含硼固体推进剂燃烧残渣中三氧化二硼和碳含量测定及燃烧机理研究

为了研究含硼富燃料固体推进剂燃烧机理,对3种配方的不同批次含硼富燃料固体推进剂在不同压强的燃速进行了测试,利用化学分析法对其燃烧残渣中B2O3和C含量也进行了测定。结果表明,硼粒子表面的B2O3延缓了硼粒子的进一步燃烧,因此残渣中B2O3含量较低;随着氮气压强增高,残渣中B2O3含量降低,而C含量、B2O3与C总含量升高;随着推进剂配方中镁含量增高,残渣中B2O3含量降低,C含量先升后降,B2O3和C总含量则降低。

功能组分对含硼富燃固体推进剂药浆流变特性的影响

为改善含硼富燃固体推进剂的贮存、能量和燃烧特性 ,必须加入某些功能组分。对加入这些功能组分后的药浆工艺性能即流变性作了研究。利用 HAAKE旋转粘度仪的 SV2 /SV2 FL测量系统 ,研究了加入防老剂 H、Mg/Al粉和调节 AP级配对药浆流变特性参数——表观粘度ηa、屈服值τy 的影响。结果表明 ,加入和调节这些组分后 ,药浆的ηa 和τy 都随时间有所增加。但只要把这些组分的添加量限制在一定范围内 ,药浆仍能满足浇铸要求。

减少含硼推进剂残渣中氮化硼含量的研究

针对含硼推进剂燃烧残渣中存在较多氮化硼(BN)问题,采用氧弹法进行硼点火的模拟实验,并用热分析、X射线转靶衍射和元素分析等方法研究了BN的来源及其生成量与空气压强、包覆剂的关系。结果发现BN中氮元素主要来源于空气中氮气,其生成量随空气压强的上升而增加,并与包覆剂的含氧量有关。提出了抑制BN生成的有效途径。

镁铝金属粉对含硼富燃推进剂燃烧性能及硼氧化效率的影响

为了确定镁铝金属粉对含硼富燃推进剂燃烧性能和硼氧化效率的影响,用靶线法测定三种配方含硼富燃推进剂在0.5,1.0,1.5 MPa三种压力条件下的燃速,采集相应的燃烧残渣,用化学分析法测定了三氧化二硼(B2O3)和总硼(B)含量,计算出硼的氧化效率。实验结果表明,镁粉含量对推进剂燃烧性能有明显影响。推进剂中B的含量为30%,并固定其他组分,金属粉含量为6%,改变镁粉和铝粉比例,镁粉0%,3%,6%,相应铝粉为6%,3%,0%。当镁粉含量较高时,推进剂燃速较高,压力指数也较高;镁粉含量低时,燃烧残渣中B2O3含量较高,而镁粉含量高时,燃烧残渣中B2O3含量较低;且随着压力的增高,残渣中B2O3的含量降低;硼的氧化效率随镁含量的增高和压力升高而降低。镁粉可抑制硼的氧化反应,使硼氧化效率降低,提高推进剂燃速和压力指数。

固体火箭超燃冲压发动机硼基贫氧推进剂配方优选试验研究

针对固体火箭超燃冲压发动机中高焓多相超音速燃烧组织难题,通过改进含硼固体贫氧推进剂配方,为硼颗粒的点火燃烧提供良好的微环境,以进一步缩短硼颗粒的点火延迟时间,开展了三种推进剂配方的直连试验研究。试验结果表明,在5~10μm粒径的基础上,进一步降低硼颗粒粒径至1~2μm,使颗粒的随流性增强,并使得掺混均匀度降低,抵消了硼颗粒粒径减小带来的燃烧性能优化作用;提高一次燃烧效率,使得一次燃气温度提升,硼颗粒的点火燃烧微环境得到改善,显著提高了一次燃气的超音速补燃效率。在试验工况下,硼颗粒的燃烧效率由基础配方的61.2%提高至83%,计算得到的发动机名义比冲由6016 N·s/kg提高至7996 N·s/kg,使其超音速燃烧性能得到了显著提高。

硼粉的包覆及含包覆硼推进剂燃烧残渣成分分析

采用多种包覆剂对硼粉颗粒表面进行包覆,利用透射电镜、酸度计研究各种包覆剂对包覆硼粉的影响,采用化学分析法对含包覆硼推进剂的燃烧残渣成分进行了分析。结果表明,经包覆剂包覆后,在硼粉的表面形成了一层包覆层;包覆后硼粉加水悬浊液体系的pH值明显增大,并适合于含硼富燃料推进剂的制药工艺;包覆后硼粉的燃烧效率明显提高。

涡轮增压固体冲压发动机补燃室燃烧数值模拟研究

提出了涡轮增压固体冲压发动机补燃室三股气流燃烧数值模拟的方法。分别采用Standard k-ε、k-εRNG、k-ωSST湍流模型,结合三维N-S方程、颗粒轨道模型、King硼粒子点火模型、硼粒子燃烧模型建立TSPR发动机补燃室三维两相流动燃烧模型。首先,利用本文模型进行冷流掺混分析,确定了试验发动机构型并进行燃烧试验,三股气流形成了稳定燃烧;然后,将数值计算得到的补燃室压强、特征速度、燃烧效率与实验结果进行对比分析,并进行了计算模型可信性分析;文中综合湍流模型对TSPR补燃室燃烧情况模拟的影响,得出硼颗粒模型是进一步提高含硼三股气流模拟精度的主要原因。说明本文采用的模型以及与之相匹配使用的方法适用于TSPR发动机补燃室燃烧情况的分析。采用本文补燃室结构进行试验,有无硼成分的试验燃烧效率分别达到82.1%和88.8%,数值模拟结果显示,还应进一步改进补燃室结构,以降低总压损失,促进补燃室壁面附近的空气参与燃烧,并提高硼粒子燃烧效率。

带凹腔火焰稳定器的固体火箭超燃冲压发动机燃烧室试验研究

以含硼贫氧固体推进剂为燃料,对带凹腔火焰稳定器的固体火箭超燃冲压发动机燃烧室构型首次开展了地面直连试验研究。试验模拟了23km,5.5Ma的飞行工况,通过测量压强、推力和流量等参数,得出了燃烧室性能。试验结果表明:一次富燃燃气在燃气发生器喉部沉积导致燃气流量持续提高,试验过程中当量比由0.44逐渐增加至0.54;本文所研究的凹腔稳焰结构提高了富燃燃气中气相可燃组分的燃烧效率,但对于凝相颗粒燃烧的促进效果不明显;试验工况下发动机总燃烧效率约48%,高空比冲约为423s,高于文献中所报道的中心支板喷射稳焰的固体火箭超燃冲压发动机试验比冲性能。

固体火箭超燃冲压发动机燃烧试验研究

针对采用含硼固体贫氧推进剂的固体火箭超燃冲压发动机中凝相颗粒超音速燃烧组织难题,建立了模块化燃烧性能试验平台,超音速燃烧室入口马赫数为2.65,入口有一后向台阶,高温富燃燃气从后向台阶后喷注进入燃烧室,通过开展不同一次燃气喷注位置、喷注结构等参数下的地面直连试验研究,获得了不同燃气喷注位置和燃气喷注参数对掺混燃烧的影响规律。试验结果表明,采用含硼固体贫氧推进剂的固体火箭超燃冲压发动机实现了可靠稳定燃烧,通过增大后向台阶形成的掺混燃烧回流区和提高燃气掺混均匀度,可提高发动机掺混燃烧性能,最优试验工况下,燃烧室总压损失为72.7%,燃烧效率为0.793,燃烧室推力增益为459 N,计算得到的发动机比冲为7301 N·s/kg。

硼复合粒子的制备及其性能表征

通过溶剂蒸发、相转移、溶剂/非溶剂等方法,用LiF、AP、纳米铝粉三种物质包覆硼微粒,制得不同的硼复合粒子及推进剂试验样。采用IR、SEM、DTA、TG等手段对复合粒子性能进行了表征。结果表明,硼复合粒子的表面状况有了一定的改善,硼复合粒子与AP混合物的表观分解热从-19.7J·g-1增加到1799.1J·g-1,热失重从52%提高到69.02%;相对于纯硼粉的推进剂,硼复合粒子的推进剂的表观分解热最高提高了12.6%。

镁硼复合粉点火燃烧性能研究

通过热分析仪、氧弹量热仪和激光点火试验台对高纯硼粉、镁硼混合粉和镁硼复合粉点火燃烧性能进行了研究。热分析结果表明镁对硼的复合改性可以提高硼的氧化程度以及降低硼的氧化反应温度;氧弹量热测试结果表明镁对硼的复合改性可以提高硼的燃烧效率;激光点火试验台结果表明镁对硼的复合改性可以显著改善硼的点火性能。

超细硼粉的3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷-四氢呋喃共聚醚包覆研究

采用直接反应及溶剂蒸发法,用PBT对硼粉进行了表面包覆。并通过透射电镜、精密酸度计、旋转粘度计等仪器对包覆效果进行了分析表征。由X光电子能谱和透射电镜图可以看出,经PBT包覆后,在硼粉的表面明显包覆了一层高分子化合物PBT,且包覆效果较好。酸度和粘度分析的结果表明,经PBT包覆后硼粉加水悬浊液体系的pH值明显增大,并有效的降低了HTPB体系的粘度。燃烧残渣分析结果表明,经包覆后的B的燃烧效率明显提高,残渣中B2O3和B的摩尔比由包覆前的122.7增加到18.51。

无定形硼粉的溶剂法提纯

为改善无定形硼粉和HTPB黏合剂体系的流变性能,用乙醇、蒸馏水对无定形硼粉进行了提纯处理,通过X射线荧光光谱仪、酸度计、HAAKE流变仪、X射线电子能谱仪分别表征了提纯处理后硼粉的表面性能。结果表明,硼粉的提纯处理使硼元素含量小幅度增加,硼粉表面酸性降低,B/HTPB混合物的屈服值和表观黏度增长减缓。对不同纯度的硼粉进行了XPS分析,结果表明,在硼粉表面结合能为189 eV处存在一种硼的化合物,可能是由部分B2O3和H3BO3杂质与单质硼形成的某种缔合态的BXO化合物,使B2O3和H3BO3不能完全被溶解、驱除。提纯残留物分析说明,两种溶剂提纯均有利于去除硼粉表面的H3BO3杂质,同时,蒸馏水能提纯少量的B2O3杂质。提纯作为B粉包覆的预处理具有一定的作用。

硼粉中和改性对B/HTPB混合物流变性能影响研究

为减少硼粉表面的B2O3、H3BO3酸性杂质,无定形硼粉分别用氨水气相(B-1)、氨水液相(B-2)和NaOH溶液(B-3)进行了中和处理。通过HAAKE流变仪研究了中和硼粉B-1、B-2和B-3与HTPB混合物的流变特性,结果表明,随混合时间增加,B-1/HTPB混合物的表观黏度和屈服值增加快,B-2/HTPB混合物增加缓慢,B-3/HTPB混合物几乎不变。通过酸度、TG、IR、XRD等测试探讨了三种中和处理硼粉的机理,结果表明,B-1/HTPB流变性能的改善是由于硼粉表面物理吸附了NH3,其可能隔绝了H3BO3与HTPB的反应,而在混合过程NH3的脱附使B-1/HTPB混合物凝胶,流变性能变差,B-2/HTPB混合物流变性能的改善可能由于硼粉表面酸性H3BO3杂质与氨水生成了少量水溶性化合物,B-3/HTPB混合物良好的流变性能是由于NaOH溶液中和处理硼粉过程生成了水溶性的NaBO2,使硼粉表面的H3BO3杂质含量降低。