硼粉燃烧效率的影响因素研究

为了提高B粉在氧弹中的燃烧效率,从而准确测得B粉的实际燃烧放热量,以便对不同来源的B粉进行质量评估,进而为含B富燃料推进剂的配方设计及能量预估提供依据。建立了一种能使硼粉充分燃烧并测得其放热量的方法,以双铅-2推进剂(SQ-2)作助燃剂,丙酮作溶剂,采取干法与湿法相结合的方式制备样品,利用恒温式氧弹量热仪测试样品燃烧放热量,并计算B粉燃烧效率,采用Fluent软件对B粉燃烧过程中的氧弹内流场进行数值模拟,分析氧弹内温度及氧气浓度随时间的分布,研究了SQ-2与B粉的混合质量比、充氧压强、坩埚位置、坩埚大小及有无挡板对B粉燃烧效率的影响。结果表明,SQ-2与B粉的最佳混合质量比为10∶1;最佳充氧压强为3 MPa;选择内径大(最佳内径17 mm)、高度低(最佳高度5 mm)的坩埚,并减小坩埚与氧弹底部的距离(最佳距离10 mm),同时选用不含挡板的坩埚支架,可为B粉创造良好的燃烧环境,在氧弹中的最大燃烧效率可达99.36%。     

硼粉燃烧热的测量

硼因高的体积热值成为首选高能组分添加剂。为了对硼粉的燃烧热进行更准确的测量 ,使用氧弹式量热仪,采用SQ-2作为助燃剂,通过实验研究了助燃剂质量、形状以及氧 弹内氧气压力对硼粉燃烧热测试结果的影响。结合硼的两阶段燃烧模型,指出燃气温度是影 响硼粉燃烧效率的关键参数。建立了氧弹内燃气极限温度的理论计算模型,给出计算温度与 硼粉燃烧效率之间的关系。结果表明升高极限温度是改善硼粉燃烧热的测量的有效手段。     

AP粒度和包覆层对硼燃烧的影响

通过对AP和硼及其混合物进行热分析实验,研究了硼在AP分解过程中参与反应的程度;用氧弹式量热计测试含硼富燃料推进剂的爆热,分析硼在推进剂燃烧过程中的放热。结果表明,对各组分含量相同的含硼富燃料推进剂用AP包覆硼粒子和提高超细AP含量可促使硼在AP分解过程中参与反应,使AP／B(1：1)热分解的放热量增加,提高推进剂的爆热,有利于推进剂中硼的燃烧。     

硼粉热特性研究

为了研究硼粒子在不同气氛下热特性,采用TGA/DSC和高压DSC对晶体硼粉和无定形硼粉两种形态,在纯氮、纯氧、空气以及氧氮混合(1∶1)气氛和3种压强下进行热分析实验;利用Kissinger法和Ozawa法计算得到无定形硼在空气气氛下的动力学参数.试验结果表明,纯氮气氛下,无定形硼与氮气会发生反应,其反应速度缓慢,放热量小.无定形硼比晶体硼的氧化反应初始温度低,氧化反应更快且更完全.不同氧气浓度条件下,随着氧气浓度的提高,无定形硼反应起始温度提前,反应速率加快,反应更彻底.增加氧气压强,可降低初始反应温度,加快反应速率,提高反应放热量.最终计算得到无定形硼在空气气氛下的活化能E、指前因子A和反应速率常数K.     

提高含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧效率的研究

为了解决含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧效率低、实验测试值不能正确表征实际燃烧热值的问题,研究了含硼富燃料推进剂燃烧热值测试过程中试样质量和充氧压强对测试结果的影响,在氧弹安全承载范围内,试样质量越大、充氧压强越大,含硼富燃料推进剂燃烧越完全。使用有机溶剂溶解后挥发的混合方式,将作为助燃剂的自制ZS与加工成20目含硼富燃料推进剂实现紧密结合,经过一系列工艺处理制得试样。根据含硼富燃料推进剂在氧弹内的燃烧特点设计加工了专用钨坩埚,使用改进型氧弹式量热仪对试样进行热值测试。实验结果表明,助燃法测试含硼富燃料推进剂的燃烧热值较为有效,解决了含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧不完全以及测试值不能正确表征理论燃烧热值的问题,具有较高的准确性和可靠性。     

镁粉对含硼富燃料推进剂能量释放特性的影响

为考察辅助金属燃料Mg对含硼富燃料推进剂能量释放特性的影响,采用氧弹量热计分别测定了Mg、Al和Ti的燃烧热,以及相应含硼富燃料推进剂的爆热Qv和燃烧热Hv,计算得出了推进剂在燃烧过程中的三个能量释放效率ηc1、ηc2和ηB。结果表明,Mg通过自身的低耗氧、高放热提高了含硼富燃料推进剂的爆热,进而提高了一次燃烧温度,为硼粉燃烧营造了一个较合适的高温环境,促进了硼粉的燃烧,因而明显提高了含硼富燃料推进剂的ηc1、ηc2和ηB。因此,在含硼富燃料推进剂中,采用B+Mg的主辅燃料组合是较佳选择。     

Metal/N_2O粉末火箭发动机实验研究

采用气压驱动供粉方式,开展了Metal/N2O火箭发动机点火实验。通过分析活塞位移及燃烧室压强振荡,研究了两相流动特性。根据液滴燃烧模型,分析了燃烧室压强、颗粒滞留时间、氧燃比等因素对发动机燃烧效率的影响。通过以上研究,验证了此种发动机的优良性能。结果表明,输送管路中固相浓度脉动幅度在颗粒粒径40μm、两相流空隙率97%、氮气流动速度27 m/s情况下小于±0.36%;Mg/N2O实验平均特征速度效率在燃烧室压强0.5 MPa情况下高达96.4%,Al/N2O实验在燃烧室0.91 MPa情况下燃烧效率达到88.5%;提高燃烧室压强、颗粒滞留时间,可提高燃烧效率,但氧燃比对燃烧效率影响较为复杂。     

氩-氢混合放电等离子体还原BCl_3制备高纯纳米硼粉

利用氩气与氢气电弧放电产生氩-氢混合等离子体还原三氯化硼,获得还原产物纳米硼粉。在等离子体放电功率19.2 k W,氩气、氢气进气流率分别1.5 m3/h,BCl3进料量1 500 g/h实验条件下,硼粉收率达到最大值58%。利用DSCTG(热重分析仪)、XRD(X射线衍射仪)、XPS(X射线光电子能谱仪)、SEM(扫描电子显微镜)分析了样品起始氧化温度、组成、物相及形貌。结果表明,所得硼粉粒径在50~100 nm之间,其中84%为无定型硼;另外,存在六方晶胞和四方晶胞的2种晶体硼,该硼粉的起始氧化温度约在200℃。排除纳米硼粉表面的吸附氧,单质硼的纯度大于98%。通过对硼粉的洗涤和烘烤证明,用简单的去离子水洗涤可进一步提高硼粉纯度,在80℃以下,纳米硼粉在空气中几乎不被氧化。     

双基推进剂为助燃剂的硼粉燃烧热测试研究

采用新的混合方式将作为助燃剂的双基推进剂与纯度为95%的国产无定形硼进行分子间混合,经过一定的工艺处理制得试样,并使用改进式的氧弹式量热仪对制得的各试样进行燃烧热测试,由各试样及不同硼粉的DSC曲线对国产无定形硼与双基推进剂的相容性进行了相关分析。实验结果表明,与以往的硼粉燃烧热测试方法相比,此方法具有较高准确性和可靠性;国产无定形硼与推进剂存在贮存相容性差的问题,对于制备成的试样应立即进行燃烧热测试实验;国产无定形硼在常温下仍具有一定的反应活性,在选择助燃剂时要注意硼粉与助燃剂的相容性问题。     

储氢合金燃烧剂基本性能研究

用X射线衍射(XRD)、热重(TG)分析、差示扫描量热法(DSC)、氧弹量热分析等方法对储氢合金的相结构、热性能和其他基本性能进行了测定,并对不同温度下储氢合金在干燥空气中的储存稳定性进行了表征.结果表明,Al的含量不改变储氢合金中H的储存形式；储氢合金在干燥空气中有良好的储存稳定性；储氢合金A20、A30的放氢温度分...     

硼在氧化性气氛中燃烧的热力学分析

根据吉布斯能最小原理,利用FactSage计算了B/O体系和B/C/H/O体系的热平衡,研究了温度、压强和物质摩尔比对平衡的影响。计算结果表明,B/O体系下,当B/O摩尔比为2∶3时,随温度逐渐升高,主要的气相含硼燃烧产物由B2O3(g)转变为BO(g)和BO2(g);提高环境压强,有助于增大硼燃烧的热量释放;当温度为2 400 K恒定的情况下,贫燃料时的主要产物为B2O3(g)和BO2(g),富燃料时的主要产物为B2O3(g)、BO(g)和B2O2(g)。在B/C/H/O体系中,把B/C/H/O摩尔比定为2∶1∶2∶6,在温度相对较低时,B/C/H/O体系燃烧的主要产物为HBO2(g)、CO2(g)、H2O(g)和B2O3(g),此时燃料的热释放比较完全。随温度升高,之前的燃烧产物被CO(g)、BO(g)等低热释放的物质代替,说明外界温度太高不利于燃料燃烧的热量释放;同样,提高环境压强,有助于增大系统的热量释放;当温度为2 400 K恒定的情况下,贫燃料时的主要产物为HBO2(g)、B2O3(g)和BO2(g),富燃料时的主要产物为B2O3(g)、B2O2(g)、BO(g)和HBO(g)。     

Thermomechanical analysis of boron particle combustion in oxidizing atmospheres

根据吉布斯能最小原理,利用FactSage计算了B/O体系和B/C/ H/O体系的热平衡,研究了温度、压强和物质摩尔比对平衡的影响.计算结果表明,B/O体系下,当B/O摩尔比为2:3时,随温度逐渐升高,主要的气相含硼燃烧产物由B2O3(g)转变为BO(g)和BO2(g);提高环境压强,有助于增大硼燃烧的热量释放;当温度为2400K恒定的情况下,贫燃料时的主要产物为B2O3(g)和BO2 (g),富燃料时的主要产物为B2O3(g)、BO(g)和B2O2(g).在B/C/H/O体系中,把B/C/H/O摩尔比定为2:1:2:6,在温度相对较低时,B/C/H/O体系燃烧的主要产物为HBO2 (g)、CO2 (g)、H2O(g)和B2O3 (g),此时燃料的热释放比较完全.随温度升高,之前的燃烧产物被CO(g)、BO(g)等低热释放的物质代替,说明外界温度太高不利于燃料燃烧的热量释放;同样,提高环境压强,有助于增大系统的热量释放;当温度为2400K恒定的情况下,贫燃料时的主要产物为HBO2 (g)、B2O3(g)和BO2 (g),富燃料时的主要产物为B2O3(g)、B2O2(g)、BO(g)和HBO(g).     

Al/PMF(氟化石墨)复合粉末的制备与热性能

为改善微米Al粉的活性,通过湿磨、干磨两步球磨法,将低含量的氟化石墨(PMF)掺杂到铝粉中,制备了Al/PMF 95%/5%和90%/10%两种成分的复合粉末,并利用激光粒度分析仪、XRD、SEM/EDX、TG/DTA和氧弹量热仪等测试手段,对复合粉末的粒径分布、物相、形貌、热性能及燃烧焓进行表征。结果发现,Al/PMF 95%/5%和90%/10%两种复合粉末均呈现等轴状。随着PMF含量的增加,复合粉末的平均粒径从20.6μm减小到13.7μm,且粒径分布范围变窄。球磨制备的Al/PMF 95%/5%和90%/10%复合粉末的燃烧焓分别为22.26 k J/g和21.51 k J/g,略低于物理混合。TG/DTA结果显示,相对于纯Al粉,Al/PMF 95%/5%和90%/10%两种复合粉末均表现出明显增强的热反应活性,且反应开始温度提前。此外,还对Al/PMF 90%/10%复合粉末详细的氧化过程及氧化产物防团聚机理进行了研究。     

石墨/AlSi耗散防热材料喉衬烧蚀试验研究

为提高石墨的耐烧蚀性能,利用压力浸渗方法将AlSi合金渗入石墨孔隙中获得石墨/AlSi耗散防热复合材料。利用小型烧蚀实验发动机开展了不同推进剂和压强工况下石墨/AlSi耗散防热复合材料喉衬和C/C喉衬的对比烧蚀试验研究,总结了推进剂铝含量、燃烧室压强对相对烧蚀性能影响,并分析石墨/AlSi耗散防热复合材料的抗烧蚀机理。结果表明,石墨/AlSi耗散防热复合材料喉衬线烧蚀率低于相同状态下C/C材料喉衬的线烧蚀率,其中在铝质量含量5%、压强12.5 MPa工况中石墨/AlSi喉衬线烧蚀率降低92%。分析认为石墨/AlSi耗散防热复合材料的抗烧蚀机理主要为:石墨孔隙内的AlSi合金通过熔化和气化相变吸收热量,降低了石墨基体的热负载;AlSi合金的熔化后在表面形成的液态膜阻碍了燃气中氧化性成分向石墨基体中的扩散;合金气化产生的Al、Si蒸气在引射作用下注入边界层,与边界层中氧化组分发生反应,降低其中的氧化组分浓度;AlSi合金氧化后形成的Al_2O_3-SiO_2玻璃态熔融层减弱燃气对喉衬机械剥蚀作用。最终石墨/AlSi耗散防热复合材料喉衬表现出优异的抗烧蚀性能。     

POSS改性EPDM耐烧蚀复合材料的制备及性能

由于高性能推进剂的广泛应用,导致固体火箭发动机燃烧室内的燃烧温度与工作压强不断升高,因此研制出性能更加优异的隔热层迫在眉睫。以三元乙丙橡胶(EPDM)为基体,气相纳米Si O2为补强填料,首次引入八甲基丙烯酰氧基丙基POSS(MA-POSS),经由过氧化物引发双键之间的自由基聚合反应,制备了POSS改性EPDM耐烧蚀复合材料。研究了MA-POSS与气相纳米Si O2的添加量对隔热材料的交联度、力学性能、热稳定性、耐烧蚀性能的影响。在POSS与气相纳米Si O2协同作用下,改性后的材料各项性能均有所提升。结果表明,当气相纳米Si O2含量为40份、MA-POSS为5份时,凝胶含量高达92.61%,拉伸强度为12.02 MPa; MA-POSS含量为3份时,复合材料的线性烧蚀率和质量烧蚀率最低,分别为0.296 mm/s和0.100 g/s。     

用于先进火箭发动机的富氧预燃室

洛克达因公司已成功地设计和生产出了富氧的液氧/气氢预燃室,并在燃烧室绝压为14.1～21.3MPa,质量混合比为117—174,推进剂总流量为14.0～23.6kg/s 的工作范围内通过了热试车考验。按费用低、重量轻、易操作等原则设计的先进的富氧预燃室,其推进剂射流都处在同一个平面上(喷注面),以实现沿不冷却的燃烧室轴线方向的均匀燃烧。在八次主级工作时间为1～5秒的试车中,直径89mm 的富氧预燃室喷注器多次反复地验证了其良好的点火、火焰传播和火焰维持等特性,而且当通过测量计算所得的特征速度效率为99%时,没有不稳定燃烧的迹象出现。此时测得的燃气平均温度从260℃(混合比 I_m—174)到538℃(r_m—117),而且每次试验,各方向热电偶的测量值相差不大于24℃。全尺寸的富氧 LOX/GH_2预燃室的成功热试车证明了全流量补燃循环(Full-Flow Staged Combustion Cycle 简称 FFSC 循环)发动机设计的一个关键启动技术已被突破。本报告总结了富氧预燃室的研究情况并进而对确保可靠地实现点火、火焰传播和火焰维持,使预燃室形成高水平的推进剂混合和质流的均匀性的喷注器进行了设计分析。