固体推进剂铝粉燃烧特性及机理研究进展分析

铝粉在推进剂燃烧表面上会发生团聚凝结,对推进剂燃烧性能及固体火箭发动机的绝热层和喷管烧蚀等性能造成重大影响。文章综述了固体推进剂中铝粉燃烧方面的最新研究进展,主要包括铝粉点火及燃烧机理、凝聚相燃烧产物特性、影响因素及改善铝粉燃烧效率等方面的研究进展。铝粉表面特性、推进剂的微观结构和燃烧气氛环境等是影响铝粉燃烧的主要因素;采用控制铝粉粒径分布、铝粉包覆和多元合金等手段,可有效提高推进剂中铝粉的燃烧效率。     

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。     

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。     

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。     

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,丁羟推进剂理论生成凝聚相产物随铝粉含量增加而增加,随燃速催化剂含量增加而降低;当推进剂中铝粉含量由18%降至6%,推进剂燃烧残渣团聚颗粒尺寸由112.58μm降至79.03μm,残渣中单质铝相对含量由10.6%降至1.4%,铝粉燃烧效率由82.1%提高至97.1%;铝粉粒度由14μm增加至34μm,推进剂燃烧残渣团聚尺寸从65.24μm增加至92.14μm,推进剂燃烧残渣中单质铝相对含量由2.4%增加至5.1%,铝粉燃烧效率由95.0%降至89.5%;燃速催化剂含量由0.5%增加至2.0%,推进剂燃烧残渣团聚颗粒平均尺寸由112.56μm下降至70.12μm,残渣中单质铝含量由5.1%降至3.5%,铝粉燃烧效率由90.3%增加至93.3%;当粗粒径AP与细粒径AP比例由9∶1降至9∶4时,推进剂燃烧残渣团聚颗粒尺寸由234.21μm降至87.16μm,残渣中单质铝相对含量由8.9%降至2.9%,铝粉燃烧效率由84.4%提高至94.7%。     

纳米铝粉在固体推进剂中的应用

介绍金属纳米铝粉的制备方法,阐述了用于固体推进剂的纳米铝粉的突出效应,例如燃烧完全、提高推进剂燃烧速率、降低压强指数等,并对纳米铝粉在固体推进剂中的作用机理、应用中可能存在的问题进行了分析,并提出了可行的解决措施。     

高活性铝粉的改性及在化学推进剂中 燃烧团聚研究进展

通过添加金属粉来提高化学火箭推进剂的能量性能已成为一种通用方法,但在实际应用中存在一系列利弊的两方面问题。研究了不同类型铝粉的活化和活性铝粉(包括球形μAl、包覆n Al、化学活化和机械活化铝粉)的特性,考察了其对推进剂燃烧性能的改善和聚集/团聚机理,并提出了提高铝粉燃烧效能的方法途径。结果表明,纳米铝粉不仅可显著提高推进剂的燃速,还可使推进剂的凝相燃烧产物(CCP)明显减少,从而减少两相流损失;活化Al尽管会降低Is,但其活性Al含量所产生的理论Is比n Al的高,尤其是机械活化铝粉。由于不同活化铝粉具有各自的优缺点,建议同时搭配使用两种不同类型的活化铝粉,以弥补单一铝粉的缺点。     

含球形铝粉丁羟固体推进剂性能综述

对含球形铝粉丁羟固体推进剂的主要性能进行了简要的综述，涉及的主要性能有能量特性，燃烧特性、力学性能和工艺性能。     

纳米铝粉在复合推进剂中的应用

考察了不同类型纳米铝粉的能量性能及热氧化特性。结果表明,纳米铝粉的活性铝含量低于普通铝粉,随活性铝含量的降低,纳米铝粉的燃烧热值降低;纳米铝粉呈现出与普通铝粉截然不同的热氧化特性。同时,研究了纳米铝粉对复合推进剂的燃烧性能与能量性能的影响,结果表明,纳米铝粉可提高推进剂的燃速和降低压强指数,有利于改善推进剂的燃烧性能,但纳米铝粉的低活性铝含量导致推进剂的爆热值降低。     

调整复合推进剂配方改善喷焰微波衰减特性

对复合固体推进剂喷焰的微波衰减特性与其主要组分，即铝粉，黑索金和过氯酸铵的影响的关系进行了分析，得出了一些基本规律。通过调整ＲＤＸ、ＡＰ和铝粉含量的比例，可以不显著降低推进剂能量特性的基础上，在一定程度上改善复合固体推进剂喷焰的微波衰减特性。对复合固体推进剂的配方优化设计和研究具有参考意义。     

含氟有机物对含铝固体推进剂燃烧特性的影响

为抑制高铝含量固体推进剂燃烧产物的团聚,研究铝含量为18%、含有机氟化物(OF)的固体推进剂不同燃烧区域中铝粒子燃烧的特性。利用高速摄影系统研究熔铝粒子在推进剂燃面的团聚过程;通过对推进剂燃烧火焰特定位置的低温淬熄,获得终止燃烧的含铝固体粒子,并进行形貌和成分分析;使用动态粒径测试系统、激光粒度仪分别对推进剂燃烧火焰区及最终固体燃烧产物的粒子尺寸进行了表征。结果表明,有机氟化物产生的气态氟化烃可抑制熔铝粒子在燃烧表面的团聚,可使推进剂火焰中燃铝粒子的尺寸降低约50%,固体燃烧产物中大尺寸(D≥10μm)颗粒的体积分数下降约74.2%。燃烧性能测试结果表明,有机氟化物使推进剂的爆热及理论火焰温度分别下降9.5%和8.8%,燃速也发生了降低。     

纳米铝粉燃烧残余物的粒度分析

在常压下对纳米铝粉、普通铝粉及AP／Al/HTPB推进剂进行了点火试验，用激光粒度分析仪对燃烧残余物进行粒度分析。结果表明：纳米铝粉具有较低的着火点，而普通铝粉很难着火；普通铝粉在推进剂中燃料过程存在显著的凝聚行为，残余物粒度分布无规律，而纳米铝粉的燃烧则无明显的凝聚行为，燃烧物只是在尺寸上有所增大，粒度分布呈现较好的规律；纳米铝粉应用推进剂将有利于提高燃烧效率。     

推进剂中铝燃烧的研究

本文概述了固体推进剂中铝的凝聚和燃烧过程及其影响因素,着重介绍了描述铝粉凝聚的“口袋模型”和“PEM模型”,讨论了铝粉的加入对发动机声不稳定燃烧的阴尼作用,对铝粉凝聚的凝滴直径及凝聚分数的经验公式也作了介绍。     

超细铝粉在Ap／HTPB推进剂中的燃烧研究

研究了1.25μm和小于1μm的超细铝粉分别在Ap/HTPB系列推进剂中的燃烧特性,并与30μm的粗铝粉进行比较。认为超细铝粉在推进剂燃面上存在着凝聚和直接点火两种现象,这两种现象受氧化剂粒度、含量和种类的限制。实验结果表明,在某些配方中超细铝粉的燃烧性能明显优于粗铝粉,在以粗Ap为主的丁羟推进剂中合理使用超细铝粉,可以改善推进剂的燃烧性能,提高推进剂燃速,降低压强指数。本研究对于改善推进剂燃烧效率有很重要的现实意义。     

某型号发动机装药能量影响因素分析

利用某发动机验证了两种推进剂配方能量性能。通过测试数据研究发现，推进剂铝粉含量，试车条件，RDX含量，配方固体含量及氧平衡对某发动机装药测试比冲及比冲效率影响较大。     

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。     

高能推进剂主要组分对燃烧效率影响研究

利用燃烧残渣中活性铝含量分析、真空爆热特性和发动机试验手段，研究了高能推进剂中主要组分对推进剂燃烧效率的影响。实验结果表明，增塑剂的种类和含量是影响燃烧效率的主要因素，ＡＰ含量及固体组分的粒度级配也有明显的影响。ＢＳＦХ７５发动机试车结果表明，铝粉粒度级配的改变，可以使高能推进剂比冲效率由０．８８提高到０．９２。     

硝胺对低燃速丁羟推进剂能量与燃速的影响

从推进剂的能量特性和燃烧性能的角度探索了硝胺（RDX、HMX）在低燃速丁羟推进剂应用的可能性，结果表明：保持固体含量和铝粉含量恒定时，在推进剂中加入一定量的硝胺部分取代AP，可以提高低燃速丁羟推进 理论比冲和显著降低推进剂的燃速压强指数，但加入RDX、HMX降低丁羟推进剂燃速的幅度非常小。     

纳米技术在固体推进剂中的应用前景

将纳米技术用在改善固体推进剂力学性能和催化燃烧方面，着重介绍了铝粉表面的分子自组装模型及表征方法，说明纳米技术在固体推进剂领域有广阔的应用前景。     

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。