硼在几种空气增力喷气发动机中的应用前景和存在的问题

本文结合三种冲压式发动机讨论了采用硼作燃料的优点、实际问题和性能,研究表明,与碳氧燃料相比,采用硼作燃料,理论上有显著的性能增益。但是,由于硼的点火温度高(1900K)和燃烧性能差,因此,要想得到高的燃烧效率,就必须对燃烧室系统采取一些专门措施。含硼量高的固体燃料和推进剂会因燃烧不均匀而引起推车发生变化,同时,由于硼粒子的烧结块在燃烧室内得不到充分的停留时间,也会使燃烧不完全。     

多次点火对固体燃料冲压发动机燃烧的影响

此项实验研究在于了解多次点火对固体燃料冲压发动机燃烧效率和燃料性能的影响，研究对象分别为纯ＨＴＰＢ固体燃料和金属化Ｂ４Ｃ／ＨＴＰＢ固体燃料。试验中采用差分扫描量热法分析了对燃料性能的影响。其中燃料药柱的热性能和机械性能没受到影响，燃烧效率略有增加。     

国内外含硼富燃料推进剂燃烧性能研究现状

介绍了硼及其含硼富燃料推进剂的燃烧特性，综述了国内外在调节含硼富燃料推进剂的点火、燃烧性能所采取的技术途径，提出了改善含硼富燃料推进剂燃烧性能的方法。     

日本的复合高燃速推进剂研究

为提高推进剂的燃速 ,试制了 11种复合推进剂试样 ,评价了其基本点火燃烧特性与压缩强度。以硝酸三铵基胍 (TAGN)为氧化剂、氢化硼化合物为燃料和燃烧催化剂 ,并在粘合剂中添加高分子量聚己内酰铵为组分的试样在密闭弹式容器中进行燃烧试验。结果在压力 49MPa时取得 5 4m/s的燃速 ,在压力为 98MPa时取得92m/s的燃速。以该值为标准与典型的M30三基发射药燃速比较约提高 110 0倍。而且在该压力范围的同组分其压力指数为 1。另外根据克鲁普 (Krupp)着火点试验结果明确了该组分与M30相比 ,热感度较低 ,具有使用安全性能。     

硼在固体推进剂中的应用展望

对硼颗粒的点火和燃烧特性研究进行了简要的叙述, 结合硼颗粒点火和燃烧研究进展及其应用情况, 认为以下四方面将会促进硼在固体推进剂中的应用, 即固体火箭发动机整体级方案选用洁净固体推进剂技术、高性能火箭发动机技术、新材料合成技术的发展促进硼在固体推进剂中的应用以及硼在调节固体推进剂燃烧特性中所起的作用.     

电控固体推进剂制备方法及性能研究进展

电控固体推进剂（Electrically Controlled Solid Propellants, ECSPs）具有通电燃烧、断电熄灭,燃速实时可调的特性,在微小型及大型固体火箭发动机领域中都具有良好的应用前景。总结了近年来国内外ECSPs的制备方法,主要为溶胀法、熔融混合法、室温法、冷冻-解冻法和3D打印法,综述了ECSPs热稳定性、电阻特性、点火及燃烧特性、老化特性及电弧烧蚀与羽流特性等研究进展,指出具有低毒、高比冲、高可控性的硝酸羟胺基电控固体推进剂及具有高熄火压强阈值的高氯酸盐基电控固体推进剂是目前研究重点,提出未来ECSPs的研究方向在于加强和完善ECSPs性能研究、开发ECSPs点火及燃烧性能测试装置和规范测试方法、提高ECSPs燃速特性以及深入研究ECSPs点火及燃烧机理,建立点火和燃烧模型等。     

改善含硼高能贫氧推进剂燃烧特性的技术途径

综述了国内外对含硼贫氧推进剂燃烧特性及其改进技术的研究成果，结果表明，硼粉具有高燃烧热值，但点火性能和燃烧特性较差，采用硼粉表面包覆，添加易燃金属和高能粘合剂等技术是改善硼粉点火和燃烧特性的有效途径。     

硼粒子表面包覆层对管道火箭固体推进剂燃烧的影响

用几种诊断装置对B/MA/AP/HTPB富燃固体推进剂(其中硼粒子具有不同的表面包覆层)的燃烧特性进行了研究。这些诊断装置包括:开窗式药条燃烧器、CO_2激光点火装置、快速降压熄火装置、热分析仪和小型发动机静态试验装置。用于硼粒子包覆的材料有LiF、Viton A(氟橡胶)和硅烷。为了进行比较,对含有未包覆硼的基础配方也进行了研究。开窗式药条燃烧器和静态试验结果表明,LiF推进剂有最显著的总体燃烧特性。点火试验表明,在同一热流量下,LiF推进剂的点火时间最短,而Viton A推进剂的最长。另外,还提出了燃烧机理以解释实验结果和观察到的燃烧现象。     

氧化剂包覆硼颗粒对硼基推进剂点火燃烧特性的影响

选取高氯酸铵(AP)、硝酸铵(AN)、硝基胍(NQ)、奥克托今(HMX)4种氧化剂,采用重结晶法包覆硼(B)颗粒,制取了相应的B基推进剂样品。利用热重-差示扫描量热及激光点火试验系统研究了不同氧化剂包覆对B基推进剂点火燃烧特性的影响,设置机械混合样品作为对照组。结果表明,AP的包覆会使样品发生低温急剧燃烧,从而促进硼颗粒的低温氧化,有效缩短样品的点火延迟时间至330 ms。与机械混合样品进行对照发现,包覆是产生低温急剧燃烧现象的重要原因。AN包覆的B基推进剂样品具有更低的起始反应温度,为327.6℃,但其整体放热性能较差,平均燃烧温度仅为642.8℃。NQ、HMX的包覆能有效提高B基推进剂的燃烧强度,缩短燃烧时间。其中,NQ有利于提高燃烧强度的峰值;而HMX则更有利于整体燃烧强度的提升,其包覆使B基推进剂燃烧时间缩短为2750 ms,平均燃烧温度达到845.5℃,放热量提高至9968 J·g~(-1)。     

燃料组分对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

对含不同金属添加剂(镁、铝及镁铝合金)、不同硼粉粒度及硼粉含量的含硼富燃料推进剂分别进行了爆热(Qv)、燃烧温度(Tf)和成气率(η)测试,对比研究了金属组分对含硼富燃料推进剂燃烧性能的影响。结果表明:镁比铝能提高含硼富燃料推进剂的爆热值、燃烧温度和成气率;镁铝合金比镁更能降低含硼富燃料推进剂爆热及燃烧温度,且提高推进剂燃烧的成气率;当硼粉粒度较粗或较细时,含硼富燃料推进剂的爆热及燃烧温度均较高,而成气率较低,硼粉粒度适中时,推进剂的爆热值及燃烧温度均较低,而成气率较高;硼粉含量增大(氧化剂AP的含量减小),含硼富燃料推进剂的爆热、成气率均降低,而燃烧温度升高。     

包覆及团聚对硼燃烧的影响

采用DTA-TG研究了包覆材料AP、LiF对硼颗粒热氧化特性的影响。并通过氧弹式量热计测试了不同粒度团聚硼的燃烧热及含硼富燃料推进剂的爆热,研究了包覆材料AP、LiF以及团聚硼颗粒粒度与团聚硼燃烧热和推进剂爆热之间的关系。结果表明,AP有利于提高硼的氧化程度,LiF可显著降低硼的氧化温度。包覆材料可显著改善了硼颗粒的燃烧性能,利于团聚硼颗粒及推进剂能量的释放,且小粒度的团聚硼有利于硼的燃烧。     

TATB基PBX的快速烤燃实验与数值模拟

根据TATB基高聚物黏结炸药(TATB基PBX)异常环境安全性特点(例如导弹发射失败),采用固体推进剂作为燃料开展了带2 mm厚约束钢壳的TATB基PBX快速烤燃小尺寸实验,模拟推进剂燃烧时具有一定约束炸药的响应情况,并且利用实验得到的炸药表面热流通量作为边界条件,采用高阶有限元法对炸药样品升温过程进行了数值模拟。实验中测量了炸药表面温度随时间变化情况,利用温度数据和Duhamel叠加原理计算得到炸药表面平均热流通量在其点火前为19.17 kW.m-2,在此平均热流通量条件下,带2 mm厚约束钢壳的TATB基PBX点火反应时间为95 s。研究结果表明,固体推进剂燃烧会在短时间内引起TATB基PBX点火燃烧反应,但不会发生猛烈的爆燃或爆轰现象。     

无阻流式固体燃料冲压发动机燃料的燃速特性

无阻流式固体燃料冲压发动机用燃料，必须是能在约１ＭＰａ以下低压状态下燃烧的贫氧固体燃料。与火箭推进剂相比，由于燃烧成分过剩和氧化剂不足，所以燃烧机理也有很大差异。对添加硼的贫氧复合系固体燃料进行了实验研究。添加硼在低压下独立燃烧性能良好，随着硼添加量的增加可以得到很高的燃速。     

硼粒子表面包覆对富燃料推进剂热分解特性的影响

借助于ＤＴＡ、ＴＧ、ＤＳＣ等热分析手段，研究了硼表面包覆对Ｂ／Ｍｇ／ＡＰ／ＨＴＰＢ富燃料推进剂热分解特性的影响。用于硼粒子表面包覆的材料有ＡＰ、ＫＰ及ＬｉＦ。为便于对比，对含未包覆硼的基础配方也作了相应分析。研究表明，硼包覆有助于提高硼粒子的反应活性，可促进燃料的热分解。从而对提高含硼富燃料推进剂的燃烧性能极为有利。     

金属燃料在不同气氛中的点火温度

利用自行设计的金属燃料点火温度测试系统,测试了常压下分别在空气和氧气中的镁包覆硼粉（包覆度20%）、镁粉及铝合金am-Al的点火温度。结果表明,与在空气中相比,3种金属燃料在氧气中的点火温度均有所降低;镁包覆硼粉有效降低了硼的燃点,促进了硼的点火和燃烧,且镁包覆硼粉在氧气中更易燃烧,其点火温度仅为约195.92℃;am-Al在氧气中可点燃,其点火温度低于镁,且燃烧放出的热量最高。在充足的氧气环境下,镁包覆硼粉及am-Al的点火温度均低于300℃,二者均可用作高热值金属燃料。     

硝酸羟胺基绿色推进剂研究进展

硝酸羟胺（HAN）基推进剂具有能量高、安全钝感和燃烧产物绿色无毒等优点,在推进系统连续启动和推力调节等操作方面具有一定优势。综述了HAN基液体推进剂、HAN基凝胶推进剂和HAN基固体推进剂的配方组成、分解特性、点火燃烧性能及相关的应用技术状况。提出了今后的研究重点：制备HAN基液体推进剂用高性能催化剂床,同时发展电点火为可靠点火方式;改善HAN基凝胶推进剂点火性能,加快工程化应用;探究HAN基固体推进剂燃熄可控机理,突破大规模推进系统应用瓶颈。     

硼粉在冲压发动机补燃室中可燃性研究

在综述国内外有关硼粉点火和燃烧研究成果的基础上,分析了硼粉点烧的条件,归纳总结了改善硼粉燃烧的技术途径,并结合冲压发动机补燃室的特性,探讨了硼粉在补燃室中燃烧的可能性,提出了确保硼粉可燃的技术措施.试验表明采用的技术途径和手段有效,显著改善了硼粉的点火性能和燃烧效率,验证了理论分析结果.     

含硼BAMO/NMMO富燃固体推进剂的燃烧特性

硼/聚(BAMO/NMMO)富燃固体推进剂是在固体燃料冲压发动机上具有应用潜力的一种推进剂,因而对其燃烧特性进行了研究。BAMO/NMMO共聚物燃料热解能力强,能够使硼粒子扩散至主要反应区,在相同的硼含量下,BAMO/NMMO共聚物燃料优于常规丁羟(HTPB)燃料。尽管它有很高并且正值的生成热,但其比冲却比丁羟的低,在所研究的这类推进剂中发现有六方晶体氮化硼(BN)生成。指出了生成BN的有利条件。BN对高当量比时发动机的理论性能有极大的影响。推进剂燃速与压力紧密相关,而与硼含量成非单调性关系。用“能汇”假说解释了这一现象,精细金属热电偶的测试结果为这一假说提供了证据。     

用于混合冲压发动机的固体燃料燃烧特性

使用固体燃料和液体燃料两种燃料的混合冲压发动机, 可望兼具固体燃料冲压发动机2次燃烧点火性/燃烧稳定性良好的特征和液体燃料冲压发动机比冲(Isp)性能高、 流量控制范围大的特征.针对混合冲压发动机用固体燃料, 试制了在适用的物质中添加硼(B)的固体燃料, 使用小型冲压发动机实施了仅用固体燃料状态的燃烧试验.试验结果显示, 1次燃烧特性和2次燃烧点火性能良好, 并利用改变空气导入方法提高了2次燃烧效率.     

不同环境压强下炭黑含量对聚乙烯点火和燃烧性能的影响

为了获得炭黑质量分数和环境压强对固体燃料聚乙烯点火和燃烧性能的影响,加工了不同组分配比的固体燃料样品。以CO2激光器作为点火源研究了它们的点火和燃烧特性。用高速摄影仪记录实验过程。用扫描电子显微镜观测了燃烧后的固体燃料表面形貌。分析了不同环境压强下不同组分配比固体燃料的点火燃烧过程、点火延迟时间和燃速。结果表明,固体燃料聚乙烯的点火过程为典型的气相点火,燃烧火焰属扩散火焰。点火延迟时间随着炭黑的加入急剧缩短,当炭黑质量分数大于20%时,炭黑质量分数的增加对点火延迟时间的影响很小。点火延迟时间随着环境压强的增加缩短,当环境压强大于0.2MPa时,环境压强的增加对点火延迟时间的影响也很小。根据实验结果,采用最小二乘法,拟合得到了环境压强为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5MPa时点火延迟时间与炭黑质量分数的函数关系式。固体燃料的燃速随炭黑质量分数的增大而减小,随压强的增大而增大,当炭黑质量分数大于5%时,炭黑质量分数是影响固体燃料燃速的主要因素。