丁小雨,金 星,張 鵬
(裝備學院激光推進及其應(yīng)用國家重點實驗室,北京 101416)
含硼富燃料推進劑是一種重要的高能推進劑,主要用于固體火箭沖壓發(fā)動機。高能含硼富燃料推進劑熱值一般大于30MJ/kg、理論比沖可達到10kN·s/kg,能夠顯著提高固體火箭沖壓發(fā)動機性能[1]。含硼富燃料推進劑在固體火箭沖壓發(fā)動機內(nèi)的燃燒主要分為一次燃燒和二次燃燒兩個階段[2-3],其中,一次燃燒產(chǎn)物對二次燃燒效率具有重要影響。因此,研究含硼富燃料推進劑一次燃燒具有重要的意義。針對硼的點火燃燒以及含硼富燃料推進劑燃燒等方面,國內(nèi)外學者都做了大量的實驗研究[4-8]。Foelsche等[9]研究了高溫高壓環(huán)境下壓強、溫度等對晶體硼顆粒點火和燃燒特性的影響。結(jié)果表明,隨著壓強的升高,硼顆粒的點火延遲時間和燃燒時間均縮短;環(huán)境壓強恒定情況下,環(huán)境溫度升高,點火延遲時間和燃燒時間明顯縮短。Pein等[10]采用濕法化學分析法研究了燃料組分對硼燃燒效率的影響,結(jié)果表明,燃料中硼的質(zhì)量分數(shù)達到20%時,燃燒效率最大。王英紅等[11]研究表明,AP包覆硼能夠提高含硼富燃料推進劑的低壓燃速和壓強指數(shù),同時可以改善燃燒產(chǎn)物的分散性。
含硼富燃料推進劑一次燃燒過程十分復雜,包含很多化學反應(yīng)。通過熱力學計算研究[12-13]能夠?qū)鸶蝗剂贤七M劑的實驗和機理性研究提供一定的理論依據(jù)。本研究根據(jù)熱力學中吉布斯最小自由能法,探討了壓強對含硼富燃料推進劑一次燃燒產(chǎn)物組分的影響。通過實驗測得4個壓強下的燃燒溫度,以此作為熱力學計算的燃燒溫度,并對燃燒后的產(chǎn)物進行收集,利用掃描電鏡分析不同壓強下一次燃燒產(chǎn)物的形貌特征,為含硼富燃料推進劑的實際應(yīng)用提供參考。
固體火箭沖壓發(fā)動機燃氣發(fā)生器一次燃燒經(jīng)歷了推進劑燃燒和燃燒產(chǎn)物經(jīng)過噴管膨脹兩個過程,其實際工作非常復雜,包含燃燒產(chǎn)物分布不均勻、存在熱損失無法保證等壓絕熱燃燒以及膨脹過程中的兩相流損失等。因此,對推進劑燃燒的熱力學計算一般采用如下假設(shè)[14]:
(1)固體推進劑一次燃燒過程為絕熱燃燒,燃燒所釋放的熱量全部由燃燒產(chǎn)物所吸收;
(2)固體推進劑燃燒產(chǎn)物處于化學平衡狀態(tài);
(3)燃燒產(chǎn)物中每種單質(zhì)氣體以及相關(guān)的混合氣體符合氣體狀態(tài)方程。
HSC Chemistry軟件由Outokumpu Technology研發(fā),Chemistry 6.0擁有20 000多種化學物質(zhì)、21種計算模型和11個數(shù)據(jù)庫,能夠用于計算化學反應(yīng)方程、熱力平衡、熱傳導等。本研究通過HSC Chemistry軟件的平衡組分模塊來完成含硼富燃料推進劑一次燃燒產(chǎn)物的計算,該模塊主要利用吉布斯最小自由能法。
含硼富燃料推進劑一次燃燒的熱力學計算遵守質(zhì)量守恒方程、化學平衡方程和能量守恒方程[15]。
1.2.1 質(zhì)量守恒方程
質(zhì)量守恒定律表明:在固體推進劑燃燒前后,1kg推進劑中含有各元素的原子摩爾數(shù),應(yīng)等于1kg燃燒產(chǎn)物中所有組分內(nèi)含有各相應(yīng)元素的原子摩爾數(shù)的總和,其通式可寫為
式中:k表示固體推進劑中含有的不同元素的編號;Nk為1kg固體推進劑中含有第k元素的原子摩爾數(shù),即當k不同時,它分別代表 NC、NH、NO、NN…的值;nj為1kg燃燒產(chǎn)物中含有編號為j的組分的摩爾數(shù);Akj為1mol的j組分中含有k元素的原子數(shù)。
1.2.2 化學平衡方程
當化學反應(yīng)處于熱力學平衡狀態(tài)時,該系統(tǒng)處于力學平衡、熱平衡和化學平衡。其中,化學平衡是整個燃燒系統(tǒng)內(nèi)需要重點考慮的因素。根據(jù)熱力學理論及吉布斯自由能定義可以推導出等溫、等壓條件下系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)的判據(jù)[15],即
本研究利用吉布斯最小自由能來求解化學平衡狀態(tài)下推進劑燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量,需要說明的是,求解過程中需要給定壓強和燃燒溫度,其具體計算過程可參見文獻[14]。
1.2.3 能量守恒方程
假定燃燒室內(nèi)處于絕熱狀態(tài),即燃燒室與外界沒有熱量交換。因此,從能量角度來說,固體推進劑燃燒產(chǎn)物的總焓應(yīng)該等于固體推進劑的總焓。即
式中:I~m為1kg燃燒產(chǎn)物的總焓,kJ/kg;Ip為1kg推進劑的總焓,kJ/kg。
含硼富燃料推進劑燃燒溫度測試系統(tǒng)主要由氣源、燃燒室臺架、點火電源和數(shù)據(jù)采集計算機等組成,如圖1所示。
圖1 含硼富燃料推進劑燃燒溫度測試系統(tǒng)Fig.1 The system for measuring the combustion temperature of boron-based fuel-rich propellant
含硼富燃料推進劑配方(質(zhì)量分數(shù))為:HTPB30%;硼33%;鋁+鎂5%;氧化劑32%。其理論質(zhì)量熱值大于34MJ/kg。
FEI公司Quanta 600F型場發(fā)射掃描電鏡。
通過擬合實驗采集的數(shù)據(jù)得到壓強為0.2MPa下含硼富燃料推進劑的一次燃燒溫度曲線,結(jié)果如圖2所示。
圖2 0.2MPa下含硼富燃料推進劑一次燃燒溫度測試曲線Fig.2 The test curve of the primary combustion temperature for boron-based fuel-rich propellant under 0.2MPa
由圖2可知,含硼富燃料推進劑從點火到燃燒結(jié)束所消耗的時間小于2s,13.8~14.38s是推進劑燃燒溫度急劇上升的階段,此時正是藥條燃燒至熱電偶的位置,在14.38s處燃燒溫度達到最高,按照燃燒溫度的定義,取最高點1 556.49℃作為0.2MPa下的一次燃燒溫度,每個壓強測試3次,取平均值作為該壓強下的燃燒溫度。測得壓強分別為0.2、0.4、1.4、3.1MPa下燃燒溫度分別為1 531.17、1 602.72、1 849.76、2 057.00℃。
根據(jù)4個壓強下燃燒溫度測試結(jié)果,利用吉布斯最小自由能法計算含硼富燃料推進劑一次燃燒產(chǎn)物,結(jié)果如圖3所示,為了簡化計算,選取占平衡組分總質(zhì)量99%的質(zhì)量較大的產(chǎn)物作為最終一次燃燒產(chǎn)物。
圖3 含硼富燃料推進劑的一次燃燒產(chǎn)物Fig.3 The primary combustion products of boron-based fuel-rich propellant under four pressures
由圖3可知,含硼富燃料推進劑的一次燃燒為貧氧燃燒,燃燒產(chǎn)物中包含不完全燃燒的單質(zhì)硼以及含硼化合物,主要以 B2O3、B4C、BN、B、B2O2(g)和HBO(g)的形式存在。壓強較低時(0.2MPa、0.4MPa),產(chǎn)物中單質(zhì)硼和B4C含量較高,硼的反應(yīng)率較低;隨著燃燒壓強的升高,產(chǎn)物中單質(zhì)硼和B4C的含量大幅降低,B2O3含量增加,當壓強達到3.1MPa時,B4C含量基本為0,而B2O3含量達到最高值,由于BN性質(zhì)穩(wěn)定,其含量隨壓強基本不變。由于B2O3和B4C的質(zhì)量生成熱分別為18.37kJ/g、對于固沖發(fā)動機的一次燃燒來說,生成更多的B2O3有利于推進劑熱量的釋放,因此壓強升高有助于提高硼的反應(yīng)率和硼燃燒的熱量釋放。
此外,氣體燃燒產(chǎn)物中CO(g)含量較高,隨壓強的升高,其含量不斷增加,這是由于壓強的升高降低了B4C含量,而產(chǎn)物中單質(zhì)C沒有明顯的變化,這樣導致多余的C與O反應(yīng)產(chǎn)生更多的CO(g)。B2O2(g)、HBO(g)和 MgCl2(g)含量隨壓強的升高都有相應(yīng)程度的增加。HCl(g)含量則隨壓強升高而下降,H2(g)含量則保持穩(wěn)定。此外,含硼富燃料推進劑中加入的Mg和Al在產(chǎn)物中主要以MgCl2(g)、MgO和Al2O3的形式存在,產(chǎn)物中還存在少量的Fe單質(zhì)。
利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察含硼富燃料推進劑一次燃燒產(chǎn)物凝聚相產(chǎn)物的形貌特征,主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面特征形態(tài),能夠有效表征樣品的表面形貌。
一次燃燒凝聚相產(chǎn)物的粒度對含硼富燃料推進劑的二次燃燒非常重要,因為在其他條件相同的情況下,固體燃料的燃燒時間隨粒度的增大而增加,因此大的燃料粒度對燃燒效率的提高較為不利。圖4為一次燃燒凝聚相產(chǎn)物的SEM圖。
圖4 含硼富燃料推進劑一次燃燒凝聚相產(chǎn)物SEM圖Fig.4 SEM images of the primary combustion condensed phase products of boron-based fuel-rich propellant
由圖4可知,燃燒壓強較低時(0.2和0.4MPa),凝聚相產(chǎn)物平均粒度較大,分散性較差,表面有很多片狀物和團聚的塊狀物,不利于一次燃燒凝聚相產(chǎn)物在補燃室中充分燃燒。當壓強升至1.4MPa,凝聚相產(chǎn)物平均粒度呈明顯的下降趨勢,局部存在團聚的塊狀物,當壓強升至3.1MPa,凝聚相產(chǎn)物平均粒度進一步減小,且分散性較好,更有利于補燃室的二次燃燒。
(1)含硼富燃料推進劑中一次燃燒產(chǎn)物含硼物質(zhì)主要以B2O3、B4C、BN、B、B2O2(g)和 HBO(g)的形式存在。
(2)壓強升高有助于提高含硼富燃料推進劑中硼的反應(yīng)率和燃燒熱量的釋放;氣體燃燒產(chǎn)物中CO(g)、B2O2(g)、HBO(g)和 MgCl2(g)含量隨壓強的升高而增加。HCl(g)含量則隨壓強升高而降低,H2(g)含量保持穩(wěn)定。
(3)不同燃燒壓強下凝聚相產(chǎn)物粒子形貌相差較大,低壓下的粒子平均粒度較大,分散性較差,表面有很多片狀物和團聚的塊狀物,不利于凝聚相產(chǎn)物在補燃室的燃燒;隨著燃燒壓強的升高,凝聚相產(chǎn)物平均粒度呈明顯的下降趨勢。
[1] 張瓊方,曹付齊,孫振華.含硼富燃料推進劑燃燒性能的研究進展[J].含能材料,2007,15(4):436-440.ZhANG Qiong-fang,CAO Fu-qi,SUN Zhen-h(huán)ua.Progress in combustion characteristics of boron-based fuel-rich propellant[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2007,15(4):436-440.
[2] 鮑福廷,黃熙君,張振鵬,等.固體火箭沖壓組合發(fā)動機[M].北京:中國宇航出版社,2006.
[3] Adela B Y,Natan B,Gany A.Investigation of a solid fuel scramjet combustor[J].Journal of Propulsion and Power,1998,14(4):447-455.
[4] Yeh C L,Kuo K K.Ignition and combustion of boron particles [J].Progress Energy and Combustion Science,1996,22:511-541.
[5] Takaki Odawara,Mitsuaki Tanabe,Takauo Kuwahara.Ignition characteristics of boron particles in ducted rockets[C]∥ 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit.Tucson:[s.n.],2005.
[6] Mellor A M.Particulate matter in the exhaust of a boron-loaded solid propellant [J].AIAA Journal,1971,9(10):1944-7.
[7] Liu T K,Shyu I M and Hsia Y S.Effect of fluorinaled graphite on combustion of boronand boron-based fuelrich propellants[J].Journal of Propulsion and Power,1996,12(1):26-33.
[8] 邢曦,李疏芬.減少含硼推進劑殘渣中氮化硼含量的研究[J].固體火箭技術(shù),2003,26(1):51-54.XING Xi,LI Shu-fen.Reduction of BN fraction in the residue of boron-containing propellants[J].Journal of Solid Rocket Technology,2003,26(1):51-54.
[9] Foelsche R O,Burton R L,Herman K.Boron particle ignition and combustion at 30-150atm [J].Combustion and Flame,1999,117(1):32-58.
[10]Pein R,Vinnemeier F.Swirl and fuel composition effects on boron combustion in solid-fuel ramjets[J].Journal of Propulsion and Power,1992,8(3):609-614.
[11]王英紅,李葆萱,李進賢,等.含硼富燃料推進劑機理研究[J].推進技術(shù),2005,26(2):178-183.WANG Ying-h(huán)ong,LI Bao-xuan,LI Jin-xian.Investigation on combustion mechanism of fuel-rich propellant based on boron [J].Journal of Propulsion Technology,2005,26(2):178-183.
[12]席劍飛,劉建忠,楊衛(wèi)娟,等.硼在氧化性氣氛中燃燒的熱力學分析[J].固體火箭技術(shù),2012,35(1):73-78.XI Jian-fei,LIU Jian-zhong,YANG Wei-juan,et al.Thermomechanical analysis of boron particle combustion in oxidizing atmospheres [J].Journal of Solid Rocket Technology,2012,35(1):73-78.
[13]龐維強,樊學忠,胥會祥.含團聚硼富燃料推進劑的能量特性及燃燒性能[J].火炸藥學報,2012,35(2):62-65.PANG Wei-qiang,F(xiàn)AN Xue-zhong,XU Hui-xiang.Energy and combustion characteristics of fuel-rich propellant with agglomerated boron particles[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2012,35(2):62-65.
[14]唐金蘭,劉佩進,胡松啟等.固體火箭發(fā)動機原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013.
[15]李宜敏,張中欽,張遠君.固體火箭發(fā)動機原理[M].北京:北京航空航天大學出版社,1991.
[16]Brown R C.Kinetic modeling and sensitivity analysis for B/H/O/C/F combination systems [J].Combustion and Fame,1995,101:221-238.
[17]田德余,劉劍洪.化學推進劑計算能量學[M].鄭州:河南科學技術(shù)出版社,1999.
[18]Pein R,Ciezki H K,Eicke A.Instrumental diagnostics of solid fuel ramjet combustor reaction products containing boron[C]∥31st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit.San Diego:[s.n.],1995.