【摘要】：硼是一種質量熱值和體積熱值都非常高的金屬燃料。以硼作為主要能量來源的硼基貧氧固體推進劑非常適合應用于固體火箭沖壓發(fā)動機。硼基貧氧固體推進劑在固體火箭沖壓發(fā)動機燃氣發(fā)生室點火后噴入補燃室的不完全燃燒產物稱為一次硼產物,是連接硼基貧氧固體推進劑一、二次燃燒過程的重要紐帶。為了解硼基貧氧固體推進劑的一次燃燒過程,并高效組織其后續(xù)的二次燃燒,有必要對一次硼產物體系,包括一次硼產物、含硼多元體系及硼顆粒的能量釋放特性進行研究。首先利用X射線衍射、X射線光電子能譜和熱重分析試驗定性分析了一次硼產物樣品的主要成分。以此為基礎,通過結合管式爐、離子色譜、紅外光譜和電感耦合等離子發(fā)射光譜等多種分析方法提出了對一次燃燒產物樣品組分進行定量分析的完整流程,并得到了樣品復雜成分的定量分析結果。試驗測試的一次硼產物樣品組分主要包含B、C、B13C2、B4C、H3BO3、B2O3、BN、Mg、MgCl2、和NH4Cl等,其中質量分數最大的三種成分依次為BmCn(22-24%)、B203(20%)和B(16.8%),而質量分數最大的三種含能成分依次為BmCn、B和C(9.8-11.8%)。推進劑中的氧化劑NH4ClO4在一次燃燒過程中已完全消耗,而金屬添加劑Mg在一次燃燒過程中反應程度很低。硼基固體推進劑的一次燃燒整體反應程度較低,組織好二次燃燒對提高推進劑性能具有重要意義。通過激光點火試驗和熱重/差示掃描量熱分析對比研究了無定形硼與一次硼產物樣品的點火燃燒特性差異及關聯(lián)。此外,利用激光點火試驗系統(tǒng)比較了不同金屬添加劑和燃氣發(fā)生器壓力對一次硼樣品點火燃燒特性的影響規(guī)律。一次硼產物中硼元素含量遠低于無定形硼,但其燃燒過程最大全波段光譜強度比無定形硼高出約5%,其全時段光譜強度僅比無定形硼低2%以下。一次硼產物點火延遲時間比無定形硼短約150 ms,而自持燃燒時間比無定形硼長約200 ms。無定形硼的熱氧化過程主要包括水分蒸發(fā)失重和單質硼氧化增重兩個過程,而一次硼產物的熱氧化過程還包括NH4Cl分解和碳化硼與碳氧化兩個失重過程。鎂鋁合金能有效增大樣品的燃燒強度,使樣品的平均燃燒溫度達到1440.36 ℃。樣品的點火延遲時間在61-96 ms之間,燃燒時間在1243-1254 ms之間。其中鎂鋁合金和金屬鈦有助于縮短樣品的點火延遲時間,并延長樣品的自持燃燒時間。各金屬添加劑中,鎂鋁合金對促進樣品能量釋放最為有利,而金屬鋁效果最弱。此外,燃氣發(fā)生器內部壓力越高,對應樣品的點火燃燒性能越差。利用雙攝像雙濾鏡火焰形貌測試系統(tǒng)和熱重/紅外光譜聯(lián)用熱分析系統(tǒng)分析了不同配比硼/碳化硼二元體系樣品的點火燃燒和熱氧化特性。利用激光點火固體微推進測試系統(tǒng)測定了不同燃氧比的硼/高氯酸銨二元體系樣品在微圓管燃燒器中的推進性能。利用熱重分析系統(tǒng)對硼/端羥基聚丁二烯/氧化劑三元體系樣品進行了熱重/差示掃描量熱分析和動力學分析。硼/碳化硼二元體系樣品的燃燒過程可以分為初始發(fā)展階段、穩(wěn)定燃燒階段和熄火階段。樣品燃燒時形成耀眼的綠色特征火焰,穩(wěn)定燃燒階段的火焰形狀為錐形。樣品熱氧化過程的低溫段分解會發(fā)生輕微失重(吸熱)。而B4C和B的氧化會使樣品在熱氧化過程的高溫段產生明顯增重(放熱)。樣品熱氧化過程中氣體產物主要包括CO2和CO等。含硼量為60%時樣品的氧化溫度最低,樣品的放熱強度和放熱量最大。當硼/高氯酸銨二元體系樣品的燃氧比降低時,樣品的最大推力、比沖和密度比沖先增大后減小。當樣品燃氧質量比為40%時性能最優(yōu),最大密度比沖為0.474 kg/m2 ·s。在硼/端羥基聚丁二烯/氧化劑三元體系樣品的熱氧化過程中,NH4ClO4包覆的樣品比相同配方機械混合的樣品性能顯著提高。KNO3包覆能夠顯著改善樣品的點火特性;LiClO4包覆對降低樣品中硼的氧化反應難度最為有利;奧克托今(HMX)包覆對增加樣品的放熱量最為有利;NH4ClO4機械混合的樣品中硼的反應最為困難。分別利用壓力聚光點火試驗系統(tǒng)(原始系統(tǒng))和經“氧射流”改造的試驗系統(tǒng)對壓力環(huán)境下無定形硼的靜態(tài)和動態(tài)點火燃燒特性進行研究。模壓無定形樣品(靜態(tài))點火延遲時間和燃燒時間均隨環(huán)境壓力升高而縮短,同時燃燒強度逐漸增大。9 atm下,樣品點火延遲時間和燃燒時間分別為2640 ms和2596 ms,而最大燃燒溫度為1561.5℃。樣品表面火焰亮度最大,由中間燃燒產物B02(對應發(fā)射光譜波長547.3nm,綠色)產生。此外,試驗還檢測到了中間燃燒產物BO(431.9nm,青色)的發(fā)射光譜。樣品固相燃燒產物中存在兩種不同結構,一為片狀B2O3結構,二為絮狀不完全氧化物結構(主要包含B6O、B2O3等)。其中結構二的大部分被結構一覆蓋。樣品的完全氧化率隨燃燒時環(huán)境壓力升高而增大,最高為68.71%。無定形硼及包覆硼顆粒的氧射流點火試驗(動態(tài))中,各樣品平均點火時間均短于平均燃燒時間。包覆和增大氧壓力均能改善樣品的點火燃燒特性。具體表現(xiàn)為減小樣品的平均點火和燃燒時間,增大燃燒強度,提高燃燒均勻性。相對而言,硝基胍包覆的改善效果要優(yōu)于高氯酸銨包覆。在樣品最大發(fā)射光譜曲線中,觀察到了 BO2、BO和Na(雜質)的特征峰。采用雙束聚焦離子束微納加工儀對不同熱氧化程度和點火階段的無定形硼樣品進行刻蝕,切取厚度約300 nm的超薄切片。將樣品切片置于掃描透射電子顯微鏡下進行觀測,并使用X射線能譜儀對切片元素分布進行掃描。熱氧化過程中樣品先后經歷兩種不同反應模式:加熱終溫不大于650 ℃的樣品,其氧化反應僅發(fā)生在顆粒表面,即表面反應模式。加熱至700 ℃的樣品顆粒內部也發(fā)生了氧化,形成大量孔隙,呈蜂窩狀結構,即全局反應模式。實際點火過程中硼顆粒全局反應被推遲,氧擴散幾乎完全被限制在顆粒表面。結合前人研究結果可知,硼顆粒表面同時存在氧和(BO)n的雙向擴散。以此為依據建立硼顆粒點火延遲階段動力學模型。建模時,認為硼顆粒在傳熱階段只進行傳熱,不發(fā)生氧化;而在低溫氧化階段傳熱和氧化同時進行。在低溫氧化階段,氧化反應的作用則包括氧化硼蒸發(fā)、氧擴散、(BO)n擴散和水蒸汽反應四個宏觀反應。最終硼顆粒的點火延遲時間等于傳熱和低溫氧化階段持續(xù)時間之和。模型的計算結果與前人在同時含氧和水蒸汽環(huán)境下的試驗結果相吻合。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V512
【圖文】：

化劑的含量，突破了以往固體推進劑的比沖限制。由于這一優(yōu)勢，目前幾乎所有具備導彈逡逑生產能力的國家，如美、英、俄、日、法、德等國和我國都競相開展了固體火箭沖壓發(fā)動逡逑機的相關研究，并相繼進行了飛行試驗［１２］。圖１．邋１所示為固體火箭沖壓發(fā)動機的基本結構，逡逑主要包括燃氣發(fā)生器、一次噴管、進氣道、補燃室及二次噴管等。推進劑預先裝填在燃氣逡逑發(fā)生器前端，點火后首先在燃氣發(fā)生器內部進行一次燃燒，產生高溫的一次燃燒產物氣流逡逑從一次噴管噴至補燃室。另一方面，外部超聲氣流通過機身兩側進入進氣道，并在通道內逡逑被壓縮并減速為亞聲速高壓氣流，在一次噴管后方構成紊流區(qū)。一次燃燒產物氣流與沖壓逡逑紊流氣流在補燃室內進行充分摻混與二次燃燒，燃燒后的高溫高壓氣流從發(fā)動機尾部的二逡逑次噴管噴出，從而產生推力［１３’１４］。逡逑１逡逑

邐Ｐｒｉｍａｒｙ逡逑（邋Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ邋＾邐（邋Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ邋Ｃｏｎｉｌｍｓｔｏｒ〉逡逑圖１．１固體火箭沖壓發(fā)動機基本結構：１３３逡逑固體推進劑是固體火箭發(fā)動機的動力來源。常用的固體推進劑通常是多種含能材料的逡逑復合藥劑，主要成分包括燃料、氧化劑和一些影響其力學或穩(wěn)定性能的添加劑等。其中作逡逑為能量主體的燃料又可能由硝化纖維、金屬燃料、高能炸藥及高分子聚合物（粘合劑）等逡逑中的一種或多種成分組成。由于固體火箭沖壓發(fā)動機所用推進劑的燃氧比高于常規(guī)固體推逡逑進劑，通常被稱為貧氧固體推進劑或富燃固體推進劑，但其成分種類與一般固體推進劑基逡逑本一致。半個多世紀以來，為配合固體火箭沖壓發(fā)動機的高比沖、高飛行速度等性能要求，逡逑貧氧固體推進劑的相關研究已在全球范圍內廣泛開展；１５］。逡逑在固體推進劑中添加金屬燃料的最初目的是希望利用金屬燃料的高熱值提高推進劑逡逑比沖。實際嘗試后，發(fā)現(xiàn)金屬燃料還具有緩解高頻燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象等其他一些優(yōu)良效杲Ｍ。逡逑隨后，金屬及其化合物粉末開始廣泛地被添加到固體推進劑中，并成為固體推進劑主要的逡逑熱量來源之一。常用的金屬燃料包括鋁、硼、鎂、鋅和鈹等［１７＿２２］（硼雖然是非金屬，但行逡逑業(yè)內根據其應用范圍通常也將其歸類到金屬燃料中），這些金屬及相應完全氧化物的理化逡逑特性在表１．１中給出。其中鈹雖然具有極高的質量熱值和體積熱值

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 YU Dan;KONG ChengDong;ZHUO JianKun;LI ShuiQing;YAO Qiang;;Oxidation characteristics of boron particles[J];Science China(Technological Sciences);2015年12期

2 劉道平;夏智勛;胡建新;黃利亞;方傳波;;固沖補燃室團聚硼顆粒燃燒試驗[J];國防科技大學學報;2015年05期

3 高豐;楊坤;;高氯酸銨基復鹽包覆硼粉的制備與表征[J];四川兵工學報;2015年09期

4 范振賽;任先京;張鑫;張春鳴;王彥軍;;鎂硼復合粉點火燃燒性能研究[J];礦冶;2015年03期

5 梁導倫;王縱濤;劉建忠;張彥威;敖文;席劍飛;汪洋;周俊虎;;碳對無定形硼顆粒的點火燃燒特性影響[J];含能材料;2014年03期

6 李和平;楊衛(wèi)娟;汪洋;敖文;劉建忠;周俊虎;;含硼燃料在微小圓管中的點火燃燒特性[J];浙江大學學報(工學版);2014年05期

7 馮喜平;劉洋;任全彬;李進賢;;基于King模型的含硼富燃燃氣燃燒模擬[J];固體火箭技術;2014年02期

8 敖文;周俊虎;劉建忠;楊衛(wèi)娟;汪洋;;粒徑和晶形對硼顆粒點火燃燒特性的影響[J];含能材料;2013年06期

9 席劍飛;劉建忠;汪洋;李和平;張彥威;周俊虎;岑可法;;不同包覆劑對硼顆粒點火燃燒的影響[J];固體火箭技術;2013年05期

10 席劍飛;劉建忠;李和平;汪洋;張彥威;周俊虎;岑可法;;促進硼顆粒點火和燃燒的方法的研究進展[J];含能材料;2013年04期

相關博士學位論文 前3條

1 敖文;硼顆粒點火燃燒機理研究[D];浙江大學;2014年

2 高東磊;含硼富燃料推進劑一次燃燒性能研究[D];國防科學技術大學;2009年

3 胡建新;含硼推進劑固體火箭沖壓發(fā)動機補燃室工作過程研究[D];國防科學技術大學;2006年

相關碩士學位論文 前3條

1 周華;含硼推進劑一次燃燒產物點火燃燒特性研究[D];浙江大學;2013年

2 劉建;微尺度下含能材料的燃燒與推進原理研究[D];南京理工大學;2010年

3 張瓊方;超細硼粉的表面包覆研究[D];西北工業(yè)大學;2005年

本文編號：2734477