吳浩明，陳林泉，董新剛，敖 文，劉 露

(1.西安航天動力技術(shù)研究所，陜西 西安 710025；2.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安 710072)

引 言

鋁粉以其熔點低、能量高、相容性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于固體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑中。鋁的加入一方面能夠提高推進(jìn)劑的比沖和能量密度，抑制發(fā)動機(jī)的高頻不穩(wěn)定燃燒；另一方面，鋁顆粒在推進(jìn)劑燃面處發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致燃燒過程中形成大量大尺寸的凝聚相產(chǎn)物(CCPs)，不僅造成兩相流損失，而且由于粒子沖刷作用加劇了絕熱層和噴管的燒蝕，危害發(fā)動機(jī)的工作安全[1]。因此，研究推進(jìn)劑中鋁顆粒的團(tuán)聚及CCPs特性對發(fā)動機(jī)的設(shè)計具有重要意義。

目前，對推進(jìn)劑中鋁顆粒燃燒的研究主要有兩種方法：一是通過光學(xué)拍攝的方式，對團(tuán)聚鋁的形成過程進(jìn)行可視化研究；另一種是通過產(chǎn)物收集的方式，對含鋁推進(jìn)劑CCPs的組分、含量、粒度分布等進(jìn)行分析。

鋁團(tuán)聚過程的可視化拍攝實驗主要依賴于精細(xì)化的光學(xué)診斷技術(shù)，難點在于克服高壓下推進(jìn)劑燃燒煙霧對團(tuán)聚過程拍攝的干擾[2]。Liu等[3]通過對鋁團(tuán)聚過程高速拍攝，研究了壓強(qiáng)對HTPB推進(jìn)劑燃面鋁團(tuán)聚物粒徑的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓強(qiáng)從2.07 MPa升高到6.89 MPa后，燃面處團(tuán)聚鋁粒度減小。Takahashi等[4]使用高速相機(jī)拍攝了0.1 MPa下AP/AN/Al/Oct復(fù)合推進(jìn)劑燃面處鋁的團(tuán)聚過程，實驗結(jié)果表明：隨著鋁含量的增大，燃面處團(tuán)聚鋁的粒徑也逐漸增大。劉鑫[5]使用同樣的方法，研究了推進(jìn)劑燃速對燃面處鋁團(tuán)聚過程的影響，發(fā)現(xiàn)燃速的增大縮短了燃面處團(tuán)聚鋁的滯留時間，使得鋁團(tuán)聚程度降低，團(tuán)聚鋁平均直徑減小。

對于CCPs的收集與理化特性研究，主要通過密閉燃燒器法，使用水、乙醇、丙酮、惰性氣體等冷卻介質(zhì)對CCPs進(jìn)行淬熄，再進(jìn)行收集、分析粒徑分布等特性。劉佩進(jìn)等[6-7]利用水作收集介質(zhì)，對HTPB推進(jìn)劑和NEPE高能的CCPs進(jìn)行了收集，研究了壓強(qiáng)變化對其粒徑分布的影響。Jeenu等[8]采用淬熄彈技術(shù)，研究了淬熄距離對HTPB推進(jìn)劑CCPs粒度分布的影響，發(fā)現(xiàn)淬熄距離越大，團(tuán)聚程度越大。肖立群等[9]通過恒壓燃燒室，對1 MPa下含鋁HMX-CMDB推進(jìn)劑的CCPs進(jìn)行了收集，發(fā)現(xiàn)增加鋁粉含量后產(chǎn)物粒徑增大。

本研究針對CL-20高能推進(jìn)劑，開展了燃面處鋁顆粒團(tuán)聚過程可視化拍攝實驗及CCPs收集實驗，觀測了推進(jìn)劑燃面處鋁顆粒的團(tuán)聚、滯留過程和CCPs的微觀形貌，研究了Al和AP粒徑對CL-20推進(jìn)劑團(tuán)聚物滯留時間及CCPs粒度分布的影響。

1 實 驗

1.1 實驗系統(tǒng)

CL-20推進(jìn)劑燃面鋁顆粒團(tuán)聚可視化拍攝實驗系統(tǒng)主要由透明窗燃燒室、長焦顯微鏡頭、高速相機(jī)、點火控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及進(jìn)/排氣系統(tǒng)組成，實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic picture of the experimental system

CCPs收集實驗系統(tǒng)是在上述實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，撤去由高速相機(jī)和長焦顯微鏡頭組成的拍攝系統(tǒng)，將推進(jìn)劑藥條夾具臺更換為盛有冷卻介質(zhì)的收集容器，從而完成搭建。系統(tǒng)中密閉燃燒室由測試段和壓力容器段組成，總高1 000 mm，內(nèi)徑144 mm，測試段高260 mm，壓力容器段高740 mm。

1.2 實驗方法

CL-20推進(jìn)劑配方及實驗工況見表1。

表1 CL-20推進(jìn)劑配方及實驗工況Table 1 CL-20 propellant formulations and experimental conditions

燃面處鋁顆粒團(tuán)聚可視化拍攝實驗所用推進(jìn)劑藥條尺寸為4 mm×4 mm×30 mm。高速相機(jī)拍攝頻率2 700 fps，曝光時間45 μs，圖像分辨率1 024×1 024。經(jīng)過對圖像進(jìn)行尺寸標(biāo)定，得到每個像素代表的實際大小為2.72 μm×2.72 μm，因此實驗所能觀測到的視場范圍為2.79 μm×2.79 mm。通過對拍攝圖像進(jìn)行灰度圖轉(zhuǎn)換、閥值分割、團(tuán)聚物輪廓勾勒、計算最大內(nèi)切圓直徑等操作，最終獲得團(tuán)聚物粒子的粒度參數(shù)。

CCPs收集實驗所用推進(jìn)劑藥條尺寸為25 mm×25 mm×5 mm，冷卻介質(zhì)采用去離子水，藥條端面距離液面5 mm。對于收集到的含凝相粒子懸濁液，首先進(jìn)行抽濾初步獲得凝相產(chǎn)物，然后對產(chǎn)物進(jìn)行離心、洗滌、干燥、超聲分散等處理。采用QuantaTM 250 FEG型掃描電子顯微鏡，觀察CCPs的微觀形貌；采用X射線衍射儀，對CCPs進(jìn)行物相分析；采用Mastersizer 2000型激光粒度儀，對CCPs的粒度分布進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃面處鋁顆粒團(tuán)聚可視化分析

燃面處鋁顆粒的團(tuán)聚過程可以分為3個階段：累積、聚集和團(tuán)聚[5]。團(tuán)聚鋁形成后，一般要經(jīng)歷在燃面處的滯留，期間不斷融合周圍未團(tuán)聚的鋁顆粒及其他團(tuán)聚鋁，最終隨燃?xì)饬髅撾x燃面。圖2對比了3種不同配方CL-20推進(jìn)劑燃面處鋁顆粒團(tuán)聚情況，可以看出，3種推進(jìn)劑在1 MPa下燃燒時均存在明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，燃面處團(tuán)聚物的粒徑較小，一般在40 ～ 60 μm，團(tuán)聚過程還未完全完成。已經(jīng)脫離燃面的團(tuán)聚物中粒徑分布范圍較寬，最小約為40 μm，最大可達(dá)約280 μm。

圖2 3種配方推進(jìn)劑燃面處鋁顆粒團(tuán)聚對比Fig.2 Comparison of aluminum agglomeration on the combustion surface of three kinds of formulations

通過對比3種配方推進(jìn)劑整個團(tuán)聚過程圖像，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)劑C2燃面處團(tuán)聚物融合現(xiàn)象較為嚴(yán)重，融合后形成的大顆粒團(tuán)聚物數(shù)量明顯多于推進(jìn)劑C1和C3，由此定性分析推進(jìn)劑C2更易發(fā)生團(tuán)聚。

2.2 燃面處團(tuán)聚物滯留時間統(tǒng)計分析

鋁團(tuán)聚物在燃面處形成后，一部分立即隨著燃?xì)饬鲃用撾x燃面；一部分則滯留在燃面處，不斷與其他團(tuán)聚物和未發(fā)生團(tuán)聚的鋁顆粒發(fā)生融合，經(jīng)過一段時間后才脫離燃面。本研究定義燃面處團(tuán)聚物的滯留時間始于觀察到團(tuán)聚物的生成，止于團(tuán)聚物脫離燃面，對應(yīng)團(tuán)聚物的粒徑為團(tuán)聚物脫離燃面時的粒徑。為了研究滯留時間的影響因素，統(tǒng)計了每種工況下20個團(tuán)聚物粒子的滯留時間，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。

圖3 Al和AP粒徑對團(tuán)聚物滯留時間的影響Fig.3 Effect of Al and AP particle size on the residence time of aggregations

由圖3可以看出，團(tuán)聚物滯留時間具有較大的不確定性，對于同一配方相同粒徑的團(tuán)聚物，其滯留時間也存在一定的差異。但從整體上看，隨著團(tuán)聚物粒徑增大，團(tuán)聚物滯留時間逐漸增大。對于粒徑分布在60～270 μm之間的團(tuán)聚物，其滯留時間在1～20 ms。對于相同粒徑的團(tuán)聚物，Al粒徑對其滯留時間沒有明顯影響；AP粒徑對滯留時間的影響主要分布在團(tuán)聚物粒徑為120～180 μm段，在這一范圍內(nèi)推進(jìn)劑C2團(tuán)聚物滯留時間比C3大2～3 ms。推測產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是AP粒徑減小后，推進(jìn)劑燃面分解速率加快，粒子受到的燃?xì)馔屏υ龃?，且燃面退移加快?dǎo)致燃面處團(tuán)聚物的滯留受到制約，從而加速脫離燃面。

2.3 凝相燃燒產(chǎn)物微觀形貌分析

CCPs主要包括大粒徑的團(tuán)聚物和小粒徑的氧化鋁煙塵顆粒[10]。通過掃描電鏡對收集到的CCPs進(jìn)行微觀形貌觀察分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可看出，團(tuán)聚物的粒徑一般可達(dá)幾百微米，一部分呈規(guī)則的球形，一部分呈破碎狀或聚集狀；氧化鋁煙塵顆粒的粒徑一般約為1 μm，呈球形或橢球形，小顆粒通常附著于大顆粒表面。圖4(c)是一個規(guī)則的球形團(tuán)聚物顆粒，直徑約120 μm，其表面存在少許褶皺和裂紋，且附著有部分細(xì)小的氧化鋁煙塵顆粒。圖4(d)是一個內(nèi)部中空的球形顆粒，這種顆粒的形成是由于液態(tài)鋁受熱膨脹，沖破表面的氧化鋁層溢出所致。

圖4 CCPs掃描電鏡圖像Fig.4 SEM images of CCPs

2.4 凝相燃燒產(chǎn)物物相分析

利用X射線衍射技術(shù)，對收集到的CCPs進(jìn)行了物相分析，衍射角2θ為5°～80°，結(jié)果見圖5。

圖5 CCPs的X射線衍射圖譜Fig.5 X-ray diffraction patterns of CCPs

通過將XRD衍射峰的峰位和強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片對比發(fā)現(xiàn)，3種配方推進(jìn)劑CCPs中主要存在Al2O3和Al兩種物質(zhì)，摻混有極少量的AIN和CrC等雜質(zhì)，推測AlN是Al和N2在高溫下反應(yīng)生成的，CrC是鎳鉻點火絲的燃燒殘渣。推進(jìn)劑C1中Al的4個衍射峰顯著強(qiáng)于C2和C3，推進(jìn)劑C3中Al2O3的衍射峰更強(qiáng)。由于XRD圖譜峰的面積表示晶體含量，峰面積越大，晶體含量越高，因此可以定性確定推進(jìn)劑C1的CCPs中Al含量顯著大于C2和C3，推進(jìn)劑C3中Al含量極少，幾乎完全轉(zhuǎn)化為Al2O3。

2.5 凝相燃燒產(chǎn)物粒度分析

為保證粒度分析數(shù)據(jù)的可靠性，每種工況下進(jìn)行了兩次重復(fù)性實驗，結(jié)果表明每組實驗結(jié)果誤差均在5%以內(nèi)，取兩次實驗結(jié)果的平均值進(jìn)行分析。

本研究以CCPs的體積平均粒徑D[4,3]表征鋁顆粒的團(tuán)聚程度。雖然團(tuán)聚物顆粒脫離燃面經(jīng)過一段時間燃燒后，收集得到的CCPs粒徑相比燃面處團(tuán)聚物的粒徑有所減小，但CCPs的粒度分布仍能在一定程度上反映出燃面處團(tuán)聚物的粒度特征。表2對3種配方推進(jìn)劑CCPs的體積平均粒徑D[4,3]、峰值粒度d及其對應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)φ進(jìn)行了統(tǒng)計。從表2可以看出，推進(jìn)劑C2的D[4,3]顯著大于C1和C3，表明其CCPs中大粒徑團(tuán)聚物含量較高，團(tuán)聚程度最為嚴(yán)重。這與燃面處鋁顆粒團(tuán)聚過程可視化拍攝觀測到的實驗結(jié)果相符。

表2 CCPs粒度特征信息Table 2 Particle size information aspect of CCPs

圖6反映了Al和AP初始粒徑對CCPs粒度分布的影響。

圖6 Al和AP粒徑對CCPs粒度分布的影響Fig.6 Effect of Al and AP particle size on the particle size distribution of CCPs

由圖6(a)可以看出，兩種推進(jìn)劑的CCPs粒度均呈現(xiàn)出三峰分布的特點，隨著鋁初始粒徑的減小，CCPs的最大峰值粒度增大，對應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)有所減??；最小峰值粒度不變，對應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)有所增大。分析原因是當(dāng)Al粒徑為13 μm、含量相同時，小粒徑鋁顆粒分布較密，易于相互融聯(lián)，團(tuán)聚程度較大；當(dāng)Al粒徑為29 μm時，大粒徑鋁顆粒加熱后不易發(fā)生融聯(lián)，相互聚集程度小，且大粒徑鋁顆粒距離燃面火焰更近，易于發(fā)生單顆粒著火燃燒，從而使得團(tuán)聚程度減小。

由圖6(b)可看出，當(dāng)AP粒徑由116 μm減至69 μm，CCPs的最大峰值粒徑由282.5 μm減至178.3 μm，10 μm左右的CCPs體積分?jǐn)?shù)顯著增大，1 μm左右的CCPs體積分?jǐn)?shù)則顯著減小。分析原因是AP粒徑減小導(dǎo)致燃速增大，使得燃面處團(tuán)聚物顆粒的滯留時間減小，“融合增長”過程得不到充分發(fā)展，大顆粒團(tuán)聚物粒徑有所減小，10 μm左右的粒子體積分?jǐn)?shù)增大；另一方面，AP粒徑的減小使得燃面的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，如圖7所示，由AP粒子形成的“口袋”容積減小[11]，其中包含的鋁顆粒數(shù)目變少，導(dǎo)致一個口袋形成的大顆粒團(tuán)聚物粒徑減小。

圖7 AP粒徑對團(tuán)聚口袋模型影響Fig.7 Effect of AP particle size on the agglomerate pocket model

3 結(jié) 論

(1)隨著團(tuán)聚物粒徑的增大，燃面處團(tuán)聚物的滯留時間逐漸增大；對于粒徑分布在60～270 μm之間的團(tuán)聚物，其滯留時間在1～20 ms。

(2)CCPs中主要存在Al和Al2O3兩種物相，掃描電鏡圖像中團(tuán)聚物呈球狀、破碎狀或聚集狀，粒徑可達(dá)幾十到幾百微米，小顆粒氧化鋁煙塵呈規(guī)則的球形或橢球形，通常附著于大顆粒表面，粒徑一般在1 μm左右。

(3)Al粒徑由29 μm減小到13 μm，導(dǎo)致CCPs最大峰值粒度增大，1 μm左右的粒子體積分?jǐn)?shù)增大，團(tuán)聚程度增大；AP粒徑由116 μm減小到69 μm，導(dǎo)致CCPs最大峰值粒度減小，1 μm左右的粒子體積分?jǐn)?shù)減小，團(tuán)聚程度減小。