賴華錦, 陳 雄, 周長(zhǎng)省, 相恒升

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

1 引 言

作為推進(jìn)系統(tǒng)中的動(dòng)力來(lái)源，固體推進(jìn)劑點(diǎn)火過(guò)程和燃燒性能的研究對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的性能預(yù)估具有重要指導(dǎo)意義。鋁鎂貧氧推進(jìn)劑是在復(fù)合推進(jìn)劑的基礎(chǔ)上加入了鎂鋁金屬顆粒，保證較高熱值的同時(shí)改善了點(diǎn)火和燃燒效率。由于其具有獨(dú)特的點(diǎn)火特性和燃燒特性受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。

鋁鎂貧氧推進(jìn)劑可以大幅提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用在固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，如在高海拔和高空環(huán)境中，氣壓低、空氣密度低和含氧量低等因素影響著推進(jìn)劑的點(diǎn)火和燃燒性能，如點(diǎn)火失效、燃燒火焰不穩(wěn)定等[4]，因此研究負(fù)壓環(huán)境下推進(jìn)劑的點(diǎn)火和燃燒特性很有必要。Arkhipov V A等[5]在復(fù)合推進(jìn)劑中分別添加超細(xì)鋁粉(Alex)和微米級(jí)鋁粉(ASD-4)，在負(fù)壓環(huán)境下進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，研究了鋁粉粒徑對(duì)燃速的影響，結(jié)果表明超細(xì)鋁粉能使得推進(jìn)劑燃速提高1.5倍以上。Zanotti C等[6]采用CO2脈沖激光器在負(fù)壓環(huán)境下對(duì)復(fù)合推進(jìn)劑進(jìn)行點(diǎn)火，測(cè)量其點(diǎn)火延遲時(shí)間和點(diǎn)火溫度，并利用多普勒激光測(cè)速技術(shù)(LDV)測(cè)量了推進(jìn)劑表面分解氣體的逸出速度。Harayama M等[7]研究了鋁鎂貧氧推進(jìn)劑在低于大氣壓條件下的自持點(diǎn)火和非自持點(diǎn)火和現(xiàn)象。Kakami A[8]等研究了高氯酸銨/端羥基聚丁二烯(AP/HTPB)推進(jìn)劑在負(fù)壓環(huán)境下的燃速特性和燃燒表面溫度，分析了熱流密度和環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)推進(jìn)劑燃速和燃燒表面熱平衡的影響。以上研究多集中于復(fù)合推進(jìn)劑點(diǎn)火和燃燒特性，然而負(fù)壓對(duì)于鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的燃燒過(guò)程和燃速的影響還鮮有報(bào)道。

基于此，本研究采用CO2激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究鋁鎂貧氧推進(jìn)劑在負(fù)壓環(huán)境下的激光點(diǎn)火過(guò)程和燃燒特性。分析了負(fù)壓對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間、燃燒過(guò)程和燃速的影響，為其在固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

鋁鎂貧氧推進(jìn)劑由西安近代化學(xué)研究所提供，ρ=1.64×103kg·m-3; 具體配方如表1所示。推進(jìn)劑加工成Φ5 mm×5 mm的圓柱形樣品，為防止側(cè)面燃燒，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，用硅橡膠將其側(cè)面包覆。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由CO2激光器、燃燒室、控制器與數(shù)據(jù)采集卡組成，其示意圖如圖1所示。激光器產(chǎn)生激光波長(zhǎng)為10.6 μm，激光光斑直徑為Φ3.5 mm; 燃燒室尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，前后有玻璃視窗; 真空泵，中科科儀RVP-6，極限壓力為4×10-2Pa; 高速攝影儀，三洋HD2000，拍攝速度為240幀/s。

表1鋁鎂貧氧推進(jìn)劑配方

Table1The formulation of Al/Mg fuel-rich propellant

componentsAPHTPBAlMgothersmassfraction/%362020204particlesdiameter/μm100～120—241)301)—

Note: 1) indicates the average particle size.

圖1激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

Fig.1Schematic of the laser ignition experimental platform

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

真空泵與燃燒室連接，放置好實(shí)驗(yàn)樣品后保持燃燒室密閉。用真空泵抽取燃燒室內(nèi)氣體，使燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的負(fù)壓環(huán)境?？刂破髡{(diào)節(jié)激光功率和激光加載時(shí)間，激光經(jīng)過(guò)光路調(diào)節(jié)模塊后垂直入射到燃燒室內(nèi)實(shí)驗(yàn)樣品上。為獲得推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間，用兩個(gè)光電二極管監(jiān)測(cè)激光出光信號(hào)和推進(jìn)劑火焰信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后經(jīng)采集卡記錄在計(jì)算機(jī)中。光電二極管響應(yīng)時(shí)間極短，所造成的點(diǎn)火延遲時(shí)間誤差可忽略不計(jì)。在推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體會(huì)造成燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)變化。為使燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)保持恒定，采集卡通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒室壓強(qiáng)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中與實(shí)驗(yàn)前設(shè)定的工作壓強(qiáng)對(duì)比，計(jì)算機(jī)計(jì)算出反饋數(shù)據(jù)到控制器中，控制器控制電磁閥的關(guān)閉控制真空泵抽氣速率，使得燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)保持恒定。使用高速攝影儀拍攝推進(jìn)劑的點(diǎn)火和燃燒過(guò)程，通過(guò)慢放錄像得到推進(jìn)劑燃燒總時(shí)間，從而計(jì)算出推進(jìn)劑線性燃速。

實(shí)驗(yàn)在常溫(25 ℃)下進(jìn)行，激光熱流密度分別為1.26,1.86 ,2.23,2.79 W·mm-2，激光加載時(shí)間為1.8 s; 燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)分別為0.01,0.02,0.04,0.06,0.08,0.1 MPa。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)工況進(jìn)行5次重復(fù)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 推進(jìn)劑點(diǎn)火燃燒過(guò)程

當(dāng)熱流密度為2.23 W·mm-2時(shí)，由高速攝影儀得到的不同壓強(qiáng)下鋁鎂貧氧推進(jìn)劑激光點(diǎn)火及燃燒過(guò)程如圖2所示。

圖2不同負(fù)壓下鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的點(diǎn)火及燃燒過(guò)程

Fig.2Ignition and combustion process of Al/Mg fuel-rich propellant at different subatmospheric pressures

以推進(jìn)劑表面出現(xiàn)初焰為零時(shí)間，描述鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的點(diǎn)火過(guò)程及火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。從圖2可看出，在點(diǎn)火形成前期，推進(jìn)劑吸收激光能量，受熱分解出熱解氣體，熱解氣體擴(kuò)散至推進(jìn)劑表面上方及四周，推進(jìn)劑表面的金屬顆粒吸收激光能量并形成火星?；鹦沁_(dá)到足夠溫度并接觸表面熱解氣體后引燃?xì)怏w，形成初始火焰。在三個(gè)不同負(fù)壓環(huán)境下形成的初始火焰形狀不盡相同。在壓強(qiáng)為0.08 MPa時(shí)，在推進(jìn)劑上方形成圓柱狀初始火焰; 在壓強(qiáng)為0.04 MPa時(shí)，在推進(jìn)劑表面形成光斑狀初始火焰; 在壓強(qiáng)為0.02 MPa時(shí)，在推進(jìn)劑上方，以推進(jìn)劑表面為邊界形成圓球狀初始火焰。

造成初始火焰形狀和明亮度的差異可能是由于環(huán)境壓強(qiáng)影響了熱解氣體的擴(kuò)散。在壓強(qiáng)為0.08 MPa時(shí)，熱解氣體由于浮力作用，還是以軸向擴(kuò)散為主，形成一個(gè)柱狀擴(kuò)散區(qū); 當(dāng)壓強(qiáng)降低到0.04 MPa時(shí)，由于推進(jìn)劑四周空氣稀薄，浮力作用減弱，使得軸向擴(kuò)散減少，熱解氣體在析出推進(jìn)劑表面后在上方區(qū)域進(jìn)行無(wú)規(guī)則擴(kuò)散，隨著壓強(qiáng)的繼續(xù)降低(0.02 MPa)，這種無(wú)規(guī)則擴(kuò)散效應(yīng)越來(lái)越明顯。這與南寶江等[9]的結(jié)論吻合。在初焰形成后，推進(jìn)劑燃燒劇烈會(huì)形成刺眼的光，通過(guò)在高速攝影儀鏡頭前放置一塊減光片，可以更清晰地觀察火焰的形狀，也可看出壓強(qiáng)越低，火焰形狀呈更明顯的擴(kuò)散狀。

在1570 ms時(shí)，壓強(qiáng)為0.08 MPa的環(huán)境下火焰更為粗壯，且更為明亮; 而在壓強(qiáng)為0.04 MPa和0.02 MPa的環(huán)境下火焰更晦暗且上半部分?jǐn)[動(dòng)劇烈，比較紊亂。造成這種現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)壓強(qiáng)較大時(shí)，相應(yīng)的氧氣含量更多，使得燃燒更充分，火焰更為明亮粗壯; 壓強(qiáng)較低時(shí)，氧氣含量相對(duì)較少，使得火焰較為晦暗，且空氣較稀薄，容易造成火焰擺動(dòng)紊亂。

3432 ms以后，可以明顯看到火焰會(huì)出現(xiàn)分離現(xiàn)象，形成多股火焰形態(tài)，呈V字形。這是由于鋁鎂貧氧推進(jìn)劑火焰模型與含黑索今的改性雙基推進(jìn)劑(RDX-CMDB)類似，屬于發(fā)散模型[10]。這種現(xiàn)象在壓強(qiáng)為0.02 MPa時(shí)表現(xiàn)得更明顯，可能是因?yàn)橥七M(jìn)劑中的鋁顆粒瞬間受熱團(tuán)聚形成鋁液滴隨燃?xì)饬鲃?dòng)，形成火焰射流[11]。

3.2 負(fù)壓對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響

鋁鎂貧氧推進(jìn)劑在四個(gè)熱流密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨壓強(qiáng)變化規(guī)律如圖3所示。

圖3推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間與壓強(qiáng)的關(guān)系

Fig.3The ignition delay time values as a function of pressure

從圖3可看出，在相同熱流密度條件下，隨著壓強(qiáng)的增加，點(diǎn)火延遲時(shí)間減小。固體推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間tig主要由兩部分組成，即tig=t1+t2，t1是推進(jìn)劑固相加熱時(shí)間，隨著熱流密度的降低，t1增加;t2是推進(jìn)劑熱解氣體反應(yīng)時(shí)間，隨著壓強(qiáng)的降低，擴(kuò)散作用增強(qiáng)，t2增加[12]。

從圖3中還可看出，在熱流密度為1.26 W·mm-2時(shí)，壓強(qiáng)降低到0.08 MPa以下就出現(xiàn)了明顯的點(diǎn)火延遲時(shí)間增加; 而在熱流密度為2.23 W·mm-2時(shí)，壓強(qiáng)降低到0.04 MPa以下才出現(xiàn)明顯的點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加，這是由于熱分解與氣相擴(kuò)散之間的平衡關(guān)系造成的。在熱流密度從1.26 W·mm-2增加到2.23 W·mm-2時(shí)，固相熱分解速率加快，能夠更及時(shí)的補(bǔ)充加質(zhì)區(qū)中氣體的濃度; 在壓強(qiáng)高于0.04MPa時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間變化平緩，但壓強(qiáng)低于0.04MPa時(shí)，由于氣相擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)，加質(zhì)區(qū)達(dá)到氣相反應(yīng)所需濃度需要更長(zhǎng)時(shí)間，從而造成點(diǎn)火延遲時(shí)間明顯增加。

當(dāng)外部熱流密度較高時(shí)，點(diǎn)火延遲曲線趨于平緩，壓強(qiáng)對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間影響較小，是由于推進(jìn)劑熱解氣體擴(kuò)散反應(yīng)時(shí)間t2遠(yuǎn)小于推進(jìn)劑固相加熱時(shí)間t1，所以壓強(qiáng)對(duì)于點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響遠(yuǎn)沒有熱流密度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響那么明顯，在大熱流密度下進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)，壓強(qiáng)對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響甚至可以忽略不計(jì)。

3.3 負(fù)壓對(duì)燃速的影響

當(dāng)熱流密度為2.23 W·mm-2時(shí)，通過(guò)回放高速攝影儀拍攝的推進(jìn)劑燃燒過(guò)程的序列圖像，計(jì)算得到各壓強(qiáng)下鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的線性燃速，如表2所示。

表2不同負(fù)壓環(huán)境下推進(jìn)劑的燃速

p/MPa0．010．020．040．060．080．1r·/mm·s-10．5260．6140．6820．7520．8480．99

從表2中看出，隨著壓強(qiáng)的降低，推進(jìn)劑燃速降低。當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)從0.1 MPa下降到0.01 MPa時(shí)，燃速降低47%。這可能是熱反饋的能量與效率不同導(dǎo)致的: (1)在較低的負(fù)壓環(huán)境下，氧氣濃度較低，推進(jìn)劑燃燒劇烈程度減弱，使得火焰溫度較低，從而火焰區(qū)到固相區(qū)的熱反饋能量降低; (2)在較低的負(fù)壓環(huán)境下，氣體熱導(dǎo)率降低，使得火焰區(qū)到固相區(qū)的熱反饋效率降低。由于推進(jìn)劑固相熱分解是吸熱反應(yīng)，熱反饋能量和效率的降低使得固相熱分解速率減小，從而導(dǎo)致了燃速的降低。

常用的表征推進(jìn)劑燃速的公式有Vielle燃速公式和Summerfield燃速公式[13]，如下:

對(duì)不同負(fù)壓環(huán)境下的燃速數(shù)據(jù)分別用Vielle公式和Summerfield公式進(jìn)行回歸分析，得到回歸曲線如圖4所示。

圖4不同負(fù)壓環(huán)境下推進(jìn)劑燃速擬合曲線

Fig.4Fitting curves of burning rate at different subatmospheric pressures

由圖4可知，Vielle公式回歸參數(shù)av=1.718，n=0.270，相關(guān)系數(shù)R2=0.908; Summerfield公式回歸參數(shù)as=0.011，bs=1.030，相關(guān)系數(shù)R2=0.744。根據(jù)回歸曲線及回歸系數(shù)可看出Vielle燃速公式擬合曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合。所以在負(fù)壓環(huán)境下，Vielle燃速公式更適用于表征鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的燃速特性。

4 結(jié) 論

(1) 鋁鎂貧氧推進(jìn)劑在負(fù)壓環(huán)境下點(diǎn)火時(shí)，壓強(qiáng)影響了推進(jìn)劑熱解氣體的擴(kuò)散，造成了初始火焰形狀和明亮度的差異。壓強(qiáng)為0.08 MPa時(shí)，初焰為圓柱狀; 隨著壓強(qiáng)降低至0.02 MPa，初焰為圓球狀。壓強(qiáng)越低，擴(kuò)散效應(yīng)越明顯。3432 ms后火焰出現(xiàn)分離，這種現(xiàn)象在壓強(qiáng)為0.02 MPa時(shí)表現(xiàn)更明顯。

(2) 隨著壓強(qiáng)的降低，推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間增加。當(dāng)激光熱流密度較高(>2.79 W·mm-2)時(shí)，壓強(qiáng)對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響減弱，是由于熱解速率加快，能更快補(bǔ)充加質(zhì)區(qū)域擴(kuò)散掉的氣相產(chǎn)物，達(dá)到著火所需濃度。

(3) 由于負(fù)壓導(dǎo)致的火焰區(qū)到推進(jìn)劑表面的熱反饋能量降低和氣體熱導(dǎo)率降低，使得推進(jìn)劑的燃速隨著壓強(qiáng)的降低而減小。當(dāng)壓強(qiáng)從0.1 MPa降至0.01 MPa時(shí)，燃速降低47%。所以在高海拔地區(qū)作業(yè)時(shí)，可在推進(jìn)劑中適當(dāng)添加催化劑以增加燃速，滿足推進(jìn)系統(tǒng)的性能要求。

(4) 分別用Vielle公式和Summerfield公式對(duì)燃速進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，Vielle燃速公式更適用于表征負(fù)壓環(huán)境下鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的燃速特性。其回歸參數(shù)av=1.718，n=0.270，相關(guān)系數(shù)R2=0.908。

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