石蜡燃料的燃烧性能与其化学组成的关系

为了研究石蜡的燃烧性能与其化学组成之间的关系,针对54~#、58~#、62~#和66~#4种粗晶石蜡开展了气相色谱分析,并测试了4种石蜡的燃烧热和在氧气流中的瞬时退移速率,同时利用N ASA-C EA软件计算了4种石蜡燃料不同氧燃比下的能量特性。结果表明:54~#、58~#、62~#和66~#4种粗晶石蜡的平均分子式分别为C_(26.40)H_(54.80)、C_(27.59)H_(57.18)、C_(28.02)H_(58.04)和C_(32.11)H_(66.22),正构烷烃含量分别为92.79%、89.44%、88.36%和84.55%;平均碳数n越大、正构烷烃含量越小的石蜡其燃烧热越低;随着平均碳数n值的增大以及正构烷烃含量的降低,石蜡的退移速率降低。NASA-CEA程序计算得到4种石蜡的能量特性受其化学组成的影响很小,其最佳氧燃比均为2.7,对应的理论比冲约为354 s,绝热火焰温度约为3600 K。

固液混合推进石蜡燃料的性质及燃烧性能研究

石蜡燃料具有高退移速率和低成本的特性,是理想的固液混合推进剂燃料。为了研究不同石蜡燃料的性质对燃烧性能的影响规律,针对54#,58#,62#和66#4种粗晶石蜡和58#,60#,70#和90#4种微晶石蜡开展了粘度分析和TG-DSC热分析,并利用高速摄影法测试了8种石蜡在氧气流中的燃烧性能。研究结果表明:8种石蜡燃料的退移速率与氧气质量密流之间均满足幂函数关系,幂函数系数分别为0.0521±0.0012,0.0479±0.0008,0.0444±0.0010,0.0394±0.0007,0.0459±0.0009,0.0411±0.0008,0.0385±0.0011和0.0247±0.0007。石蜡的燃烧特性受粘度和熔点的影响很大,熔点越高,其退移速率越低;石蜡熔化液体的粘度越低,其退移速率越高。8种石蜡燃料的平均退移速率分别比HTPB燃料的退移速率高196%,171%,159%,141%,156%,146%,125%和48%。

含石蜡燃料的能量特性和退移速率测试

含石蜡燃料是固液混合火箭发动机的理想能源,采用最小自由能法在富氧、富燃和最佳氧燃比条件下对组分含量不同的含石蜡燃料和端羟基聚丁二烯（HTPB）燃料进行能量特性计算,利用固气矩形混合发动机测试含石蜡燃料和HTPB燃料的退移速率.能量特性计算结果表明：在相同组分配方下,加入AP使燃料中含氧量增多、最佳氧燃比和比冲降低,加入Al能提高燃烧室温度和密度比冲;在相同氧燃比下,含石蜡燃料和HTPB燃料的比冲基本相同.退移速率实验结果表明：在氧气质量流率从25 g·s^-1增加到40g·s^-1时,石蜡燃料的退移速率从0.79 mm·s^-1增加到1.11 mm·s^-1,HTPB燃料的退移速率从0.47 mm·s^-1增加到0.68 mm·s^-1;石蜡燃料的退移速率约为普通HTPB燃料的1.58 ～1.74倍.

含石蜡燃料热分解特性研究

采用差示扫描量热法(DSC)和热重法(TGA)对HTPB燃料、石蜡及含石蜡燃料的热分解过程进行了分析。研究了石蜡含量、碳粉含量和不同升温速率对含石蜡燃料热分解过程的影响。实验结果表明:石蜡热分解过程可以分为低温分解阶段和高温分解阶段。含石蜡燃料的热分解主要分为四个阶段;随着石蜡含量的增加,样品的初始分解反应放热峰温和第三反应放热峰温不断提前,放热量不断增大,而对其第二分解放热峰和镁粉氧化放热峰基本无影响;随着升温速率的增大,含石蜡燃料各分解反应的放热峰温不断提高,第二、第三分解反应的放热量增大;计算出了4#含石蜡燃料的第一、第二、第三热分解反应的活化能E和指前因子A。

含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率研究

为了提高含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率,从推进剂的燃烧热值定义出发推导了燃烧效率表达式,并通过地面试车实验和热力学计算研究了催化剂、氧化剂喷注方式、后燃室容积对燃烧效率的影响。结果表明:推进剂的燃烧效率变化趋势可由特征速度效率表示,但更为精确的燃烧效率表达式应为特征速度效率的平方;燃料中添加卡托辛、亚铬酸铜和硬脂酸钴可使燃烧效率分别提高32.8%,43.3%和52.0%;相比涡轮转子和螺旋喷注器,离心式喷注器的旋流效果更好,可促进燃料与氧化剂掺混,从而更有利于提高含石蜡燃料的退移速率和燃烧效率;增加后燃室长度可提高燃烧效率,但较长的后燃室散热损失和流动损失较高从而导致比冲较低,当后燃室长度为80mm时,燃烧效率可达89.3%,因此得出了三种有效提高含石蜡燃料燃烧效率的方法。

3D打印骨架增强石蜡燃料燃烧机理实验研究

针对固-液混合火箭发动机中石蜡基固体燃料机械性能差的问题,使用3D打印聚合物骨架镶嵌石蜡的方法增强了石蜡基燃料的结构强度,分析了骨架增强石蜡燃料在直/旋流喷注下的燃烧机理。通过对七种骨架材料进行SEM扫描、力学、热力学分析和纯氧条件下的燃烧试验,获得了不同骨架材料的微观表面结构、机械性能、热分解性能以及在纯氧环境下的燃烧性能;使用直/旋流固-气掺混燃烧试验系统,开展了螺旋型和六角型骨架增强石蜡燃料的燃烧试验,并与ABS固体燃料进行了对比。结果显示,在多种骨架材料中,ABS材料加工性能、机械性能及热分解性能良好;燃烧过程中,骨架增强石蜡燃料结构稳定性良好,石蜡液滴主要出现在石蜡-骨架交界处;旋流喷注和螺旋型骨架可促进石蜡液滴的夹带现象;在直流喷注工况中,骨架的凹槽结构增加了燃料与氧化剂的接触面积,尾部骨架结构具有稳焰作用,可促进后燃烧室的掺混燃烧;石蜡燃料和骨架燃速差异较大,发动机内弹道性能可能受此影响。

喷注方式和骨架结构对骨架增强石蜡燃料燃烧影响的数值分析

针对聚合物骨架镶嵌石蜡固体燃料在固-液混合火箭发动机中的燃烧问题,开展螺旋型和六角型骨架增强石蜡燃料在直/旋流喷注固-气掺混燃烧器中的燃烧试验,利用CFD软件对燃烧过程进行数值仿真研究。对四种工况燃烧过程进行比较,分析骨架结构和喷注方式对燃烧室内燃烧的影响。结果表明:骨架材料和石蜡基燃料退移速率差异较大,随着燃烧进行骨架结构逐渐凸显。湍流强度和燃料质量流量共同影响燃烧室温度,燃烧室温度随着燃烧进行呈波动下降趋势。旋流喷注工况的燃烧室温度高于直流喷注工况,燃烧室头部存在高温区,轴向温度分布较直流喷注更加均匀,而直流喷注中燃烧室中段存在温度激增。在直流喷注条件下,相较于六角型骨架,螺旋型骨架更能提高燃烧室湍流强度。在旋流喷注条件下,氧化剂旋流强度对湍流强度提升起主导作用,骨架结构影响较小。

一种新型固体火箭发动机燃料——石蜡基燃料

综述了用于固液混合发动机用的一种新型固体火箭燃料——石蜡基燃料的研究状况,总结了部分具有代表性的研究成果,分析了石蜡基燃料在混合火箭发动机的应用中可能存在的问题。认为石蜡基燃料将是未来固液混合火箭发动机应用中很有发展潜力的一种固体燃料。

石蜡/HTPB燃料的力学性能

为了研究端羟基聚丁二烯(HTPB)体系质量分数以及温度对石蜡/HTPB燃料力学性能的影响,制备了7种不同配方石蜡/HTPB拉伸试件,并使用万能材料试验机以10 mm·min^(-1)拉伸速率进行了单轴拉伸实验,分析了燃料的最大抗拉强度、断裂伸长率和初始弹性模量变化规律。结果表明,随着HTPB体系质量分数增加,燃料的断裂伸长率增大,而最大抗拉强度和初始弹性模量皆减小;当环境温度较高(接近石蜡熔点58℃)时,燃料的最大抗拉强度和初始弹性模量皆随着HTPB质量分数增加而增大;燃料的最大抗拉强度随温度降低而逐渐增大,其中当温度由20℃降低至-40℃时,H20燃料最大抗拉强度由1.189 MPa升高至2.150 MPa;以HTPB体系为基体、石蜡为填料的石蜡/HTPB燃料,在其基体与填料的界面上存在相互阻滞作用力,可提高燃料的力学性能。

石蜡基燃料固液混合发动机燃面退移过程预示方法

与传统固液混合发动机燃料相比,石蜡基燃料的液滴“夹带”机制对固液混合发动机燃料表面的“阻滞”效应存在缓解作用,有效提高了燃面退移速率。通过引入吹风系数加权因子表征了该缓解作用,建立了石蜡基燃料燃面退移过程预示方法,为阐述石蜡基燃料的燃面退移过程提供了理论基础。结果表明,当吹风系数加权因子n=0.4时,该方法的预示结果与实际测量值最为接近;石蜡基燃料“夹带”机制可以极大提高固体燃料燃面及附面层内的吸热量,缓解了“阻滞”效应,但使得燃气向燃面的辐射换热热流减弱;随着燃面退移,固液混合发动机燃料表面的“阻滞”效应逐渐减弱,石蜡基燃料“夹带”机制对于“阻滞”效应的缓解作用,随着该效应自身的减弱也逐渐减弱。