固体推进剂铝团聚模型

综述了固体推进剂铝团聚研究进展,对现有研究中存在的局限性进行了讨论,并分析了未来团聚模型的趋势.铝团聚物理过程可抽象为堆积、聚集和团聚3个阶段.现有团聚模型可分为5类,分别是经验模型、口袋模型、物理模型、随机装填模型和凝相边界层模型.目前缺乏高精度、宽适用性的模型来准确预测铝的团聚过程.团聚模型未来发展的趋势应具备能够预测团聚物粒度分布和计算量小两大优势.由于能描述团聚过程的本质,物理模型具有很好的研究前景.开展了5MPa下含铝推进剂燃烧实验,采用高速显微拍摄技术获得推进剂燃面处铝颗粒的团聚直径,与Hermsen模型和Salita模型预测数据进行了比较,对于燃速分别为5.1mm/s和8.0mm/s的推进剂,Salita模型对于团聚直径的预示误差分别为8.7%和9.6%,而Hermsen模型对于高燃速推进剂的预示误差为19.2%.总体看来,Salita模型预示精度更为合理.      

NEPE推进剂燃烧表面铝团聚物动态行为研究

针对NEPE推进剂燃烧表面铝团聚物的动态行为，在1,2,3MPa的N2环境中，对NEPE推进剂中铝团聚物在燃烧表面和脱离燃面后的动态燃烧过程进行了研究，提出了燃面与铝颗粒联合运动的简化理论模型。结果表明，铝颗粒的团聚分为堆积、聚集和团聚三个过程，铝团聚物在燃烧表面以及脱离燃面后均可能发生二次团聚，铝团聚物的二次团聚过程通常会形成大尺寸的铝团聚物。通过燃面与铝颗粒协同运动的简化理论模型，认为铝团聚的团聚时间受到压强、铝颗粒的体积分数和半径的影响。同尺寸铝团聚物的团聚时间随着压强的增大而较小，且在高压环境中的影响程度降低，与理论模型一致。同时压强会影响铝团聚物脱离燃面后的随流运动速率，同一压强条件下，直径越小的初始团聚物随流运动速率越快，直径越大的初始团聚物随流运动速率越慢。     

基于数字同轴全息的铝颗粒燃烧粒度分布研究

铝颗粒的团聚效应会对固体推进剂燃烧造成不良影响,产生积渣、两相流损失等问题。为掌握铝颗粒的团聚机理,了解初始铝颗粒尺寸以及压强对铝团聚的影响,以优化推进剂配方及粒度级配,有必要对三维空间内铝颗粒的粒度分布进行研究。为解决传统检测方法的景深问题,采用了数字同轴全息（DIH）技术,并用普通镜头搭配4f透镜组取代长焦显微镜头构建了成像系统。实验一方面对两种具有不同初始粒径的推进剂A和B进行燃烧测量,另一方面对推进剂B分别在0.1,0.2,0.3MPa三种不同压强下的燃烧进行了测量,然后通过全息重建以及图像处理技术得到了燃烧铝颗粒的粒径信息,相对测量误差在9%以内,最后采用Normal和Log-Normal多峰拟合获取了粒度分布的详细参数。对比实验结果发现,常压下铝团聚体的尺寸随着初始铝粉粒径减小而减小;随着压强增大,铝团聚物的尺寸逐渐变小,体积概率密度逐步由双峰分布变为单峰分布,说明压强升高对于铝团聚有抑制作用。     

复合推进剂中铝燃烧实验研究

采用长焦显微镜头和高速相机组合的光学拍摄方法,研究了不同压强下含铝复合推进剂中铝粒子在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧过程。分别在1MPa,3MPa和5MPa充满氮气的燃烧实验器中进行了实验。在3MPa和5MPa实验中,通过在镜头前增加不同透射率的中性密度滤波片解决了因铝滴燃烧发光过强导致相机成像过度曝光的问题。通过测定拍摄过程中相邻两张图片中同一粒径铝滴在不同位置,计算了不同粒径铝滴的随流运动速率。小粒径随流运动速率快,大粒径随流运动速率慢。实验中还得到了不同粒径铝滴在推进剂燃烧表面的团聚形成时间。1MPa实验下,200μm和150μm粒子的团聚时间分别约为8ms和6ms;3MPa下,300μm和200μm粒子的团聚时间分别约为5ms和3ms;5MPa下,300μm和150μm粒子的团聚时间分别约小于3ms和1ms。随着压强的增大,同一粒径团聚物的团聚时间缩短。在同一压强条件下,粒径越小的铝团聚物其所需团聚时间越短。     

含铝固体复合推进剂颗粒团聚现象

含Al固体复合推进剂在燃烧过程中，燃烧表面存在Al颗粒团聚现象，其对火箭发动机性能产生重要影响。通过分子动力学算法建立固体复合推进剂三维颗粒微观模型，实现了模拟三维空间内AP颗粒和Al颗粒的随机分布特征。并建立了颗粒的团聚模型，分析研究Al颗粒在随机填充模型中的团聚现象，得到了不同的临界分离距离下Al颗粒粒径分布规律，并将之与实验数据进行对比，最终总结出了合适的临界分离距离与Al颗粒直径的经验公式。然后总结出了Al颗粒在气固交界面发生团聚后粒径的分布规律，设计了Al颗粒在气固交界面的Rosin-Rammler概率分布函数，分析得到其均匀性系数与特征系数分别为1.445 3与86.49，可用于数值模拟计算固体燃料燃烧面退移过程中表面Al颗粒喷射的初始粒径。     

数字全息在固体推进剂铝燃烧三维测量中的应用研究

为获得固体推进剂铝颗粒动态燃烧的精细化过程,将数字全息技术用于固体推进剂铝燃烧三维动态过程测量中,成功地解决了传统光学显微成像法景深过小的问题。搭建了固体推进剂铝燃烧数字全息测量系统,分别在0.1MPa和1.0MPa压强条件下开展了推进剂中铝颗粒燃烧过程的三维测量工作,获得了铝颗粒动态燃烧过程的全息图像。研究结果表明:数字全息技术能够获得不同截面处的颗粒信息,并可跟踪颗粒的动态燃烧过程,准确地获得颗粒粒径信息,真正实现三维动态测量;全息法能够清晰地分辨出动态燃烧过程中十几微米至几百微米量级的铝颗粒,测量误差小于8%;跟踪单一铝颗粒的动态燃烧过程,可获得颗粒粒径、空间分布、粒径分布、燃烧火焰区域、运动速度以及氧化帽的动态生成过程等变化规律。     

同轴数字全息用于铝燃烧颗粒的测量研究

为获得三维空间范围内固体推进剂铝颗粒动态燃烧的粒径信息,采用同轴数字全息技术对固体推进剂中铝动态燃烧颗粒粒径分布的测量进行了研究。在常温常压下,采用两种放大倍数(1.1倍和2.7倍)的成像系统对两种推进剂进行了全息测量,分别从两种推进剂铝燃烧颗粒的全息重建图像中提取了所有铝燃烧颗粒的粒径信息,采用Log-Normal多峰拟合方法获得了颗粒粒径分布的详细参数。实验结果表明:在颗粒重建全息图的基础上,采用插值方法极大地提高了颗粒粒径的测量精度,在10μm～200μm内,相对测量误差可降低至0.4%。该方法能够清晰获得10μm～900μm内所有铝燃烧颗粒粒径分布和平均粒径等信息,说明该方法适用于固体推进剂铝颗粒燃烧的精细化测量。     

同轴数字全息用于铝燃烧颗粒的测量研究

为获得三维空间范围内固体推进剂铝颗粒动态燃烧的粒径信息,采用同轴数字全息技术对固体推进剂中铝动态燃烧颗粒粒径分布的测量进行了研究。在常温常压下,采用两种放大倍数（1.1倍和2.7倍）的成像系统对两种推进剂进行了全息测量,分别从两种推进剂铝燃烧颗粒的全息重建图像中提取了所有铝燃烧颗粒的粒径信息,采用Log-Normal多峰拟合方法获得了颗粒粒径分布的详细参数。实验结果表明：在颗粒重建全息图的基础上,采用插值方法极大地提高了颗粒粒径的测量精度,在10μm～200μm内,相对测量误差可降低至0.4%。该方法能够清晰获得10μm～900μm内所有铝燃烧颗粒粒径分布和平均粒径等信息,说明该方法适用于固体推进剂铝颗粒燃烧的精细化测量。     

固体推进剂定淬息距离凝相燃烧产物收集方法

含铝固体推进剂凝相燃烧产物对发动机的能量特性、热防护以及燃烧稳定性均有重要影响.为了排除燃烧过程中推进剂燃面退移造成的凝相燃烧产物淬息距离逐渐增大的影响,设计并建立了一套基于恒定淬息距离的凝相燃烧产物收集系统,并通过典型丁羟四组元推进剂凝相燃烧产物的收集和分析,对该收集方法进行了校验.结果表明,淬息距离恒定使得凝相燃烧...     

液态铝和三氧化二铝物性参数计算方法综述

含铝固体推进剂在燃烧过程中会产生铝液滴和三氧化二铝液滴,准确的铝和三氧化二铝液滴物性参数对发动机内燃烧、流动等多物理过程的精细化数值研究及工作性能的精确预测具有重要影响。为获得精确的物性参数,针对液态铝和三氧化二铝的密度、黏度、表面张力、导热系数及定压比热容等物性参数,综述国内外实验研究现状和不同温度下的计算方法,对比分析各实验和计算方法的精确度和适用性。结合固体发动机高温高压环境,提出了适用于发动机内铝和三氧化二铝液滴的物性参数计算方法。得到的物性参数计算关系式可为发动机内多物理过程的精细化研究提供参考。     

收集处理方法对含铝固体推进剂凝相燃烧产物特性影响

含铝固体推进剂凝相燃烧产物特性对固体火箭发动机的燃烧效率、燃烧稳定性和绝热安全性等影响重大。为获得准确可靠的凝相燃烧产物的理化特性,利用定压燃烧装置来收集凝相燃烧产物,采用马尔文激光粒度分析仪、扫描电镜及X射线衍射仪对产物进行表征,研究收集介质、干燥处理和超声分散对凝相燃烧产物性质的影响。结果表明,使用水收集获得的凝相燃烧产物平均粒度与氮气收集条件下相比大60%,水收集法适用于研究推进剂近燃面凝相燃烧产物。干燥处理能保证凝相燃烧产物样品中大尺寸颗粒的有效取样,在粒度测试之前需要对样品进行干燥处理来获取准确的凝相燃烧产物粒度分布数据。超声分散会导致大颗粒团聚物含量降低,小颗粒团聚物含量升高,最终显著降低凝相燃烧产物平均粒径。粒度测试时,在80kHz条件下,超声分散参数设定为40 W,5 min较为合适。基于研究结果,提出了一套科学合理的凝相燃烧产物收集处理方法。     

无铝CTPB＋PB固体推进剂旋转燃烧的试验研究

启动鱼雷动力系统的固体推进剂药柱系低燃温、无铝复合推进剂，处于旋转状态下燃烧。本项研究利用旋转燃烧试验台进行了药柱的燃烧试验，显示了加速度对无铝推进剂燃烧的影响。结果表明：在试验条件范围内，推进剂药柱随着加速度增大，燃烧室压强增大、燃烧时间缩短。根据实验数据整理出旋转燃烧条件下燃速公式。     

添加有机氟化物的固体复合推进剂对EPDM绝热材料烧蚀特性研究

分别在三组元、四组元固体复合推进剂的基础上制备了添加有机氟化物(OF)的高铝含量(18%)固体复合推进剂,利用高过载烧蚀模拟发动机考察了燃烧室压强为7MPa的条件下,上述推进剂对于三元乙丙橡胶绝(EPDM)热材料的烧蚀特性。结果表明,在OF为3%取代添加量的情况下,添加OF的推进剂配方相比于常规空白配方,对绝热材料的最大线烧蚀率可降低30%以上;对于四组元推进剂,含有OF的推进剂燃烧还能够有效抑制燃烧室的凝聚相沉积。实验通过分析推进剂的燃面特性、高过载烧蚀模拟发动机燃烧室沉积物组成、试验后绝热材料表面炭层结构、推进剂包覆材料表面沉积物形貌,探讨了配方中OF对于降低推进剂烧蚀特性的机理。分析认为,由于添加OF的推进剂燃烧能够形成粒径更小的凝聚相燃烧粒子,从而降低了它们在发动机流场中的动量,进而抑制其对于绝热材料的冲刷作用,致使烧蚀特性下降。     

含铝金属化浆体推进剂火箭发动机燃烧性能试验研究

为研究含铝浆体推进剂的燃烧特性,对浆体推进剂模型火箭发动机开展了一系列试验研究。分别将质量分数为21%的纳米铝粉颗粒以及质量分数为12%的氢化铝复合粒子加入到JP-10燃料中,对比分析了浆体燃料与纯净燃料在燃烧性能方面的差异。燃烧试验的氧燃比为1.6~2.0。试验结果表明:与纯净JP-10燃料相比,加入金属颗粒的JP-10浆体燃料在雾化和燃烧过程中产生了严重的结块聚集效应,导致其燃烧效率与质量比冲明显降低,而由于浆体燃料密度远大于纯净JP-10燃料,含纳米铝颗粒的浆体燃料的密度比冲相比于纯净JP-10燃料有大幅提高,提高幅度为5.5%~14.6%。试验还发现浆体燃料的点火延迟略低于纯净JP-10燃料,金属颗粒的加入对推进剂点火性能有积极的影响。试验中采集了喷管出口的固体燃烧产物并进行了XRD,EDS,SEM,TEM等多种手段分析,发现浆体燃料中铝的氧化率约为64%~74%,颗粒团聚现象明显,主要呈球形,尺寸分布不均,约为500nm~3μm。     

加速度对含铝复合推进剂燃烧特性的影响

介绍了用中止燃烧试验方法研究加速度对含铝复合推进剂燃烧特性的影响。结果表明，固体推进剂的加速度效应，最初是一种特殊的动态过程，在熄火后的药柱燃面上可观察到形状各异的凹坑，由凝聚铝粒子在燃面上滞留造成，它使向药柱的热反馈大大增强，结果导致燃面增加，燃速增大。根据研究结果，导出了燃速增量的三个表达式，即热效应燃速增量，增面效应燃速增量，压强效应燃速增大。根据研究结果，导出了燃带增量的三个表达式，即热效     

宽压强范围少烟无铝推进剂燃烧性能研究

针对固体火箭发动机对少烟无铝推进剂的需求,研究了宽压强范围（1~22MPa）少烟无铝推进剂的燃烧性能。通过添加高熔点燃烧稳定剂、压指调节剂复配等技术手段,采用静态燃速测试仪、标准试验发动机、全尺寸发动机以及静态烟箱法等研究了推进剂燃速、压强指数、能量性能和烟雾特征信号与燃烧稳定剂（CW-1）、复合压指调节剂（YZJ-A/B）含量的变化规律。试验结果表明：（1）采用高熔点的燃烧稳定剂（CW-1）取代铝粉,当燃烧稳定剂用量在1%~4%,推进剂在1~22MPa宽压强范围内可以稳定燃烧。（2）燃烧稳定剂（CW-1）取代铝粉后,推进剂比冲下降,烟雾特征信号降低。（3）添加有机钡盐和季铵盐-二茂铁类复合压指调节剂（YZJ-A/B）,推进剂在17 ~22MPa动态压强指数由0.39降低至0.275。     

包覆及团聚硼对富燃料推进剂燃烧性能的影响

研究了硼粉表面包覆材料的种类和含量及团聚硼的含量对富燃料推进剂燃烧性能的影响。结果表明,团聚硼有利于提高推进剂的燃速与燃速压强指数;包覆材料AP的含量对推进剂燃烧性能的影响较为复杂,低含量有利于提高推进剂的低压燃速,但对燃速压强指数不利,高含量有利于提高推进剂的燃速压强指数,但对低压燃速不利;包覆材料L iF有利于提高推进剂的低压燃速,但过高的含量降低了推进剂的燃速压强指数。     

固体火箭发动机和固体推进剂的燃烧研究

本文系作者参加一九八三年六月廿七日至廿九日于美国西雅图召开的AIAA/SAE/ASME第十九届联合推进会议期间所了解到的有关固体火箭发动机和固体推进剂燃烧研究方面的情况。文章重点介绍了:一、不稳定燃烧研究;二、硝胺推进剂的燃烧;三、含铝推进剂的燃烧;四、固体推进剂燃速特性的研究。 近年来,美国为了适应固体火箭发动机研制的需要,通过它的研究机构和大学的研究实验室,继续不断地开展了不少燃烧和点火方面的研究。在这次联合推进会议上,固体火箭发动机和固体推进剂方面的文章有四十多篇,涉及到固体动力装置的各个方面。其中燃烧方面已经发表的文章有十多篇,反映了美国在这方面的研究动向。通过这次会议和会后参观乔冶亚理工学院空间工程系的实验室、斯坦福大学张以棣教授的实验研究工作,以及与宾西法尼亚州立大学Kuo K、K、教授座谈等活动,对美国在这方面的一部分情况有了一个粗浅的了解。现简要叙述如下。     

含铝固体贫氧推进剂燃烧中的几个问题

前言 从一九七五年开始到一九七九年底,北京航空学院、沈阳一一一厂设计所同八四五厂科研一所协作,对含铝固体贫氧推进剂先后做过点火试验,发生器地面试验和火箭——冲压组合发动机连管试验。通过这些地面试验,对含铝固体贫氧推进剂的燃烧有了一些初步的认识。本文是针对试验中发生的一些问题进行初步的总结,并提出一些看法。     

固体推进剂燃烧过程实时监测与燃速测定系统

在固体推进剂线扫描摄像实时燃速测定系统的基础上,研制成功了新一代的固体推进剂燃烧过程和燃速的实时监测系统。介绍了这一新系统的组成、硬件工作原理和软件的主要功能。利用该系统,可以得到更多有关固体推进剂燃烧过程的信息。