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。     

含微米级铝粉丁羟推进剂燃烧效率影响因素研究

理论计算丁羟推进剂组分对凝聚相产物的影响,利用充氮气密闭装置收集含微米级铝粉丁羟推进剂燃烧残渣,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分别对残渣形貌及物相分析,并采用激光粒度仪测试燃烧产物平均粒径,研究铝粉粒度及含量、燃速催化剂含量、氧化剂级配等因素对微米级铝粉在推进剂燃烧过程团聚及燃烧效率影响.结果表明,丁羟推...     

组合推进剂下凝相燃烧产物对喷管壁面温度的影响

为研究高低燃温组合推进剂凝相产物对喷管壁面温度的影响,设计了不同低燃温推进剂含量及燃烧产物粒径的对比工况。研究结果表明,低燃温推进剂燃气有效降低了壁面温度及减少粒子对壁面的碰撞,两者对壁面温降作用相当。同时开展了组合推进剂下喷管外壁面温度测试试验,低燃温推进剂含量为6.8%时,喷管外壁面最高温度下降40.5%。最后开展了流固耦合计算,获得了喷管外壁面温度随时间的变化,计算结果与试验数据基本一致。     

HTPB推进剂中石墨烯包覆铝粉的燃烧和团聚行为

采用热分析法、静态燃速测试、标准发动机燃速测试、爆热测试、高速摄像等手段,对比研究了石墨烯包覆铝粉取代相同规格铝粉后HTPB推进剂的热分解特性、燃烧特性及燃烧过程。结果表明,石墨烯包覆铝粉加入后使AP低、高温分解峰分别推迟7℃和22℃,抑制了AP分解,导致推进剂燃速有所降低。石墨烯包覆铝粉对丁羟推进剂团聚的影响具有两面性,一方面推进剂在石墨烯的导热作用下,石墨烯包覆铝粉燃烧更加充分,从而改善了这部分Al-G复合物的团聚。另一方面铝颗粒的燃面滞留时间延长和熔化程度增加,燃烧产生大粒径团聚物,从而导致石墨烯对改善丁羟推进剂铝粉燃烧效率不明显。     

铝粉粒径对高铝含量富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

通过改变铝粉粒径大小制作高铝含量推进剂,在此基础上进行热分析试验、爆热测试以及燃速测试,分析总结了铝粉粒径大小对推进剂一次燃烧性能的影响。推进剂各组分相同时,热分析结果表明,推进剂凝相反应程度相近,铝粉粒径大小对推进剂凝相反应没有明显影响;爆热测试和燃速测试表明,超细铝粉可显著改善推进剂燃烧性能,提高燃速和爆热、降低压强指数,减少燃烧产物结块、改善产物分散性;同时,超细铝粉由于自身小尺寸优势在推进剂的燃烧过程中更多地参与了气相反应,提高了推进剂气相放热量。通过以上实验分析得出,铝粉主要参与推进剂气相反应,铝粉粒径大小对推进剂气相反应影响较大。     

ZrO2对双基推进剂燃烧的催化作用研究

研究了ZrO2对含催化剂螺压双基推进剂燃烧性能的影响,并结合推进剂稳态燃烧火焰照片、熄火表面、燃烧区温度波分布等测试结果对其作用机理进行了探索研究。结果表明,采用ZrO2替代部分铅铜催化剂,可提高推进剂的燃速,并实现较高压力的燃烧平台,从而降低有毒有污染的铅类催化剂用量;ZrO2可能在推进剂燃面上吸附醛类、NO2、NO和CO等燃烧中间产物,在为铅铜催化剂提供催化条件的同时,又能抑制其熔融分解产物如PbO和CuO的团聚,从而提高铅铜催化剂的催化燃烧效果,且ZrO2粒度越小,该作用效果越显著。     

球形铝粉对低燃速丁羟推进剂燃烧特性的影响

采用静态燃烧性能测试和实验发动机动态实验等方法。研究了球形铝粉替代非球形铝 后推进剂燃速特性的变化。研究发现，含球形铝粉推进剂的低压燃烧速显著降低，而燃速压强指数明显高于含非球形铝粉推进剂，讨论了球形和非球形铝粉对推进剂燃烧过程的影响，并初步解释了含球形铝粉推进剂低压燃速的下降原因。     

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。     

固体推进剂燃烧过程铝团聚研究进展

综述了固体推进剂燃烧过程铝的团聚和凝相燃烧产物研究进展,对现有研究中存在的局限性进行了讨论,并分析了未来的研究趋势。建议未来在以下几个方向开展系统深入的研究,包括高压下固体推进剂燃烧过程铝团聚微观动力学机理,推进剂配方对团聚影响系统性实验研究,团聚模型,铝团聚抑制方法等。非常规铝粉的使用、对铝表面进行包覆等新型的团聚抑制方法应当予以重点关注。     

含铝推进剂的燃烧效率

为获得火箭顶级发动机所用推进剂的最优性能,本文就40种低燃速含铝推进剂配方的组分含量变化对其燃烧效率的影响进行了评价.所试验的推进剂由高氯酸铵、铝粉、环四甲撑四硝铵(HMX)和端羟基聚丁二烯组成.依据实验所得的铝凝聚尺寸、燃速和比冲数据可知,当燃速增加时,燃烧效率有增加的倾向;在低 L条件下,当铝凝聚尺寸减小时,比冲效率增加;铝凝聚的程度取决于口袋结构的特性,当口袋中的铝含量及铝与细 AP 质量比下降时,铝凝聚尺寸减小;口袋容积变小时,使用粗 HMX 具有减小铝凝聚尺寸的作用;HMX 的尺寸对燃速没有影响。     

透明窗发动机测试系统的应用

本文介绍了透明窗发动机测试系统,及其作为推进剂燃烧性能和绝热材料烧蚀性能研究实验装置的应用情况,例如测定氧化剂粒度对复合固体推进剂侵蚀燃烧的影响,高燃速无铝(少铝)推进剂的瞬态燃速及燃烧稳定性,热幅射对复合推进剂燃速的影响,以及燃速相关性研究的测试,绝热层烧蚀率的实验测试等,文中还展望了它的更为广阔的应用前景。     

降速剂对低燃速NEPE推进剂高压燃烧性能的影响

添加降速剂和调节RDX/AP含量是调节NEPE推进剂燃速的两种常用途径。采用水下声发射燃速测试仪、密闭燃烧器、BSF φ75 mm发动机等测试方法,研究了低燃速NEPE推进剂静态高压燃烧性能规律和发动机动态高压燃烧稳定性。研究发现,NEPE推进剂的中低压区燃速随着降速剂含量增大而显著降低,高压区燃速降低幅度相对较小,燃速-压强(r-p)曲线在15 MPa和45 MPa出现两个拐点,而且降低RDX含量对降低高压段燃速作用显著。BSF φ75 mm发动机试车结果表明,低RDX含量的C1配方(28%)最大工作压强不超过20 MPa,而高RDX含量(38%)的C4配方最大工作压强达到30 MPa。发动机稳定燃烧的最大压强随NEPE推进剂的燃速降低而下降,主要原因是低燃速推进剂铝粉燃烧效率降低使凝聚相燃烧产物含量和粒度增大。     

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。     

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%。     

复合固体推进剂稳态燃烧模型(综述)

六十年代以来,许多学者对以高氯酸铵为氧化剂的复合固体推进剂的燃烧进行了广泛研究,先后提出了许多关于这类推进剂的稳态燃烧模型,诸如粒状扩散火焰模型(GDF)、非均相反应模型(HR)、多重火焰燃烧模型(BDP)和小总体模型(PEM)等。小总体模型(PEM)是国外近年来发展的一种新的复合固体推进剂燃烧模型。模型中考虑了氧化剂粒度和粒度分布对燃烧特性的影响,改进的PEM还能模拟铝粉粒度和含量对燃烧的影响。本文着重介绍了PEM及其改进型的物理結构和预测燃速的方法。列出了一系列HTPB推进剂的燃速和压力指数预测值与实验数据的比较。可以认为两者是比较一致的,全铝PEM的预测值更接近于实验结果。     

推进剂铝粉含量对固体发动机温度敏感系数的影响

用一种多分散的含铝固体推进剂的燃烧模型来确定具有单峰氧化剂分布的AP/Al/HTPB 推进剂的发动机温度敏感系数.铝粉含量在(0～20)%(质量百分比)之间变化,推进剂燃面与喷管喉面之比为250～500.结果表明,推进剂铝粉含量对发动机温度敏感系数的影响与发动机的燃喉面积比 K_H 有关.通常,增加燃喉面积比,发动机温度敏感系增至某一最大值,然后随发动机燃喉面积比的增加而减小.燃速系数和压强指数随初温和铝粉含量的变化,对发动机温度敏感系数有明显影响。而特征速度对温度敏感系数影响不大,但常常是增加的。     

团聚硼对富燃料推进剂燃烧性能的影响

考察了不同粒度、不同包覆剂的团聚硼对含硼富燃料推进剂燃烧性能的影响。结果表明,随团聚硼颗粒粒度的增大,推进剂的燃速增加,低压可燃极限降低,但燃速压强指数呈下降的趋势;包覆材料AP、L iF有利于提高推进剂的燃速,降低低压可燃极限,但不利于提高燃速压强指数。     

富燃料推进剂燃烧产物粒度参数的激光衰减法测量

介绍了激光衰减法测量粒子参数的基本原理.搭建了激光衰减法测量高铝含量富燃料推进剂实验系统,解决了燃烧环境下粒度测试的光学介入问题,对高铝含量富燃料推进剂中粒子参数进行测量,对所得的凝相燃烧产物进行电镜分析,并对电镜照片进行分析处理,计算出燃烧后凝相产物平均粒径,验证了激光衰减法测量粒子参数的可行性和合理性.     

球形铝粉对低燃速丁羟推进剂燃烧特性的影响研究

采用推进剂静态燃烧性能测试和实验发动机动态实验等方法，研究了球形铝粉替代大量吕粉后推进剂燃速特性的变化情况。研究发现，含球形铝粉推进剂的燃速压强指数明显高于含非球形铝粉推进剂，而且含球形铝粉推进剂的低压燃速显著降低。经过对铝粉燃烧过程的研究，讨论了球形铝粉和非球形铝粉对推进剂燃烧过程的影响，并初步解释了含球形铝粉推进剂低压燃烧的下降原因。