氧化剂粒度对复合固体推进剂侵蚀燃烧的影响

本文阐述了利用透明窗发动机——高速摄影装置研究氧化剂粒度对复合固体推进剂侵蚀燃烧影响的方法。对基本配方相同,只是氧化剂粒度不同的三种复合固体推进剂进行了实验研究。经过测试、分析和计算,得出了不同氧化剂粒度推进剂的侵蚀效应对气流速度和压力的关系式,进而得出了氧化剂粒度的大小对复合固体推进剂侵蚀效应的影响关系。     

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。     

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。     

固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的收集与分析

设计了一种新的固体火箭发动机燃烧室状态粒子收集装置,可对不同工作压强和燃烧室滞留时间的凝相粒子进行收集。针对典型的HTPB推进剂,开展了不同压强条件下的实验研究,利用马尔文粒度分析仪和扫描电镜,对收集到的粒子进行了分析。结果表明,典型含铝复合推进剂凝相燃烧产物的粒径主要分布在0.05~100μm之间,粒子粒度的体积分布峰值小于5μm。随着压强的增加,粒度分布峰值略有上升,粒径分布更为集中。     

脉冲／变燃面法测定含铝推进剂的响应函数和微粒直径

介绍了在T形燃烧器中用脉冲/变燃面法测定含铝推进剂的响应函数和Al_2O_3微粒平均直径的试验方法和试验原理.并介绍了试验测试系统和试验结果.该试验可为固体火箭发动机燃烧不稳定性预估提供原始数据.     

推进剂中燃烧铝滴直径分布和聚集状态的研究

本文给出了含铝推进剂燃烧时,气相中燃烧铝滴的直径大小与分布,讨论了配方中氧化剂粒度和铝粉粒度对铝的凝聚程度的影响。实验表明,由粗氧化剂组成的推进剂其燃烧时铝的凝聚是很明显的;并且,对应于相同的粗氧化剂,细铝粉比粗铝粉更易凝聚。实验结果支持复合推进剂中铝凝聚的“口袋模型”。本文还用显微密度分析方法对铝的凝聚燃烧机理进行探讨,发现有三种不同类型的光密度分布曲线,文中称之为液滴型,微滴型和液—汽过渡型,它们分別对应于铝的一种聚集状态。此外,还有一种在底片上无铝亮条出现的称之为气相型,它们的燃烧效率是依次升高的。     

两种含铝复合推进剂压强耦合响应的实验对比

基于T型燃烧器双脉冲外部激励的方法,对2种含铝HTPB复合固体推进剂开展对比实验研究,分析比较其压强耦合响应特性的差异。在7 MPa条件下成功地开展了4次试验,获得了2种推进剂在T型燃烧器中的衰减常数和燃面增益常数。结果表明,由于推进剂配方中AP粒径分布存在差异,这2种推进剂的压强耦合响应常数存在差别。其中小粒径AP含量较多的推进剂更易产生不稳定燃烧现象。这一实验现象与发动机真实工作情况的表现是一致的。2种推进剂的凝相燃烧产物在发动机中的行为也表现出较大差异。     

含铝复合推进剂燃烧与流动数值模拟

为了研究含铝复合推进剂在发动机中的燃烧与流动、铝金属在发动机内的多相燃烧问题,对某含铝复合推进剂发动机内流场进行数值模拟。基于FLUENT软件,根据气相燃烧与非均相燃烧理论,应用EDC燃烧模型以及颗粒表面反应模型,建立了含铝复合推进剂燃料的二维两相湍流燃烧模型,验证了颗粒表面反应模型计算铝燃烧的可行性,模拟了不同颗粒相Al2O3含量下发动机内流场的分布,得出了压力、温度等发动机参数的变化趋势。结果表明,颗粒表面反应模型可较好地模拟发动机内铝燃烧的宏观现象,发动机燃气中颗粒相含量对发动机内流场有显著的影响。随着颗粒相含量的增加发动机燃烧室压力降低,温度升高;发动机两相流损失增加,发动机推力降低。     

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。     

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。     

高过载条件下固体火箭发动机绝热层失效研究

根据化学反应／两相流耦合,建立了铝粒子燃烧模型,通过化学反应速率模型的模化湍流燃烧,对含铝推进剂固体火箭发动机在高过载条件下的内流场进行数值研究。结果表明,过载条件下燃烧室局部异常铝滴积聚及剧烈的化学放热反应是导致绝热层异常烧蚀的主要原因。     

采用高金属粉丁羟推进剂消氢发动机低压点火燃烧特性研究

发展了一种采用新型高金属粉丁羟推进剂消氢发动机,该发动机可通过产生高温金属粒子流,消除以液氢为燃料的火箭发射前排出的低温氢气的危险。该发动机在小于0.2 MPa特低压下工作时,存在点火延迟、"喘振"不稳定燃烧和火焰无金属粒子流现象。分析了引起发动机点火延迟和"喘振"的原因;从理论上探讨了影响低压下发动机点火延迟的因素,得到换热系数影响最显著;通过引入高燃速引燃药和降低点火峰值压强,解决了发动机点火延迟和"喘振"的问题,发动机点火延迟时间由大于3 s降低到600 ms左右,发动机燃烧稳定;通过选用合适的金属粒子、推进剂配方燃温和长尾管结构,解决了金属粒子流发生问题,可稳定喷射出1141 K的高温金属粒子流,实现了消除火箭周围低温氢气的目的。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

声振荡作用下推进剂铝颗粒团聚特性实验研究

为获得压强振荡对推进剂燃烧表面铝颗粒团聚特性的影响，建立了声振荡作用下铝颗粒团聚特性实验测量装置和方法，采用高速显微成像技术和激光全息技术同步测量的方法，对HTPB四组元推进剂在有、无声振荡作用下的铝颗粒团聚特性进行了实验研究。研究结果表明，在340 Hz声振荡作用下，铝颗粒火焰呈现与声振荡频率相一致的周期性摆动，颗粒微观形貌发生明显的形变；受声场力的作用，小尺度颗粒(40～80μm)团聚作用减弱，中等尺度颗粒(100～260μm)团聚作用加强，且更容易发生融合等现象，从而改变了推进剂燃烧表面及近表面铝团聚颗粒粒度分布(0～3 mm),团聚粒度及团聚分数均增加。所建立的实验方法可为研究压强振荡作用下推进剂铝团聚特性提供有效的实验技术和数据参考。     

含硼推进剂燃烧性能的改善

综述了改善含硼推进剂燃烧性能的研究状况，包括硼粒子表面包覆，火箭冲压发动机设计的改进，添加新的组分，调整配方以及改进推进剂制造工艺等，这些措施都可以提高含硼推进剂的燃烧性能。     

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。     

含铝复合推进剂分布燃烧数值模拟

为研究发动机内含铝复合推进剂以及铝的燃烧,基于FLUENT软件,应用EDC模型和颗粒表面反应模型,建立了固体火箭发动机内流场两相流分布燃烧模型,对AP/HTPB/Al复合推进剂固体火箭发动机内流场进行了数值计算。计算结果表明,与表面燃烧相比,铝的燃烧导致发动机内出现了延长的燃烧区域,铝燃烧贯穿整个发动机燃烧室,形成分布燃烧;延长的燃烧区域导致发动机内流场分布不均匀,燃烧室是非等温的,温度由燃面附近的2600 K增长到3600 K,燃烧室核心区域温度约为3200 K;铝燃烧消耗的同时生成其他产物,也导致燃烧室内燃气组分和密度的分布不均匀;铝的燃烧是一个复杂的物理化学过程,对发动机内流场有着重要影响,颗粒相始终贯穿整个发动机,最终从喷管喷出。