王正明，趙鳳起，高紅旭，曲文剛，王 瑛，陳雪莉，付青山

(西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

引 言

固體推進(jìn)劑是由氧化劑、黏合劑、增塑劑等功能組分通過特定工藝形成的復(fù)雜體系，其燃燒是一個(gè)在高溫高壓條件下涉及多階段多層次的物理和化學(xué)反應(yīng)過程。鑒于固體推進(jìn)劑燃燒的復(fù)雜性，目前關(guān)于固體推進(jìn)劑反應(yīng)機(jī)理的研究大多基于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)主義，對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒機(jī)理的認(rèn)識(shí)相對(duì)比較淺顯，這嚴(yán)重制約著新型固體推進(jìn)劑的開發(fā)。深入理解固體推進(jìn)劑的燃燒過程，闡明其反應(yīng)機(jī)理，是發(fā)展新型高能安全固體推進(jìn)劑的基礎(chǔ)。

在固體推進(jìn)劑的燃燒反應(yīng)機(jī)理研究中如何準(zhǔn)確獲取燃燒過程中的相關(guān)物理和化學(xué)參數(shù)是解析其燃燒反應(yīng)機(jī)理的前提。為了深入理解固體推進(jìn)劑的燃燒反應(yīng)機(jī)理，研究者發(fā)展了表征固體推進(jìn)劑燃燒溫度分布、燃燒火焰微觀行為變化、燃燒組分演變過程以及熄火表面狀態(tài)分析等一系列固體推進(jìn)劑火焰燃燒診斷方法來分析固體推進(jìn)劑燃燒過程中特定的物理和化學(xué)變化規(guī)律。固體推進(jìn)劑燃燒火焰診斷方法的發(fā)展直接關(guān)系著其燃燒過程中獲取的特定參數(shù)的準(zhǔn)確度，進(jìn)一步?jīng)Q定了對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平。為了深入認(rèn)識(shí)固體推進(jìn)劑相應(yīng)的燃燒機(jī)理模型，在發(fā)展固體推進(jìn)劑燃燒火焰診斷試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，研究者也建立和優(yōu)化了一系列固體推進(jìn)劑燃燒仿真計(jì)算模型，以對(duì)其不同條件下的燃燒行為進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估，深入理解其燃燒機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了固體推進(jìn)劑燃燒經(jīng)典模型[1-2]。

本文結(jié)合固體推進(jìn)劑燃燒過程中燃燒診斷關(guān)注的重點(diǎn)方向，從固體推進(jìn)劑燃燒實(shí)驗(yàn)診斷過程中的燃燒溫度測(cè)量、燃燒火焰結(jié)構(gòu)獲取、燃燒組分檢測(cè)、熄火表面制備與分析及計(jì)算模擬在固體推進(jìn)劑燃燒診斷的應(yīng)用等方面對(duì)目前固體推進(jìn)劑燃燒診斷常用方法進(jìn)行綜述，闡述目前燃燒診斷的研究方法進(jìn)展，簡(jiǎn)要介紹各診斷方法所涉及的基本原理，對(duì)比各方法在實(shí)際燃燒診斷中的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒診斷發(fā)展的方向進(jìn)行了展望。

1 固體推進(jìn)劑燃燒波診斷

1.1 固體推進(jìn)劑燃燒波經(jīng)典理論

根據(jù)固體推進(jìn)劑經(jīng)典燃燒模型，典型固體推進(jìn)劑的燃燒主要可以分為3個(gè)區(qū)域。如圖1所示[2]，區(qū)域Ⅰ主要為固相區(qū)，固體推進(jìn)劑在固相區(qū)相對(duì)比較穩(wěn)定，一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于固體推進(jìn)劑燃燒帶來的熱反饋，燃燒過程中區(qū)域Ⅰ的溫度由初始溫度T0逐漸攀升到相應(yīng)物質(zhì)的分解溫度Tu；區(qū)域Ⅱ主要是凝聚相反應(yīng)區(qū)，在這段區(qū)域，伴隨著吸熱和放熱的化學(xué)反應(yīng)過程，功能組分發(fā)生從固相到液相或氣相的相轉(zhuǎn)變，固體推進(jìn)劑溫度由Tu升高到燃面溫度Ts，生成相應(yīng)的活性反應(yīng)組分；區(qū)域Ⅲ主要是氣相反應(yīng)區(qū)和發(fā)光火焰區(qū)，在此區(qū)域相應(yīng)的活性反應(yīng)組分發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，最終燃燒形成火焰，并完成相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換。在固體推進(jìn)劑燃燒過程中，燃燒火焰釋放的大量能量一部分通過熱輻射形成熱反饋來促進(jìn)區(qū)域Ⅰ和Ⅱ反應(yīng)的進(jìn)行，維持固體推進(jìn)劑穩(wěn)定燃燒。固體推進(jìn)劑的燃燒診斷主要是研究固體推進(jìn)劑各反應(yīng)區(qū)的物理和化學(xué)變化。

1.2 固體推進(jìn)劑燃燒溫度測(cè)量

目前，固體推進(jìn)劑溫度的測(cè)量方式主要分為接觸法和非接觸法。接觸法主要通過溫度傳感器與燃燒火焰直接接觸來測(cè)量相應(yīng)火焰溫度。微熱電偶測(cè)溫法是接觸測(cè)溫法的典型代表[3-6]。其優(yōu)點(diǎn)在于能比較準(zhǔn)確反映出測(cè)試點(diǎn)的溫度，但在測(cè)試過程中由于熱偶絲和燃燒火焰的接觸，不可避免會(huì)對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒流場(chǎng)有一定的干擾。非接觸法測(cè)溫主要原理是通過檢測(cè)相應(yīng)火焰吸收和發(fā)射的特定光譜信息變化來測(cè)量燃燒火焰的溫度[7-8]。由于在測(cè)溫過程中不需要和火焰進(jìn)行直接接觸，因此在測(cè)量過程中對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒流場(chǎng)無干擾。但光譜法測(cè)量干擾因素眾多，不易得到相對(duì)準(zhǔn)確的方法。非接觸法主要通過光譜法進(jìn)行測(cè)溫，根據(jù)測(cè)試原理的不同，光譜法又可以細(xì)分為不同方法，主要分為基于激光診斷的激光誘導(dǎo)熒光(LIF)、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)、自發(fā)拉曼散射(SRS)、激光吸收光譜技術(shù)和基于原子發(fā)射光譜測(cè)溫技術(shù)以及基于輻射測(cè)溫技術(shù)等。

1.2.1 微熱電偶測(cè)溫法

微熱電偶測(cè)溫法的原理是通過將微熱電偶固定埋設(shè)在固體推進(jìn)劑中。在固體推進(jìn)劑燃燒過程中，隨著固體推進(jìn)劑燃面的退移，微熱電偶探頭依次通過固體推進(jìn)劑各燃燒區(qū)域來獲取固體推進(jìn)劑基本的燃燒溫度分布情況。根據(jù)固體推進(jìn)劑的溫度變化規(guī)律，結(jié)合微熱電偶的響應(yīng)特性及熱損失模型可以推導(dǎo)出其理論溫度分布曲線，通過校正就可以得到比較精確的固體推進(jìn)劑燃燒溫度分布曲線[3-6]。王瑛等[4]利用微熱電偶法研究了含不同粒度CL-20在GAP高能固體推進(jìn)劑燃燒溫度波變化規(guī)律。結(jié)果表明含粗粒度CL-20固體推進(jìn)劑在燃燒過程中其凝聚相反應(yīng)區(qū)的溫度攀升速率更快，提出了大粒度CL-20提前分解的產(chǎn)物催化高氯酸銨(AP)的分解引起其燃速升高的燃燒模型。

微熱電偶測(cè)溫法裝置簡(jiǎn)單，結(jié)果豐富且可靠，在測(cè)量固體推進(jìn)劑固相反應(yīng)區(qū)和凝聚相反應(yīng)區(qū)的溫度變化規(guī)律方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是目前固體推進(jìn)劑燃燒溫度測(cè)量的主要方法。同時(shí)值得注意的是受限于熱偶絲的材料自身的傳熱效率，其在響應(yīng)速度上有一定延遲，進(jìn)而影響了微熱電偶測(cè)溫法的時(shí)空分辨能力。

1.2.2 基于激光溫度診斷技術(shù)

(1)激光誘導(dǎo)熒光(LIF)

LIF原理在于特定激光通過待測(cè)火焰結(jié)構(gòu)時(shí)，火焰中特定分子或者自由基的電子將吸收激光光子的能量而被激發(fā)。當(dāng)被激發(fā)的電子從激發(fā)態(tài)回落到不同低能態(tài)，將會(huì)輻射出不同波長(zhǎng)的熒光形成熒光光譜。其熒光信號(hào)強(qiáng)度和測(cè)定溫度、壓力、組分摩爾濃度等參數(shù)有關(guān)[1]。當(dāng)使用平面激光時(shí)獲取的信號(hào)就是平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)。通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置使得PLIF信號(hào)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)和溫度呈函數(shù)關(guān)系，可以通過PLIF信號(hào)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)溫度場(chǎng)和特定組分檢測(cè)。在PLIF檢測(cè)過程中，OH是目前溫度檢測(cè)過程中主要的溫度測(cè)量標(biāo)定物，被廣泛應(yīng)用于碳基燃料穩(wěn)態(tài)燃燒溫度場(chǎng)測(cè)量[9-10]。在固體推進(jìn)劑燃燒方面，Parr等[11]利用OH基PLIF探究了GAP/BTTN固體推進(jìn)劑的燃燒火焰結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確測(cè)定了固體推進(jìn)劑相應(yīng)的燃面溫度和火焰反應(yīng)區(qū)溫度。由于含鋁顆粒的固體推進(jìn)劑的燃燒常伴隨強(qiáng)烈的背景輻射而無法對(duì)其燃燒狀態(tài)進(jìn)行有效診斷，近年來，Vilmart[12]在高溫(1200K和2600K)和中低壓力(100Pa到0.1MPa)條件下，標(biāo)定了AL的LIF光譜和溫度的關(guān)系，發(fā)展了Al基PILF。結(jié)果表明測(cè)定相應(yīng)光譜和模型理論光譜具有良好的一致性。

(2)相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)

CARS是通過調(diào)節(jié)入射激光使其頻率差等于特定分子的拉曼頻移頻率激發(fā)其產(chǎn)生相干極化波，同時(shí)利用第三束探測(cè)激光和相干極化波進(jìn)行相互作用產(chǎn)生相應(yīng)的相干反斯托克斯拉曼光束。由于相干反斯托克斯拉曼光束和特定分子的溫度和分子的濃度相關(guān)[10]。因此可以通過檢測(cè)相應(yīng)的相干反斯托克斯拉曼光束探究目標(biāo)物質(zhì)的溫度和物種變化。相比于SRS信號(hào)微弱，容易受到背景光亮和熒光干擾[1]，CARS信號(hào)有很強(qiáng)的相干特性和信號(hào)光強(qiáng)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，易于探測(cè)，被廣泛應(yīng)用于固體推進(jìn)劑燃燒診斷[13-17]。Kearney等[17]通過飛秒/皮秒(fs/ps)激光脈沖和時(shí)間門控消除強(qiáng)非共振背景干擾，利用超快純旋轉(zhuǎn)相干反斯托克斯拉曼散射成功標(biāo)定了燃燒的含鋁固體推進(jìn)劑羽煙的溫度，改善了CARS檢測(cè)效果。

(3)激光吸收光譜

激光吸收光譜主要是利用特定頻率激光入射固體推進(jìn)劑燃燒火焰，使特定氣體組分和入射激光頻率相同，激光能量被吸收，進(jìn)而通過測(cè)定激光通過固體推進(jìn)劑火焰前后的強(qiáng)度變化來標(biāo)定固體推進(jìn)劑火焰溫度。激光吸收光譜在檢測(cè)火焰溫度的同時(shí)還可以對(duì)主要的燃燒產(chǎn)物如H2O、CO2、CO等進(jìn)行定量檢測(cè)[18-19]。Ruesch等[18]通過測(cè)定含鋁和不含鋁的AP/HTPB固體推進(jìn)劑燃燒不同火焰區(qū)相應(yīng)CO的激光吸收光譜變化標(biāo)定其不同燃燒區(qū)火焰的溫度變化規(guī)律(圖2)，揭示了含鋁固體推進(jìn)劑在燃燒過程中鋁顆粒的點(diǎn)火延遲效應(yīng)。

圖2 距離固體推進(jìn)劑燃面不同位置火焰的溫度變化規(guī)律Fig.2 Histograms of the temperatures measured in the aluminized propellant flame at a height of 0.2, 2, and 4cm, respectively

1.2.3 原子發(fā)射光譜測(cè)溫技術(shù)

原子發(fā)射光譜測(cè)溫技術(shù)主要通過采集火焰中特定原子的特征譜線(如K、Cu、Fe、Al等)，通過對(duì)比原子兩條或者數(shù)條特征譜線的強(qiáng)度變化來計(jì)算相應(yīng)目標(biāo)的溫度[20-24]。此方法在應(yīng)用過程中基礎(chǔ)性能參數(shù)的優(yōu)化和選擇，例如特征原子的選擇，顯得尤為重要。Yang等[21]系統(tǒng)評(píng)價(jià)了氮離子發(fā)射光譜在固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用。通過氮離子的三根特征譜線表征了雙基、HTPB、NEPE和HNIW固體推進(jìn)劑中的溫度分布狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果和理論結(jié)果以及微熱電偶法的測(cè)溫結(jié)果相當(dāng)。在含鋁固體推進(jìn)劑溫度測(cè)量過程中，由于AlO在光譜分析中非常明顯，同時(shí)AlO光譜區(qū)間在紅綠光譜區(qū)能有效降低背景的干擾，因此基于AlO發(fā)射光譜是標(biāo)定含鋁固體推進(jìn)劑溫度最常用的方法[22]。Surmick等[23]利用AlO發(fā)射光譜測(cè)定了固體推進(jìn)劑的羽煙溫度。Zhu等[24]利用AlO發(fā)射光譜研究了微波對(duì)復(fù)合推進(jìn)劑燃燒的影響，表明在微波作用下鋁燃燒溫度提高約150 K。

1.2.4 輻射測(cè)溫技術(shù)

輻射測(cè)溫技術(shù)主要基于物體因本身的溫度而以電磁波的形式向外發(fā)射能量，其能量大小取決于物體的溫度,因此可通過標(biāo)定被測(cè)物的輻射強(qiáng)度來確定物質(zhì)的溫度。輻射法從測(cè)試方法上可以分為全輻射亮度法、單波長(zhǎng)亮度法、比色法、多波長(zhǎng)輻射法等[25-28]?；谌椛淞炼确ǖ募t外輻射測(cè)溫應(yīng)用最廣泛[25]。徐朝啟等[27]利用雙波長(zhǎng)測(cè)溫的方法表征了不同燃燒壓力條件下固體推進(jìn)劑的燃燒溫度。通過對(duì)兩個(gè)波段的光譜輻射亮度溫度信息的捕捉，結(jié)合溫度構(gòu)建方法計(jì)算固體推進(jìn)劑的燃燒溫度。雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫法消除了光路損失和振動(dòng)等外界因素的影響，展現(xiàn)了較高的時(shí)間分辨能力和準(zhǔn)確度。目前為了實(shí)現(xiàn)對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，多種輻射技術(shù)相結(jié)合來探究固體推進(jìn)劑溫度的方法受到越來越多的關(guān)注。

相對(duì)于接觸法測(cè)溫技術(shù)，以光譜法為代表的非接觸測(cè)溫法最大的優(yōu)勢(shì)在于在測(cè)溫過程中對(duì)燃燒火焰流場(chǎng)沒有明顯的影響。同時(shí)測(cè)試相對(duì)比較迅速，具有很高的時(shí)空分辨能力。但是相對(duì)于接觸法測(cè)溫，光譜法測(cè)量系統(tǒng)一般復(fù)雜而昂貴，操作調(diào)試?yán)щy，實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要多參數(shù)選擇和優(yōu)化，因此很難給檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性下結(jié)論。同時(shí)由于固體推進(jìn)劑燃燒條件相對(duì)比較復(fù)雜，燃燒過程中背景干擾相對(duì)比較嚴(yán)重，在實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑溫度場(chǎng)的高精度檢測(cè)方面仍存在很大的挑戰(zhàn)。

1.3 固體推進(jìn)劑的燃燒火焰形態(tài)獲取

1.3.1 高分辨單幅數(shù)字圖像技術(shù)

高分辨單幅數(shù)字圖像技術(shù)是研究固體推進(jìn)劑燃燒火焰形態(tài)最常用的一種方法。該方法設(shè)備相對(duì)比較簡(jiǎn)單，有強(qiáng)大的空間分辨能力(物方像素小于10μm),同時(shí)在結(jié)合亮暗火焰兼顧等技術(shù)可以獲取固體推進(jìn)劑燃燒火焰的更多細(xì)節(jié)，有助于解析固體推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理[29-31]。Yang等利用高分辨單幅數(shù)字圖像技術(shù)研究ZrH2在雙基固體推進(jìn)劑不同壓力下的燃燒行為。通過分析不同壓力條件下固體推進(jìn)劑的燃燒火焰各燃燒區(qū)變化規(guī)律，揭示了ZrH2在固體推進(jìn)劑中的燃燒機(jī)理[29-30]。Yang等[31]利用高分辨單幅數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)比研究了含不同催化劑的HTPB/HNIW復(fù)合固體推進(jìn)劑的燃燒反應(yīng)行為，確定了催化劑對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒的影響規(guī)律。

1.3.2 動(dòng)態(tài)火焰高速CCD技術(shù)

不同于高分辨單幅數(shù)字圖像技術(shù)，高速攝影技術(shù)更加注重展示固體推進(jìn)劑燃燒過程中的微觀動(dòng)態(tài)變化。目前普通的高速攝影技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)10000幀/秒拍攝能力，具有很強(qiáng)的時(shí)間分辨能力。利用高速攝影技術(shù)可以捕捉固體推進(jìn)劑燃燒狀態(tài)下功能組分在特定區(qū)域的形態(tài)的瞬時(shí)變化，確定燃燒過程中相應(yīng)組分在微秒或者納秒量級(jí)的動(dòng)態(tài)變化信息，有利于進(jìn)一步理解固體推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理過程[32-34]。Xiao等[32]利用高速攝影記錄了鋁顆粒在HMX-CMDB推進(jìn)劑表面不同燃燒區(qū)的燃燒狀態(tài)，揭示了鋁顆粒從加熱到燃燒的整個(gè)燃燒變化過程，闡明了鋁含量和粒度對(duì)HMX-CMDB推進(jìn)劑燃燒的影響。Young等[33]利用高速攝影探究了納米鋁/硝基纖維介孔材料在HTPB固體推進(jìn)劑的燃燒反應(yīng)行為。結(jié)果表明，相比于直接添加微米鋁的固體推進(jìn)劑，含納米鋁/硝基纖維介孔材料的燃燒下效率提高35%。通過高速攝影結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米鋁/硝基纖維介孔材料在燃燒過程中在固體推進(jìn)劑表面不易團(tuán)聚，因此燃燒相對(duì)比較完全。

1.3.3 數(shù)字在線全息技術(shù)

在固體推進(jìn)劑燃燒過程中，特定功能組分尤其是以鋁粉為代表的金屬粒子的燃燒通常由于其強(qiáng)烈的自發(fā)光特征發(fā)出耀眼的亮光。利用CCD等傳統(tǒng)圖像捕捉技術(shù)探究其火焰形態(tài)時(shí)由于狹窄聚焦深度等問題，很容易受到特定組分自發(fā)光的影響，無法對(duì)其燃燒狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉。在此基礎(chǔ)上，Daniel等[35]通過將數(shù)字在線全息技術(shù)(digital in-line holography)應(yīng)用于固體推進(jìn)劑鋁粉燃燒顆粒形態(tài)的測(cè)定實(shí)現(xiàn)了鋁粒子燃燒狀態(tài)的準(zhǔn)確測(cè)量(圖3)。數(shù)字在線全息技術(shù)通過將特定波長(zhǎng)的激光引入含鋁固體推進(jìn)劑的燃燒場(chǎng)，燃燒場(chǎng)中的鋁粒子受到激光激發(fā)產(chǎn)生相應(yīng)的粒子衍射效應(yīng)，通過對(duì)燃燒場(chǎng)中鋁粒子衍射圖像的重建和解析成功獲取了鋁基固體推進(jìn)劑燃燒過程中鋁顆粒的全息圖。相對(duì)于一般的CCD捕捉技術(shù)，數(shù)字在線全息技術(shù)能夠極大地避免固體推進(jìn)劑功能組分燃燒過程中自發(fā)光引起的圖像誤差，能夠在有限的實(shí)驗(yàn)重復(fù)的情況下快速量化金屬顆粒的燃燒狀態(tài)，同時(shí)將金屬粒子粒徑和形態(tài)等數(shù)據(jù)的測(cè)量準(zhǔn)確度提高一個(gè)量級(jí)。Chen等[36]在數(shù)字在線全息技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合雙色成像高溫法測(cè)定了固體火箭推進(jìn)劑燃燒過程中鋁顆粒的三維位置、尺寸和速度，為金屬化固體火箭推進(jìn)劑的詳細(xì)性能評(píng)估提供了新思路和新方法。

圖3 數(shù)字在線全息技術(shù)(DIH)照相裝置圖、全息圖的聚焦特征圖和b圖白色框局部放大圖Fig.3 Experimental configuration for DIH measurement, the In-focus feature image of the hologram and the zoomed-in view of the burning Al particle in Fig.3(b)

1.3.4 紅外成像技術(shù)

紅外成像技術(shù)是利用特定波長(zhǎng)的紅外相機(jī)區(qū)捕捉特定組分的燃燒狀態(tài)，紅外成像通過對(duì)特定波長(zhǎng)的選擇可以有效過濾其他燃燒行為的干擾，進(jìn)而研究特定功能組分的燃燒反應(yīng)行為。Harrison等[37]利用3.42μm的中紅外相機(jī)探究在不同壓力范圍內(nèi)鋁顆粒燃燒的紅外發(fā)射強(qiáng)度變化，探究了含鋁復(fù)合固體推進(jìn)劑燃燒過程中鋁顆粒燃燒狀態(tài)。通過對(duì)比不同燃燒壓力下，固體推進(jìn)劑中鋁顆粒內(nèi)部的熔融金屬、金屬液滴表面的熔融氧化殼體、鋁液滴的氧化燃燒的紅外強(qiáng)度變化，闡明了壓力對(duì)鋁顆粒燃燒過程的影響規(guī)律。

1.3.5 平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)

PLIF通過對(duì)特定分子的圖像捕捉實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑燃燒過程中特定組分二維分布，進(jìn)而記錄流場(chǎng)和火焰的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的成像和時(shí)空分辨能力。Hedman等[38]基于OH-PLIF對(duì)不同粒度AP的分解過程進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，成功標(biāo)定了單個(gè)AP顆粒的點(diǎn)火、燃燒和火焰高度的燃燒模型。結(jié)果表明AP/HTPB推進(jìn)劑的火焰結(jié)構(gòu)會(huì)隨AP顆粒大小發(fā)生顯著變化。

目前在固體推進(jìn)劑燃燒診斷過程中，在CN、CHx、NO等小分子自由基成像的基礎(chǔ)上[39-41]，針對(duì)Al、Fe等金屬原子成像技術(shù)的開發(fā)豐富了PLIF對(duì)固體推進(jìn)劑功能組分的燃燒反應(yīng)行為的解析能力[42-44]。Vilmart等[44]通過Fe基PLIF首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵基催化劑在固體推進(jìn)劑中燃燒狀態(tài)的實(shí)時(shí)診斷(圖4)。在實(shí)驗(yàn)過程中利用Fe基PLIF對(duì)不同壓力條件下Fe原子分布狀態(tài)進(jìn)行原位在線熒光追蹤，揭示了催化劑在AP/HTPB固體推進(jìn)劑的燃燒反應(yīng)行為，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱流擴(kuò)散過程中可能出現(xiàn)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)(渦旋、撲動(dòng)等)的空間/時(shí)間演化原位表征，為Fe基PLIF燃燒推進(jìn)劑表面的微觀流動(dòng)結(jié)構(gòu)原位在線表征方面的發(fā)展提供了方向。

圖4 在0.3MPa壓力下，含和不含F(xiàn)e-C催化劑的AP/HTPB推進(jìn)劑點(diǎn)火1.5 s和燃燒結(jié)束的Fe-PLIF圖[44]Fig.4 Fe-PLIF images of burning AP/HTPB propellants with and without Fe-C nanoparticles at 0.3MPa

同時(shí)Kevin等[45]在PLIF二維分布場(chǎng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種三維OH平面激光誘導(dǎo)熒光(3D OH PLIF)技術(shù)，相對(duì)于二維平面PLIF，3D PLIF技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑燃燒多相燃燒流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)表征，給出了更多動(dòng)態(tài)成像信息。

在固體推進(jìn)劑燃燒波診斷方面，從單幅高分辨單幅數(shù)字圖像技術(shù)的微米級(jí)分辨率和高速CCD技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃燒微秒或者納秒量級(jí)的動(dòng)態(tài)變化信息。目前對(duì)燃燒波診斷的時(shí)空分辨能力要求越來越高。同時(shí)以數(shù)字在線全息技術(shù)和PLIF技術(shù)等為代表的能準(zhǔn)確反映固體推進(jìn)劑特定組分燃燒狀態(tài)。原位在線表征方法是當(dāng)下研究的重點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒火焰的三維重構(gòu)技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注。

1.4 固體推進(jìn)劑燃燒成分檢測(cè)

固體推進(jìn)劑的燃燒過程本質(zhì)上是一個(gè)涉及固相、凝聚相、氣相的固體推進(jìn)劑功能組分發(fā)生劇烈氧化還原反應(yīng)的復(fù)雜過程。固體推進(jìn)劑燃燒過程中的各種中間反應(yīng)物是整個(gè)氧化還原反應(yīng)的鏈載體，對(duì)燃燒過程反應(yīng)中間體的精確捕捉和測(cè)量是準(zhǔn)確理解和解析固體推進(jìn)劑燃燒機(jī)理的關(guān)鍵。固體推進(jìn)劑燃燒環(huán)境復(fù)雜，燃燒劇烈，相應(yīng)中間反應(yīng)產(chǎn)物難以凍結(jié)，因此固體推進(jìn)劑燃燒成分實(shí)時(shí)在線檢測(cè)一直是研究的難點(diǎn)問題。

1.4.1 光譜檢測(cè)法

目前光譜法以其非接觸取樣、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)一直是固體推進(jìn)劑燃燒組分診斷常用的手段。前面已經(jīng)介紹了LIF、CARS、SRS等固體推進(jìn)劑燃燒過程中相應(yīng)成分檢測(cè)方面的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上紫外-可見光吸收光譜(UV/VIS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等被廣泛應(yīng)用到固體推進(jìn)劑燃燒過程中相應(yīng)成分檢測(cè)[46-52]。Parr等[52]采用平面激光誘導(dǎo)熒光、紫外-可見吸收光譜和自發(fā)激光拉曼光譜等手段探究了RDX/GAP/BTTN固體推進(jìn)劑燃燒表面物質(zhì)和溫度分布。結(jié)果表明HCN、CO和N2是燃面附近主要的燃燒物種，在氣相燃燒區(qū)CO、N2和H2O是主要的燃燒物種，而NO2只存在燃面附近。通過對(duì)比RDX單質(zhì)和固體推進(jìn)劑的燃燒過程相應(yīng)組分分布差異，探討了RDX在固體推進(jìn)劑中反應(yīng)歷程的差異。

針對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒組分檢測(cè)，光譜法檢測(cè)范圍寬，適用于不同的燃燒工況，非常適合于燃燒火焰中小分子和自由基濃度的測(cè)量，同時(shí)在測(cè)量過程中由于是非接觸法更能反應(yīng)燃燒的流場(chǎng)變化，但是光譜法檢測(cè)只能測(cè)量一些相對(duì)比較簡(jiǎn)單的小分子和自由基，針對(duì)燃燒過程中產(chǎn)生的大分子物種，由于在高溫條件下大分子具有較大的分布函數(shù)分布和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)，因此在測(cè)量過程中大分子的光譜峰通常會(huì)發(fā)生重疊而無法進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

1.4.2 質(zhì)譜檢測(cè)法

質(zhì)譜分析(MS)可以實(shí)現(xiàn)多物種尤其是反應(yīng)中間體變化的實(shí)時(shí)在線分析[53]。在固體推進(jìn)劑組分檢測(cè)方面質(zhì)譜檢測(cè)法是接觸取樣的代表。為了檢測(cè)固體推進(jìn)劑燃燒過程中各物種的變化規(guī)律，Korobeinichev等[54-56]利用質(zhì)譜發(fā)展了分子束質(zhì)譜來探究固體推進(jìn)劑燃燒反應(yīng)過程的方法。同時(shí)發(fā)展微探針取樣的方法，將微探針質(zhì)譜檢測(cè)固體推進(jìn)劑的燃燒壓力提升到十幾個(gè)大氣壓的范圍[56]。近年來隨著新型取樣系統(tǒng)的開發(fā)，質(zhì)譜法測(cè)量固體推進(jìn)劑燃燒的范圍越來越廣[57-58]。在反應(yīng)檢測(cè)過程中，分子束質(zhì)譜(MBMS)一直是反應(yīng)中間體捕捉的重要手段，但是由于工作條件的限制，分子束質(zhì)譜的取樣一直在低壓條件下進(jìn)行，近年來Kuibida等[57]利用四級(jí)降壓的方式將分子束質(zhì)譜取樣擴(kuò)展到40個(gè)大氣壓，進(jìn)一步接近固體推進(jìn)劑燃燒壓力環(huán)境(圖5)。

圖5 四級(jí)降壓分子束質(zhì)譜(MBMS)原理圖Fig.5 The molecular beam mass spectrometry with four-stage system

相對(duì)于光譜法，質(zhì)譜法可以實(shí)現(xiàn)多組分實(shí)時(shí)定量定性同時(shí)檢測(cè)，同時(shí)在燃燒反應(yīng)中間體檢測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但質(zhì)譜工作條件相對(duì)比較苛刻，如何解決固體推進(jìn)劑燃燒和質(zhì)譜檢測(cè)之間的環(huán)境矛盾，開發(fā)能夠穩(wěn)定高效適用不同固體推進(jìn)劑燃燒環(huán)境的取樣系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜法對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒原位在線準(zhǔn)確檢測(cè)的關(guān)鍵。

1.5 固體推進(jìn)劑熄火燃面制備與分析

在固體推進(jìn)劑燃燒診斷過程中，凝聚相反應(yīng)區(qū)的原位在線檢測(cè)一直是燃燒診斷的難點(diǎn)。凝聚相區(qū)是燃燒反應(yīng)初始反應(yīng)區(qū)，對(duì)理解固體推進(jìn)劑燃燒機(jī)理具有重要的意義。固體推進(jìn)劑燃面是固體推進(jìn)劑燃燒凝聚相區(qū)的直觀反映。目前針對(duì)固體推進(jìn)劑凝聚相的診斷主要集中在對(duì)固體推進(jìn)劑熄火燃面的分析。

1.5.1 固體推進(jìn)劑熄火燃面制備

固體推進(jìn)劑熄火表面的制備主要通過破片降壓、噴射冷卻劑和銅臺(tái)熄火等方法[59-60, 30]。破片降壓法主要是通過壓力快速降低，使固體推進(jìn)劑無法維持其自持燃燒而熄火[59]。噴射冷卻劑主要是在固體推進(jìn)劑燃燒表面噴射干冰等冷卻劑使固體推進(jìn)劑表面快速降溫來實(shí)現(xiàn)固體燃燒終止[60]。采取破片降壓法、爆炸式噴射冷卻劑法雖然可以達(dá)到熄火的目的，但是在熄火過程中固體推進(jìn)劑的燃燒環(huán)境發(fā)生劇烈變化，可能會(huì)造成燃面發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，對(duì)固體推進(jìn)劑真實(shí)的燃燒狀態(tài)有一定的破壞。銅臺(tái)熄火法主要是將固體推進(jìn)劑粘在銅臺(tái)表面，利用銅良好的導(dǎo)熱性，使燃燒的固體推進(jìn)劑由于快速失熱而熄火[30]。銅臺(tái)熄火表面制備方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)燃燒環(huán)境幾乎沒有影響，因此一直被廣泛使用。但對(duì)于高能推進(jìn)劑，由于其燃燒比較劇烈，熄火成功率相對(duì)較低，因此發(fā)展新型固體推進(jìn)劑燃面無損獲取的方法，拓展固體推進(jìn)劑熄火范圍是固體推進(jìn)劑熄火表面關(guān)注的重點(diǎn)。

1.5.2 固體推進(jìn)劑熄火燃面表征和分析

針對(duì)固體推進(jìn)劑熄火燃面，利用特征分析表征方法，例如SEM、MAPING、TEM、XPS、EDS等方法的聯(lián)合使用可以實(shí)現(xiàn)熄火燃面微觀結(jié)構(gòu)和元素分布等物理和化學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確表征，進(jìn)而推導(dǎo)固體推進(jìn)劑燃燒過程中可能發(fā)生的反應(yīng)，解析其燃燒的機(jī)理。Yang等[30]利用SEM和EDS系統(tǒng)分析了含鋁和ZrH2的雙基固體推進(jìn)劑的熄火燃面的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布(圖6)。結(jié)果表明含鋁固體推進(jìn)劑熄火燃面主要分布的是金屬鋁粒子，而含有ZrH2的熄火燃面主要是ZrO2，進(jìn)而提出了不同于鋁在燃面發(fā)生融化吸熱的反應(yīng)，ZrH2在固體推進(jìn)劑燃燒過程中首先發(fā)生熱分解生成H2和金屬Zr，隨后Zr在燃面發(fā)生融化和燃燒生成ZrO2的釋能機(jī)制。

圖6 含Al和ZrH2固體推進(jìn)劑在不同燃燒壓力下熄火表面的SEM圖Fig.6 SEM images of the quenched surfaces of solid propellant containing Al and ZrH2

2 固體推進(jìn)劑燃燒模擬診斷

隨著計(jì)算模擬的完善和算法的發(fā)展，利用模擬技術(shù)探究固體推進(jìn)劑燃燒模型方面發(fā)揮越來越重要的作用[49, 61-65]。在模擬計(jì)算中，根據(jù)關(guān)注的重點(diǎn)不同，研究者采用的建模方法也不同，目前固體推進(jìn)劑燃燒模型根據(jù)研究關(guān)注的反應(yīng)相大體可以分為氣相和固相的模擬研究。

2.1 氣相模型

氣相模型模擬過程研究主要關(guān)注固體推進(jìn)劑燃燒過程中的熱特性、物質(zhì)和能量交換過程，以及詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)過程，而針對(duì)固體推進(jìn)劑功能組分的粒度和形貌等物理參數(shù)不做考慮。鑒于固體推進(jìn)劑燃燒的復(fù)雜性，固體推進(jìn)劑氣相模擬方面也發(fā)展了眾多計(jì)算模擬模型[65-75]。BDP模型是一個(gè)經(jīng)典的模擬模型。該模型雖然忽略了一些重要的物理參量，采用了簡(jiǎn)單的一維計(jì)算，但是成功闡明了固體推進(jìn)劑燃燒場(chǎng)的多項(xiàng)重要特征，奠定了固體推進(jìn)劑燃燒過程計(jì)算模型的基礎(chǔ)。在固體推進(jìn)劑燃燒狀態(tài)復(fù)雜模擬方面，Miccio[67]在考慮能量方程和質(zhì)量方程、固體熱傳導(dǎo)、燃燒速率的熱解定律的基礎(chǔ)上首次提出了固體推進(jìn)劑燃燒的二維計(jì)算模型，在跨固-氣界面的通量條件下，模擬了相應(yīng)黏合劑和氧化劑的燃燒模型。目前關(guān)于固體推進(jìn)劑燃燒的氣相模擬發(fā)展已有很多相關(guān)綜述[49,62,65]。近年來，A.M. Hegab等[68]系統(tǒng)考慮固體推進(jìn)劑燃燒涉及的氣相和固相耦合過程，以及固體推進(jìn)劑燃面退移涉及的非穩(wěn)態(tài)多維過程建立了計(jì)算固體推進(jìn)劑燃燒的非均質(zhì)二維計(jì)算方法，計(jì)算了氣相壓力，火焰結(jié)構(gòu)，燃面幾何結(jié)構(gòu)對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒行為的影響規(guī)律。Nguyen等[69]針對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒燃面不斷變化，采用移動(dòng)邊界建模方法建立固體推進(jìn)劑燃燒的精確數(shù)學(xué)模型。按照質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒，以及運(yùn)動(dòng)界面框架內(nèi)的本構(gòu)方程，通過對(duì)移動(dòng)界面問題進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到固定界面公式，建立了AP燃燒的數(shù)學(xué)模型，成功預(yù)測(cè)了AP燃燒的動(dòng)態(tài)特性。

上述模擬模型本質(zhì)上屬于半詳細(xì)動(dòng)力學(xué)模型，主要基于簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)，利用質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒等方面模擬推進(jìn)劑燃燒模型，在此基礎(chǔ)上利用詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型探究明確的基元反應(yīng)機(jī)理的研究也是人們關(guān)注的重點(diǎn)[63,70-78]。詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型通過明確的基元反應(yīng)來分析和解釋燃燒過程中詳細(xì)化學(xué)本質(zhì)，有助于深入理解固體推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理過程。Thakre等[76]基于質(zhì)量、物質(zhì)濃度和能量守恒方程，以及凝聚態(tài)和氣相的有限速率化學(xué)動(dòng)力學(xué)，研究了二硝胺(ADN)燃燒過程中所涉及的物理化學(xué)過程，提出了凝聚相中ADN的3個(gè)全局分解反應(yīng)，在氣相中提出了包含34種物質(zhì)和165種反應(yīng)的詳細(xì)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程，詳細(xì)描述了ADN的燃燒波結(jié)構(gòu)和燃燒速率特征，成功預(yù)測(cè)推進(jìn)劑燃燒速率和表面溫度的變化。詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型通過明確的基元反應(yīng)來分析和解釋燃燒過程中詳細(xì)化學(xué)本質(zhì)，有助于理解固體推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理過程。Patidar等[75]通過詳細(xì)動(dòng)力學(xué)在HMX起始反應(yīng)途徑的基礎(chǔ)上研究了HMX的凝聚相反應(yīng)機(jī)理過程，提出了一個(gè)包括109種物質(zhì)和157種反應(yīng)的機(jī)理模型。

隨著模擬研究的深入，以固體推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)燃燒等模型為代表的復(fù)雜模擬模型使得固體推進(jìn)劑燃燒特性的模擬更加準(zhǔn)確。同時(shí)通過模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，固體推進(jìn)劑模擬模型構(gòu)建也更加完善。固體推進(jìn)劑模擬模型在模擬固體推進(jìn)劑的火焰結(jié)構(gòu)和溫度波分布等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有助于更加深入理解固體推進(jìn)劑實(shí)際燃燒波的變化規(guī)律，明確其相應(yīng)的反應(yīng)過程。在反應(yīng)機(jī)理方面，利用詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型揭示了很多單元和準(zhǔn)單元固體推進(jìn)劑相應(yīng)的氣相反應(yīng)過程，闡明了其相應(yīng)的基元反應(yīng)過程。單元和準(zhǔn)單元等固體推進(jìn)劑主要組分反應(yīng)機(jī)理模型的建立，有助于進(jìn)一步理解固體推進(jìn)劑相應(yīng)的燃燒過程。

2.2 固相模型

在固體推進(jìn)劑燃燒過程中，功能組分的粒度分布和形貌等物理參數(shù)對(duì)其燃燒反應(yīng)行為有直接的影響。因此針對(duì)固體推進(jìn)劑功能組分的形貌、尺寸分布、產(chǎn)熱等固相特性建模也一直是固體推進(jìn)劑燃燒建模研究的重點(diǎn)方向[79-86]。Plaud 等[79]模擬不同橢球形AP在不同排布條件下AP/HTPB固體推進(jìn)劑的燃燒情況，結(jié)果表明AP粒子的取向?qū)腆w推進(jìn)劑的燃燒有顯著的影響。Gallier等[83]模擬了AP/HTPB固體推進(jìn)劑中AP粒子形狀和尺寸分布對(duì)點(diǎn)火延遲的影響，解釋了AP粒子延遲點(diǎn)火的限制機(jī)制。

在實(shí)際過程中，固體推進(jìn)劑中功能組分的排布取向整體是隨機(jī)的，在建模過程中為了反應(yīng)真實(shí)粒子分布情況Knott等[84]通過開發(fā)一種隨機(jī)填充算法，模擬AP顆粒在真實(shí)條件下的隨機(jī)填充，提升了模擬計(jì)算的精度。Rajoriya等[85]使用隨機(jī)填充算法來模擬固體推進(jìn)劑固體填料間的熱擴(kuò)散率和導(dǎo)熱率，在對(duì)顆粒形狀和顆粒間接觸點(diǎn)進(jìn)行假定的條件下，模擬結(jié)果較好地預(yù)測(cè)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Bojko等[86]隨機(jī)填充算法模擬不同粒度AP粒子在AP/HTPB模型推進(jìn)劑中的分布情況，并在此基礎(chǔ)上模擬了其燃燒狀態(tài)，闡明了粒度對(duì)固體推進(jìn)劑燃速的影響規(guī)律(圖7)。

圖7 不同粒度AP在黏合劑中隨機(jī)分布示意圖Fig.7 Representations of a tri-modal distribution of AP crystals within a binder idealized as spheres

目前在固體推進(jìn)劑燃燒診斷方面，尤其是固體推進(jìn)劑燃燒反應(yīng)中間體的捕捉和解析，相應(yīng)關(guān)鍵反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面依然存在諸多困難。通過燃燒模擬對(duì)不同主要組分燃燒反應(yīng)歷程的構(gòu)建和解析有助于理解固體推進(jìn)劑的燃燒反應(yīng)歷程。通過模擬對(duì)比不同粒度、不同形貌固體推進(jìn)劑的燃燒反應(yīng)行為，有助于進(jìn)一步理解主要組分粒度和形貌等對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒特性的影響規(guī)律。目前依然缺少對(duì)固體推進(jìn)劑的燃燒反應(yīng)行為進(jìn)行精確預(yù)測(cè)的方法，但是隨著模擬計(jì)算方法計(jì)算能力的提升，計(jì)算模擬將成為診斷推進(jìn)劑燃燒過程的重要工具。

3 結(jié)束語

固體推進(jìn)劑的燃燒過程是一個(gè)高溫高壓條件下復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)過程。針對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒波診斷發(fā)展了眾多的方法，但由于燃燒環(huán)境的苛刻性和各診斷方法應(yīng)用的局限性，目前準(zhǔn)確獲取固體推進(jìn)劑燃燒過程中的相關(guān)物理和化學(xué)參數(shù)進(jìn)而有效拓展對(duì)其燃燒機(jī)理的認(rèn)識(shí)還存在一定挑戰(zhàn)。如何匹配好復(fù)雜燃燒體系的需求和燃燒診斷模式的應(yīng)用條件，有效拓展對(duì)燃燒機(jī)理的認(rèn)識(shí)深度和燃燒診斷方法的適用性，尤其是在高壓強(qiáng)、劇烈光噪及煙塵背景下實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒場(chǎng)物理及化學(xué)特征變化規(guī)律的深入認(rèn)識(shí)，可能是未來最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。

在此針對(duì)不同燃燒診斷方法的發(fā)展和改進(jìn)方向提出如下展望：

(1) 在固體推進(jìn)劑溫度測(cè)量方面，微熱電偶法以其能準(zhǔn)確反映固體推進(jìn)劑各燃燒區(qū)的溫度變化規(guī)律，是固體推進(jìn)劑燃燒溫度測(cè)量的主要方法。在非接觸測(cè)溫方面，多種測(cè)量方法相結(jié)合的測(cè)溫方式使其測(cè)量精度逐步提高。如何進(jìn)一步提升推進(jìn)劑燃溫檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確度也一直是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)下固體推進(jìn)劑燃燒溫度實(shí)際測(cè)量過程中大多集中在針對(duì)特定點(diǎn)場(chǎng)或者平面的燃燒溫度場(chǎng)的測(cè)量，如何實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑燃燒火焰的三維溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確構(gòu)建和測(cè)量也將是研究的重點(diǎn)方向；

(2) 在固體推進(jìn)劑燃燒波診斷方面，從單幅高分辨數(shù)字圖像技術(shù)到高速CCD技術(shù)，目前對(duì)燃燒波診斷的時(shí)空分辨要求越來越高。在確定固體推進(jìn)劑燃燒火焰狀態(tài)的同時(shí)，目前以數(shù)字在線全息技術(shù)和PLIF技術(shù)等為代表的能夠準(zhǔn)確反映固體推進(jìn)劑特定組分燃燒狀態(tài)原位在線表征的方法是當(dāng)下研究的重點(diǎn)，但如何克服燃燒壓強(qiáng)和復(fù)雜背景氣氛、煙塵背景等影響依然面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)針對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒火焰的三維重構(gòu)技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注；

(3) 在固體推進(jìn)劑燃燒組分的檢測(cè)方面，目前快速靈敏、適用范圍廣的光譜法依然是固體推進(jìn)劑燃燒組分檢測(cè)的主要方法。在燃燒組分診斷方面如何實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑燃燒過程相關(guān)反應(yīng)中間體的有效提取，實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑燃燒成分實(shí)時(shí)在線檢測(cè)是固體推進(jìn)劑燃燒需要重點(diǎn)關(guān)注的方向；

(4) 在固體推進(jìn)劑燃燒模擬診斷方面，目前通過計(jì)算模擬可以實(shí)現(xiàn)對(duì)固體推進(jìn)劑特定燃燒特性參數(shù)進(jìn)行初步預(yù)測(cè)。鑒于固體推進(jìn)劑燃燒的復(fù)雜性，目前依然缺少準(zhǔn)確的模型實(shí)現(xiàn)對(duì)固體推進(jìn)劑燃燒反應(yīng)行為的精確預(yù)測(cè)。深入理解固體推進(jìn)劑燃燒過程的熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，優(yōu)化固體推進(jìn)劑燃燒模擬模型，進(jìn)一步提升模擬的精度依舊是模擬計(jì)算發(fā)展的重點(diǎn)。隨著模擬模型的不斷進(jìn)步和完善，相信模擬計(jì)算在固體推進(jìn)劑燃燒診斷方面將發(fā)揮越來越重要的作用。

針對(duì)固體推進(jìn)劑的原位在線的多維度燃燒實(shí)時(shí)診斷還存在一定的困難。同時(shí)在固體推進(jìn)劑燃燒診斷方面的研究大多集中在固體推進(jìn)劑的穩(wěn)態(tài)模型燃燒方面的研究，而固體推進(jìn)劑實(shí)際燃燒工況一般是一個(gè)動(dòng)態(tài)燃燒過程，因此發(fā)展以旋轉(zhuǎn)燃燒為代表固體推進(jìn)劑真實(shí)條件下的動(dòng)態(tài)燃燒方法也將是固體推進(jìn)劑燃燒診斷發(fā)展的重點(diǎn)。