固體燃料燃燒性能測試系統與HTPB基燃料的點火-燃燒特性研究.pdf

1、混合推進技術結合了固體推進技術和液體推進技術的特點，將燃料和氧化劑分別貯于不同的狀態(tài)，具有安全性高、開/關機和推力調節(jié)方便、可靠性高等優(yōu)點。然而，混合推進技術的發(fā)展受到燃料退移率低的制約，國外對提高燃料的退移率的方法和途徑做了大量的研究;國內針對混合推進用燃料的研究較少。有必要建立相應的燃料燃燒性能測試系統，開展燃料的燃燒性能研究，尋求提高燃料退移率的新途徑。
　　本文設計建立了用于燃料燃燒性能測試的高速攝影法測試系統，系統包括激

2、光點火系統、氧氣噴注系統、光學測試系統、壓強控制系統、燃燒室移動支架和燃燒室腔體。設計的燃料燃燒性能測試系統可開展不同氧化劑/固體燃料組合的燃燒性能測試實驗，實驗壓強范圍為0.1 MPa～2.5 MPa(更換K9透鏡，壓強最高可至20 MPa)。系統設計的氧化劑噴注器更換簡單，可方便地開展燃料在不同進氣方式下的燃燒性能測試實驗。由壓力傳感器，多路控制器和快速響應電磁閥組成的壓強控制系統確保燃料燃燒時燃燒室的壓強在目標壓強的±6％內波動。

3、燃料退移端面呈圓形，退移端面直徑隨時間的推移逐漸增大，二者之間滿足冪函數關系。分析推導了燃料的退移速率、氧燃比、質量消耗率與時間和氧化劑質量密流的關系，得到了適用于本測試系統的數據處理方法。
　　HTPB基礎燃料基本組分確定為HTPB、DOA、IPDI和TIN，它們在燃料中所占的質量比例分別為78.86％，13.04％，7.67％和0.43％，固化參數為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下的點火特性實驗。在激光功率密度為50 W/cm2～200 W/cm2時，HTPB基燃料的點火延遲時間隨著激光功率密度的增加而縮短。燃料的點火延遲時間(ti)與激光功率密度(q)滿足ti=Aq-n的關系;所有燃料在0.1 MPa和1.0 MPa下的點火延遲時間與激光功率密度的關系根據前式擬合的擬合參數n都接近于1.0，而A值卻相差較大;

5、當壓強從0.1 MPa增加至1.0 MPa時，HTPB燃料、添加有Mg的HTPB燃料和添加有MgB的HTPB燃料的點火延遲時間被縮減了一半。高速攝影記錄的燃料點火過程表明，點火火焰與固相燃料間的距離隨著壓強的增大而減小，而激光輻射下產生的燃料蒸汽濃度隨著壓強的增大而增大，這些都是燃料的點火延遲時間隨著壓強的升高而急劇縮短的原因。
　　利用燃料燃燒性能測試系統測試了氣態(tài)氧氣作氧化劑時(初始氧化劑質量密流為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）與氧化劑質量密流(Gox)的關系利用式rf(t)=aGnox(t)擬合的擬合指數(n)為0.724±0.003，與文獻報道值接近，說明該測試系統測試結果是可靠的。添加的三種金屬顆粒對HTPB燃料的退移率和質量消耗率均有一定的促進作用，而且這種促進作用隨著氧化劑質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HTPB燃料的退移率

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