含硼富燃料推進(jìn)劑一次燃燒影響因素及產(chǎn)物燃燒性能研究.pdf

1、含硼富燃料推進(jìn)劑是固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高能量密度推進(jìn)能源，其燃燒過(guò)程分為在燃?xì)獍l(fā)生器中進(jìn)行的一次燃燒和在補(bǔ)燃室中進(jìn)行的二次燃燒兩個(gè)階段，其中一次燃燒為二次燃燒提供燃料和進(jìn)一步燃燒的溫度、壓強(qiáng)等條件，因此推進(jìn)劑的一次燃燒性能對(duì)其在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的能量發(fā)揮具有重要影響。單質(zhì)硼是含硼富燃料推進(jìn)劑中最重要的燃料組分，研究硼粒子在一次燃燒過(guò)程中的反應(yīng)特性是推進(jìn)劑燃燒機(jī)理研究的關(guān)鍵，并對(duì)提高推進(jìn)劑的燃燒性能具有重要意義。
　　本文從不同種類硼粉

2、的物理化學(xué)特性出發(fā)，對(duì)含硼富燃料推進(jìn)劑的硼原料進(jìn)行了優(yōu)化，并在研究不同組分對(duì)推進(jìn)劑一次燃燒性能的基礎(chǔ)上對(duì)推進(jìn)劑的配方進(jìn)行了初步優(yōu)化。通過(guò)對(duì)一次燃燒產(chǎn)物的組分分析，從化學(xué)反應(yīng)的角度研究了含硼富燃料推進(jìn)劑一次燃燒過(guò)程中硼粒子的反應(yīng)特性，并通過(guò)一次燃燒凝聚相產(chǎn)物的點(diǎn)火燃燒特性研究，探索了推進(jìn)劑的二次燃燒規(guī)律。本文的主要內(nèi)容和得到的結(jié)論可概括為以下四個(gè)方面：
　　（1）通過(guò)熱分析實(shí)驗(yàn)和激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，對(duì)無(wú)定形硼粉、硼鎂復(fù)合粉、包覆硼粉和團(tuán)聚

3、硼粉的熱反應(yīng)特性及點(diǎn)火燃燒特性進(jìn)行了研究，并通過(guò)熱分析-紅外光譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)、X射線衍射實(shí)驗(yàn)和激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)探索了氧化劑對(duì)無(wú)定形硼粉熱反應(yīng)特性和點(diǎn)火燃燒特性的影響。研究結(jié)果表明，與無(wú)定形硼粉相比，硼鎂復(fù)合粉具有粒子規(guī)則性好、室溫下抗氧化能力強(qiáng)、燃燒劇烈程度高等優(yōu)點(diǎn)，更適合作為含硼富燃料推進(jìn)劑的原材料。但是由于鎂燃燒生成的氧化鎂對(duì)硼粒子的燃燒有阻礙作用，使得中等鎂含量的硼鎂復(fù)合粉的燃燒性能最佳。另外，含鉀氧化劑，尤其是高氯酸鉀，對(duì)硼粒子的燃燒具

4、有明顯的促進(jìn)作用。
　　（2）制備了不同配方的含硼富燃料推進(jìn)劑，并對(duì)各推進(jìn)劑的一次燃燒參數(shù)（燃速、燃燒溫度、燃燒成氣率和熱分解特性）進(jìn)行了測(cè)試，系統(tǒng)地研究了燃料和氧化劑對(duì)含硼富燃料推進(jìn)劑一次燃燒性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硼含量較高時(shí)推進(jìn)劑的一次燃燒性能下降明顯，因此推進(jìn)劑中的硼含量不應(yīng)過(guò)高；使用黑索今或奧克托今代替含硼富燃料推進(jìn)劑中的部分高氯酸銨能夠提高推進(jìn)劑的燃燒性能，而使用高氯酸鉀或硝酸鉀代替含硼富燃料推進(jìn)劑中的部分高氯酸銨會(huì)

5、降低推進(jìn)劑的燃燒性能。另外，這四種氧化劑均不能有效地提高含硼富燃料推進(jìn)劑的燃速壓強(qiáng)指數(shù)。
　　（3）研制了含硼富燃料推進(jìn)劑一次燃燒產(chǎn)物的收集裝置，建立了一次燃燒產(chǎn)物組分的定性和定量分析方法，并對(duì)不同配方含硼富燃料推進(jìn)劑在不同燃燒壓強(qiáng)下進(jìn)行了一次燃燒產(chǎn)物的收集和組分分析。組分分析結(jié)果表明，一次燃燒凝聚相產(chǎn)物中往往含有較多的三氧化二硼和碳化硼，說(shuō)明單質(zhì)硼在一次燃燒過(guò)程中化學(xué)性質(zhì)比較活潑，傾向于與其它組分發(fā)生反應(yīng)。推進(jìn)劑的燃速、燃燒溫度

6、和燃燒壓強(qiáng)都對(duì)一次燃燒凝聚相產(chǎn)物的組分具有很大影響，總體來(lái)說(shuō)，燃燒溫度和燃燒壓強(qiáng)的升高，以及燃速的降低都會(huì)使碳化硼的含量增加，其中，燃燒壓強(qiáng)對(duì)燃燒產(chǎn)物組分的影響主要是通過(guò)改變推進(jìn)劑的燃速和燃燒溫度來(lái)體現(xiàn)的。
　　（4）使用高能 CO2激光器對(duì)收集到的一次燃燒凝聚相產(chǎn)物進(jìn)行點(diǎn)火燃燒實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)光譜儀和高速攝像儀對(duì)各凝聚相產(chǎn)物的點(diǎn)火燃燒性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一次燃燒凝聚相產(chǎn)物的燃燒起始于單質(zhì)碳的燃燒，且凝聚相產(chǎn)物的粒徑和組分都