含铝固体推进剂铝团聚抑制方法研究进展

固体推进剂燃烧过程中铝团聚现象会引起诸如两相流损失、熔渣沉积、比冲降低和燃料能量释放不完全等一系列负面影响。因此,铝团聚抑制方法的研究对于提高发动机性能具有重要意义。本文简要介绍了固体推进剂燃烧过程中铝颗粒团聚过程及其影响因素,重点介绍了目前铝团聚抑制方法的研究进展,并分析和总结了现有抑制方法的机理和优缺点。最后,提出了未来需要关注的几个研究方向。

压强对GAP/CL-20推进剂点火燃烧及团聚特性影响研究

为了研究压强对GAP/CL-20高能固体推进剂点火燃烧及燃面团聚特性的影响,采用光学测量和产物收集相结合的方法对在不同压强(0.1,1.0,2.0MPa)下点火燃烧的推进剂的点火燃烧特性参数、团聚过程、凝聚相燃烧产物的理化特性等进行全面而系统的分析。结果表明:在实验工况范围内,随着压强增大,推进剂的点火延迟时间和自维持燃烧时间缩短,燃速和最大燃烧温度增大;随着压强升高,其对推进剂点火燃烧特性参数的影响减弱;实验中还观察到了铝颗粒在燃面团聚的全过程,典型团聚物主要包括液态铝、扩散火焰和氧化帽等结构;当压强为0.1MPa时,凝聚相燃烧产物中有较多珊瑚状团聚物,随着压强升高,凝聚相燃烧产物的的平均粒径减小,而大粒径团聚物的粒径变大。

压力对纳米铝粉/RDX混合物聚光点火燃烧特性的影响

铝粉和黑索今(RDX)是固体推进剂领域重要的金属燃料和含能氧化剂。利用中压聚光升温点火实验台进行了不同压力(0.1,0.4,0.7,1.0,1.3 MPa)下纳米铝粉/RDX混合样品的点火燃烧试验,采用高速摄影仪、双色红外测温仪和光纤光谱仪研究了样品的燃烧过程。结果显示,样品点火前存在一个明显的受热蒸发阶段,点火后火焰发展阶段的持续时间明显小于衰退阶段。常压下的燃烧过程伴有橙黄色火星。压力高于常压时火焰呈白炽态。提高环境压力能有效增加燃烧强度,但过高的压力对火焰发展有一定的抑制作用。压力升高,蒸发阶段和点火重叠明显,点火延迟时间显著缩短。基于实验条件,常压下样品的点火延迟时间为1004 ms,最高温度为1239℃。压力升高至1.3 MPa时,样品的点火延迟时间缩短至319.2 ms,最高温度升高至1441℃。常压下样品燃烧不完全,导致自维持燃烧时间最短,为280 ms。压力高于常压时,自维持燃烧时间随压力的升高而减小。

微米锆粉的热氧化过程研究

为探究微米锆粉的热氧化过程,进行锆粉氧化反应动力学分析,通过激光粒度分析、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)等方法对所研究锆粉颗粒的粒径分布、微观形貌、元素含量以及物相特征进行了研究。通过热重分析法(TG)和差示扫描量热法(DSC)开展了不同升温速率的氧化过程研究,得到不同升温速率下锆粉氧化的DSC-TG曲线,进一步分析得到锆粉热氧化的动力学参数以及反应模型。结果表明,锆粉样品的粒径主要分布在15~46μm,颗粒形状不规则,且主要包含Zr元素,锆粉颗粒主要物相为金属Zr;锆粉氧化过程可以分为初始氧化,加速氧化、剧烈氧化和反应平衡四个阶段;锆粉的非等温氧化过程符合随机成核和随后生长模型函数,其积分表达式为G(α)=[-ln(1-α)]52。因此微米锆粉热氧化反应动力学的活化能Ea为175.83 kJ·mol^-1,指前因子A=1.91×10^8 s^-1,反应速率常数k=1.91×10^8 exp(-2.1×10^4/T)。

氧浓度对锆粉点火燃烧特性的影响研究

为探究氧浓度对锆粉点火燃烧特性的影响规律,利用激光点火、高速摄影仪、双色红外测温仪和光纤光谱仪等手段对锆粉的燃烧过程进行研究,获得了锆粉燃烧过程中的点火延迟时间、燃烧时间、燃烧强度和燃烧温度等参数。随后又利用XRD手段分析了燃烧产物的物相特征。通过实验发现:根据火焰形态可以将锆粉燃烧过程分为起燃、剧烈燃烧、平稳燃烧和火焰熄灭等四个阶段。氧浓度对锆粉的点火燃烧性能具有重要影响。C1~C4四种工况下锆粉的点火延迟时间分别为15ms,17.5ms,22.5ms和25ms;燃烧温度分别为1542℃,1520℃,1425℃和1405℃。因此增大氧浓度有利于缩短点火延迟时间和燃烧时间,提高燃烧温度和燃烧强度,改善锆粉的点火燃烧性能。氧浓度增大,火焰尺寸,火焰亮度和剧烈程度呈增大趋势。同时还发现锆粉在四种不同氧浓度下的反应产物主要为ZrO2,未产生ZrN和ZrC等。

废弃推进剂改善无烟煤燃烧的热重-红外实验研究

采用热重?红外(TG?FTIR)联用技术研究废弃推进剂与无烟煤混合试样的燃烧特性,以10 K·min^(-1)的加热速率将不同配比的推进剂?无烟煤混合物从室温加热至1300℃,分析热分析曲线获得热力学参数,采用Satava?Sestak积分法计算氧化反应动力学参数,并进行红外光谱的同步分析。结果表明,将废弃推进剂加入到无烟煤中,随着推进剂含量的上升,热分析曲线向低温区移动,无烟煤固定碳的着火温度由560℃降至383℃,燃尽温度由676℃降至616℃,综合燃烧特性指数由2.36E?8升至1.27E?7,反应表观活化能由165.6 kJ·mol^(-1)降低至91.2 kJ·mol^(-1);红外光谱结果显示,随着推进剂掺混量增加,热氧化标志性气体产物CO_2、CO波峰向低温区移动,表明废弃推进剂对无烟煤的氧化和点火燃烧过程具有促进作用。

微重力环境金属燃烧试验研究进展

以自由落体、抛物线飞行和模拟微重力流场3种典型的微重力试验原理,综述了微重力环境下气溶胶、颗粒和棒状3种形态的金属材料燃烧研究,包括镁、铝、钛等。详细介绍了微重力对金属燃烧速度、火焰结构、相变过程及特有的燃烧现象等特性的影响机理,阐述了微重力环境对揭示金属燃烧固有属性的优势,综述了现有微重力试验系统的优缺点和模拟微重力流场方法的可行性。研究结果表明:由于创造微重力环境较难且成本较大,限制了金属燃烧固有属性及弱效应对其影响的研究。建议从微重力试验条件、弱效应对金属燃烧行为的影响、微重力下传热传质变化对燃烧化学反应的微观影响机理方面进一步研究。