。