固體燃料燃燒性能測(cè)試系統(tǒng)與HTPB基燃料的點(diǎn)火-燃燒特性研究.pdf

1、混合推進(jìn)技術(shù)結(jié)合了固體推進(jìn)技術(shù)和液體推進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)，將燃料和氧化劑分別貯于不同的狀態(tài)，具有安全性高、開/關(guān)機(jī)和推力調(diào)節(jié)方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。然而，混合推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展受到燃料退移率低的制約，國(guó)外對(duì)提高燃料的退移率的方法和途徑做了大量的研究;國(guó)內(nèi)針對(duì)混合推進(jìn)用燃料的研究較少。有必要建立相應(yīng)的燃料燃燒性能測(cè)試系統(tǒng)，開展燃料的燃燒性能研究，尋求提高燃料退移率的新途徑。
　　本文設(shè)計(jì)建立了用于燃料燃燒性能測(cè)試的高速攝影法測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)包括激

2、光點(diǎn)火系統(tǒng)、氧氣噴注系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、壓強(qiáng)控制系統(tǒng)、燃燒室移動(dòng)支架和燃燒室腔體。設(shè)計(jì)的燃料燃燒性能測(cè)試系統(tǒng)可開展不同氧化劑/固體燃料組合的燃燒性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)范圍為0.1 MPa～2.5 MPa(更換K9透鏡，壓強(qiáng)最高可至20 MPa)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的氧化劑噴注器更換簡(jiǎn)單，可方便地開展燃料在不同進(jìn)氣方式下的燃燒性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。由壓力傳感器，多路控制器和快速響應(yīng)電磁閥組成的壓強(qiáng)控制系統(tǒng)確保燃料燃燒時(shí)燃燒室的壓強(qiáng)在目標(biāo)壓強(qiáng)的±6％內(nèi)波動(dòng)。

3、燃料退移端面呈圓形，退移端面直徑隨時(shí)間的推移逐漸增大，二者之間滿足冪函數(shù)關(guān)系。分析推導(dǎo)了燃料的退移速率、氧燃比、質(zhì)量消耗率與時(shí)間和氧化劑質(zhì)量密流的關(guān)系，得到了適用于本測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法。
　　HTPB基礎(chǔ)燃料基本組分確定為HTPB、DOA、IPDI和TIN，它們?cè)谌剂现兴嫉馁|(zhì)量比例分別為78.86％，13.04％，7.67％和0.43％，固化參數(shù)為1.04。在真空環(huán)境中邊攪拌邊超聲的方法制備的燃料孔隙率低于1％，燃料中的微米

4、金屬粉分布均勻無團(tuán)聚。
　　開展了CO2激光輻射下HTPB基燃料在0.1 MPa和1.0 MPa下的點(diǎn)火特性實(shí)驗(yàn)。在激光功率密度為50 W/cm2～200 W/cm2時(shí)，HTPB基燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著激光功率密度的增加而縮短。燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間(ti)與激光功率密度(q)滿足ti=Aq-n的關(guān)系;所有燃料在0.1 MPa和1.0 MPa下的點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光功率密度的關(guān)系根據(jù)前式擬合的擬合參數(shù)n都接近于1.0，而A值卻相差較大;

5、當(dāng)壓強(qiáng)從0.1 MPa增加至1.0 MPa時(shí)，HTPB燃料、添加有Mg的HTPB燃料和添加有MgB的HTPB燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間被縮減了一半。高速攝影記錄的燃料點(diǎn)火過程表明，點(diǎn)火火焰與固相燃料間的距離隨著壓強(qiáng)的增大而減小，而激光輻射下產(chǎn)生的燃料蒸汽濃度隨著壓強(qiáng)的增大而增大，這些都是燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著壓強(qiáng)的升高而急劇縮短的原因。
　　利用燃料燃燒性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了氣態(tài)氧氣作氧化劑時(shí)(初始氧化劑質(zhì)量密流為380 kg/(m2·s))

6、，燃料在1.0 MPa和1.9 MPa下的燃燒特性。1.0 MPa下，HTPB燃料的退移率（rf）與氧化劑質(zhì)量密流(Gox)的關(guān)系利用式rf(t)=aGnox(t)擬合的擬合指數(shù)(n)為0.724±0.003，與文獻(xiàn)報(bào)道值接近，說明該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果是可靠的。添加的三種金屬顆粒對(duì)HTPB燃料的退移率和質(zhì)量消耗率均有一定的促進(jìn)作用，而且這種促進(jìn)作用隨著氧化劑質(zhì)量密流的增加而增加。較高的火焰溫度和較大的密度使am_Al對(duì)HTPB燃料的退移率

7、和質(zhì)量消耗率的促進(jìn)作用都優(yōu)于其它兩種金屬粉，在氧化劑質(zhì)量密流為300 kg/(m2·s)時(shí)，其質(zhì)量消耗率相對(duì)于不含添加材料的HTPB燃料增加了83.2％; MgB對(duì)燃料的退移率的促進(jìn)作用要弱于微米Mg粉。
　　利用NASA-CEA程序計(jì)算了幾種燃料在不同氧化劑/燃料質(zhì)量比(O/F)下的理想化學(xué)推進(jìn)性能。計(jì)算結(jié)果表明，在1.0＜O/F＜6.5時(shí)，HTPB燃料、添加有Mg的HTPB燃料、添加有MgB的HTPB燃料和添加有am_Al的H