硼颗粒点火燃烧特性研究进展

硼的质量热值和体积热值极高,作为金属燃料使用具有显著的能量优势。如何充分释放硼氧化的高热量成为其应用推广的关键问题。基于半个世纪以来国内外的相关研究成果,论述了硼颗粒点火燃烧的主要过程与机理,分析了硼点火燃烧特性的影响因素与促进方法,评述了硼点火燃烧模型和数值计算的研究进展。对目前研究中存在的问题与不足进行了归纳总结,并对未来研究的重点及改进方向进行展望。     

粉末燃料冲压发动机研究进展

粉末燃料冲压发动机采用高能金属或硼粉为燃料,兼具液体燃料冲压发动机推力可调、比冲高及固体火箭冲压发动机安全可靠、结构简单等优点,尤其是固体/粉末或液体/粉末燃料组合冲压发动机,粉末燃料的加入不仅可大幅提高传统冲压发动机的比冲等性能,还能改善并增加其原有功能,是极具发展潜力的新一代导弹动力装置之一。针对粉末燃料冲压发动机及其相关研究领域的发展现状进行了概述分析,并以此梳理出粉末燃料供给、发动机燃烧组织、发动机点火等粉末燃料冲压发动机主要关键技术,同时对发动机技术提出了高性能粉末燃料研究、冲压空气作为驱动流化气可行性研究、发动机快速响应和环境适应潜力及工作可靠性研究等几点研究展望。通过对粉末燃料冲压发动机相关研究技术进行综述梳理,明确了其研究的重点和难点,为发展高性能冲压发动机提供了一定参考。     

硼粒子的点火及燃烧特性

介绍了硼的物理化学特性和燃烧机理，硼的点火延迟期长、燃烧效率低是由其本身的特性所决定的。改善硼的点火及燃烧特性可以通过控制其粒度，表面包覆、添加低燃点金属等途径来实现。采用ＧＡＰ包覆硼粒吃可以显著降低硼粒子的点火时间，提高了燃烧效率。     

粉末燃料冲压发动机自维持稳定燃烧试验研究

为了实现粉末燃料冲压发动机的持续稳定工作,采用设计的发动机进行了直连式试验研究.通过试验,验证了粉末燃料供应方式的可行性,获得了燃烧室压强及发动机推力曲线,计算了发动机的燃烧效率.结果表明,利用突扩回流稳定火焰的方法不适用随流性差的金属粉末燃料,钝体火焰稳定器可实现粉末燃料的自维持稳定燃烧,但稳定器周围沉积较多,降低了发动机效率.     

粉末燃料冲压发动机燃烧室两相流数值模拟

采用颗粒轨道模型对镁粉燃料冲压发动机的两相流场进行了三维数值模拟,目的是为进一步的实验研究提供指导和参考。结合理论性能分析,提出了一种发动机构型,通过数值模拟分析了颗粒粒径、产物相态等因素对该发动机燃烧效率的影响。结果表明,粉末燃料的粒径较小时点火延迟时间短,颗粒在发动机中的滞留时间长,燃料燃烧效率较高。     

硼颗粒点火燃烧模型研究进展

硼作为固冲发动机推进剂高能组分具有巨大优势,但由于表面氧化层的覆盖对燃烧的抑制作用,导致硼颗粒的燃烧过程十分复杂。文章描述了硼颗粒燃烧的基本现象和过程,阐述了硼颗粒两阶段燃烧的现象本质。综述了以King模型和L-W模型为代表的半经验模型的研究进展,分析比较了两者建模机理的不同之处。详细阐述了以L-W模型为代表的动力学模型的建模机理和内容。介绍了化学机理模型的研究现状和基本原理,并分析比较了半经验模型与化学机理模型的优缺点。     

粉末燃料冲压发动机内镁颗粒群着火模型

对粉末燃料冲压发动机中镁颗粒群的着火过程进行了研究,建立了镁颗粒群的非稳态着火模型,数值模拟了镁颗粒群的着火过程。研究表明,颗粒相温度先缓慢升高,表面反应加剧之后,温度才急剧上升,很短时间内着火成功;而着火过程中气相温度整体升高不大,其温度总是低于颗粒相温度且升温很慢,特别是着火阶段后期,气相的升温速率远小于颗粒相的升温速率,分析了各种参数变化对颗粒群着火的影响。随颗粒浓度的增加,颗粒群的着火时间缩短;但当颗粒浓度太大时,颗粒群将不能着火成功。气相中氧气浓度对着火的影响很小,特别是颗粒浓度大的情况,氧气浓度对着火几乎没有影响。辐射源温度和气相初始温度对颗粒群着火的影响很大,两者的温度高,则颗粒群着火时间将大大缩短,但当颗粒浓度很高时,气相初温变化对颗粒群着火时间的影响将不再显著。颗粒粒径对颗粒群着火的影响较复杂,颗粒浓度大时,小颗粒颗粒群易于着火,而颗粒浓度小时,大颗粒颗粒群着火时间更短。     

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。     

驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机两相流数值模拟

根据已有粉末燃料冲压发动机的特点,设计了驻涡火焰稳定器,并对现有发动机结构进行了改进,提出了驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机。采用颗粒轨道模型,对镁基粉末燃料冲压发动机进行了三维流场数值模拟,对比分析了改进前后发动机内流场结构对该发动机燃烧效率的影响,以便为进一步的实验研究提供指导。数值模拟结果表明,驻涡火焰稳定器的应用,可使燃烧效率较现有发动机提高10%。     

Mg粉/CO2粉末火箭发动机点火试验研究

初步设计了粉末火箭发动机,并以Mg粉作为燃料、CO2作为氧化剂进行了点火试验.研究结果表明,在一定的压强和温度下,利用空气与Mg粉的燃烧放热可成功引燃Mg粉/CO2,且在关闭空气后达到自持燃烧；燃烧室壁面沉积较多,主要以MgO为主,还有一部分未燃烧的Mg；通过该试验验证了Mg粉/CO2粉末火箭发动机方案的可行性.     

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。     

粉末燃料的沉降速度和最小流化速度分析

粉末燃料输送技术是粉末发动机的核心关键技术之一,目前所用的气动活塞式粉末输送方案还处于概念设计阶段。采用多个经验公式对某密度为2.5 g/cm~3、粒度为20～300μm的粉末燃料颗粒沉降速度和最小流化速度进行了计算分析,得到流化气温度、压强、颗粒粒度等对最小流化速度的影响规律。分析表明,最小流化速度比沉降速度小得多,按照沉降速度设计流化气速度自然能够满足最小流化速度的要求;高温高压下的粉末沉降速度较常温常压下的小,因此按照粒度较大的颗粒在常温常压下的沉降速度设计流化气速度,就能够同时保证所有颗粒在所有工况下的气力输送,该速度为2.5 m/s。     

热空气中硼粒子燃烧分析

针对硼粒子在热空气中的燃烧,以Mohan G和Williams F A提出的燃烧模型为基础.对较大粒径(d>35 μm)采用扩散燃烧火焰模型.对较小粒径(d<35μm)采用扩散和化学动力学控制模型,应用数学分析方法,研究了硼粒子燃烧规律,得出了热空气中硼粒子半径随时间的变化规律,分析了压强、温度等参数对硼粒子燃烧的影响...     

粉末燃料高效装填技术研究

分析了理想球形颗粒的堆积规律,发现粉体空隙率与粒径大小无关,仅与排列方式有关;多级配混合粒径装填会减小粉体的空隙率,且级数越多,粉体空隙率越小;颗粒在紧密堆积状态下排列方式不唯一,是多种密排形式的组合。研究了非理想颗粒的堆积规律,发现实际粉体颗粒间的干扰和干涉作用对颗粒装填率影响较大,颗粒形貌越不规则,粉体的装填率越小;颗粒越细小,则吸附力越大,粉体的装填率越小。基于以上分析,提出了理想的最紧密装填理论,确定了在多级配装填料中颗粒级数、粒径比以及各级颗粒的含量比例。最后,提出了一种简单有效的粉末燃料高效装填方法,通过实验验证,此方法可将粉末燃料的松装密度提高近10%。     

硼粒子直径对点火位置及燃烧效率的影响研究

采用颗粒轨道模型对非壅塞固冲发动机补燃室内不同直径硼粒子的点火及燃烧进行了数值模拟。其中,气相反应简化为一种等效气体的燃烧,硼粒子与O2的燃烧反应模型采用涡耗散模型。硼粒子的点火过程采用King模型,燃烧过程采用化学动力学控制的燃烧模型。结果表明,直径较小的硼粒子能够在补燃室头部点火,且能随气流旋转,驻留时间较长,燃烧较为充分,直径较大的硼粒子与此相反。     

固冲发动机补燃室内强迫对流条件下硼颗粒燃烧速率研究

硼颗粒在通过固体火箭冲压发动机的燃气发生器喷管进入补燃室的过程中,颗粒通常都会受到高速气流的作用。此时,静止条件下硼颗粒的燃烧模型不再适应。对强迫对流条件下的硼颗粒燃烧的二维问题建立了数学模型,通过物理、数学简化,将偏微分方程组化为易于求解的常微分方程组,最后得到燃烧速率的显示表达式,并进行了求解,给出了硼颗粒周围边界层内温度场、浓度场及颗粒燃烧速率随雷诺数Re的变化规律。     

Mg粉/CO2点火燃烧性能实验研究

利用自行设计的点火实验装置对Mg粉/CO2的点火燃烧性能开展了实验研究.通过记录的实验现象验证了Mg 粉/CO2组合作为推进剂的可行性的同时,由测量到的不同粒径的Mg粉在CO2中的点火温度,对点火燃烧性能作出详细的分析和评估,得到了中等粒径的Mg粒子在CO2中的点火温度约为960 K,且随着粒径的增大,点火温度会逐渐升...     

粉末燃料供应装置中增设扰流锥体数值模拟研究

在粉末燃料冲压发动机的粉末燃料供应装置流化喷管处增设扰流锥体,并针对扰流锥体不同结构外形和位置对流场中离散相颗粒浓度的影响进行了计算分析,总结出了冷态下扰流锥体对外流场颗粒浓度分布的影响规律。     

空间外差光谱技术应用于硼燃烧效率测量探索研究

提出了一种基于空间外差干涉和光谱分析技术的非接触、远程实时测量方法,用于硼粒子的燃烧效率检测.该方法以空间外差光谱仪为主体,结合光栅旋转对辐射谱进行测量.含硼推进剂药片经激光点火后,通过该方法记录燃气辐射光谱,实现对含硼推进剂中硼燃烧效率测量.实验结果表明,燃烧器内氧气含量显著影响硼的燃烧效率;当燃烧器内压强为0.5 ...     

胶体燃料的燃烧特性研究

现在高性能可长期贮存的火箭发动机燃料和推进剂的研究方向是开发能使用胶体燃料和胶体推进剂的燃烧系统。这种观点的产生是由于在液体燃料中加入胶状添加剂和(或)金属添加剂能显著提高液体推进剂的性能、密度和比冲。掌握胶体燃料单个液滴的蒸发和燃烧过程是预测未来推力室燃烧性能的第一个基本步骤。研究胶体燃料雾滴蒸发燃烧时应用了先进的计算机辅助摄像系统。测量了雾滴的燃烧速率,并精确观测研究了燃烧过程。对室压和氧化剂质量百分比浓度对雾滴燃烧速率的影响进行了量化研究.结果表明肢体燃料比液体燃料燃烧速率慢,而且点火更加困难。