自燃型离子液体点火燃烧机制研究进展

自燃型离子液体具有极低蒸气压、低毒、高热稳定性等优点,是最有潜力取代肼及其衍生物的新一代绿色推进剂燃料。深入理解自燃性和点火燃烧过程对离子液体推进剂系统的实际应用至关重要,为此,综述了近年关于自燃型离子液体点火燃烧机制方面的研究进展,主要包括自燃反应路线与机理、点火和燃烧过程以及自燃性理论预测三个方面,详细介绍了以二氰胺阴离子和硝酸为主的自燃反应机理,分析了自燃型离子液体点火燃烧的几个阶段及现象,总结了对自燃性进行预测的几种方法,提出未来的重点发展方向在于扩展和完善除二氰胺外其它阴离子的反应机理、开发新型的绿色氧化剂代替有毒的发烟硝酸、统一规范点火装置和方法以及优化理论预测模型提高预测方法的精确性等。     

硼氢类自燃离子液体的研究进展

硼氢类自燃离子液体具有粘度低、点火延迟时间短、成本低等优势,是最具潜力的传统推进剂燃料代替品之一。系统综述了基于硼氢阴离子构筑的自燃离子液体的相关研究,汇总了硼氢类自燃离子液体的分子设计、合成方法与物化性质,总结了2011年以来有关硼氢类自燃离子液体燃烧机理和自燃性能的研究,展望了硼氢类自燃离子液体的发展趋势与应用范围。     

双(咪唑)硼烷类自燃离子液体的合成、表征及性质

以三甲胺硼烷为反应底物,通过两步法,合成了以不同烃基侧链咪唑硼烷为阳离子,二氰胺根和硝基氰胺根为阴离子的系列离子液体。采用1H和13C核磁、红外及高分辨质谱等表征方法,确认了所得离子液体的结构和组成,并测定计算了其性质。结果表明:所得离子液体的分解温度均高于150℃,密度为1.04~1.27 g·cm-3,比冲为173.8~202.1 s。随着咪唑阳离子烃基侧链的增长,相应离子液体的密度减小,生成焓增大。二氰胺类离子液体同相应的硝基氰胺类离子液体相比,具有更短的点火延迟时间。其中,双烯丙基咪唑硼烷二氰胺离子液体具有良好的综合性能(粘度69 m Pa·s,分解温度180℃,生成焓753.6 k J·mol-1,点火延迟时间18 ms,比冲176.7 s),有望作为一种绿色燃料应用于双组元液体自燃推进剂。     

多三元环季铵自燃离子液体的合成及性能

以三元碳环作为张力能结构单元,合成了基于N,N-(二环丙基甲基)环丙胺为阳离子,二氰胺根和氰基硼氢根为阴离子的系列离子液体。采用核磁(NMR)、红外光谱(IR)和高分辨率质谱(HRMS)等表征方法,确认了所得离子液体的结构,并对其物化性质(如熔点、热分解温度、密度、粘度、生成焓、比冲和点火延迟时间)进行了测定或计算。结果表明：设计合成的10种离子液体均能与白烟硝酸(WFNA)发生自燃,氰基硼氢类离子液体与相应的二氰胺类离子液体相比,点火延迟时间更短。张力环结构的引入可提高离子液体生成焓(0.87～1.96 kJ·g^-1),三元环结构紧凑的堆积有利于提高离子液体密度(1.01～1.18 g·cm^-3),张力环基自燃离子液体表现出更高的密度比冲(436.7～454.4 s·g·cm^-3)。分子结构中引入张力环基团为提高自燃离子液体的能量密度提供了新的思路。     

硼颗粒点火和燃烧研究进展

综述了国内外硼颗粒点火和燃烧的研究状况;讨论了改善硼颗粒点火和燃烧行为的途径。指出硼表面的氧化物是造成硼点火困难和燃烧效率低的主要因素。在含硼推进剂中使用细粒么匠硼,对硼进行包覆并添加其它组分,可提高硼在推进剂中的利用效率。     

粒径和晶形对硼颗粒点火燃烧特性的影响

针对粒径和晶形对硼颗粒燃烧的影响机理,利用激光点火系统研究了硼颗粒的点火燃烧特性。结果表明,在25~65 μm范围内,晶体硼点火延迟时间随粒径变化无明显规律,点火延迟时间在13~19 ms之间。晶体硼和无定形硼燃烧效率均随粒径增加而增加。当粒径小于65 μm,硼表面氧化层是影响硼燃烧效率的决定性因素。55 μm的晶体硼不仅点火延迟时间最短,而且燃烧最剧烈,表明55 μm可能是晶体硼颗粒点火燃烧性能最佳的尺寸。无定形硼的点火延迟时间要远低于晶体硼,燃烧效率、火焰强度及发射光谱强度也比晶体硼高。相对粒径,点火延迟时间对晶形更加敏感,晶形对硼点火燃烧具有更强的影响作用。     

四环庚烷的制备及自燃性

具有高张力和笼状结构的四环庚烷(QC)是很具潜力的自燃类碳氢燃料。研究了无溶剂条件下公斤级QC的合成工艺。测试了QC/白色发烟硝酸(WFNA)和QC/N2O4的自燃性能。结果表明,反应16 h和分离提纯后,QC产品的纯度和收率能分别达到99.5%和96.2%,单批产量为2 kg,QC/WFNA和QC/N2O4的点火延迟时间分别为98 ms和29 ms。固体纳米颗粒的添加能促进自燃性能,纳米硼、碳、铝可缩短点火延迟时间,添加质量分数为0.25%的纳米硼/碳/铝后点火延迟时间分别为68/73/75 ms(发烟硝酸)和18/27/33 ms(N2O4),证明QC可作自燃类高能液体推进剂使用。     

含BH3(CN)BH2(CN)- 阴离子的离子液体自着火过程的实验研究

采用长焦显微高速摄影技术和滴落法实验装置测试8种新合成的含[BH_3(CN)BH_2(CN)~-]阴离子的离子液体(I.L.1～I.L.8)分别与白烟硝酸和红烟硝酸的反应。结果表明:每次实验均获得稳定的自着火反应,并且观察到两种不同的火焰发展过程。I.L.8与白烟硝酸接触后发生微爆,短时间内出现自着火;而I.L.8与红烟硝酸接触后发生二次液滴飞溅,由于莱顿弗罗斯特效应的影响,反应后的泡沫状液滴反弹并出现短促燃烧反应,较长时间后发生自着火。对于杂环核心相同的离子液体,侧链上含有烯丙基的离子液体点火延迟时间最短,其次是含有乙基的离子液体,而含有丁基的离子液体与白烟硝酸反应的点火延迟时间最长;对于侧链相同的离子液体,含有吡啶杂环的离子液体点火延迟时间最长,其次是含有咪唑杂环的离子液体,而含有四氢吡咯的离子液体与白烟硝酸反应的点火延迟时间最长。生成焓越高的离子液体,点火延迟时间越短。     

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。     

促进硼颗粒点火和燃烧的方法的研究进展

汇集、评述了促进硼颗粒点火和燃烧的方法,包括选择合适粒径的无定形硼、提高环境温度和压力、在环境气氛中添加些氟化物和水蒸气以及硼颗粒的包覆和添加剂的改性。解释了各种促进方法的机理。分析并提出了促进硼颗粒点火和燃烧中存在的问题及需要解决这些问题的技术途径。附参考文献19篇。     

离子液体在含能材料领域的应用进展

近年来离子液体由于其独特的性质而受到广泛关注。本研究从离子液体应用于芳香环硝化、含氢键炸药回收提纯及在推进剂和熔铸炸药的方面进行了综述,认为离子液体在这些方面的绿色环保优势得到了充分体现。一些含能离子液体可应用于自燃推进剂燃料和替代TNT作熔融介质用于熔铸炸药,认为它们表现出很好的应用前景。     

推进剂初始温度影响液体火箭发动机燃烧稳定性的数值模型

对自然推进剂（ＭＭＨ／ＮＴＯ）初始温度对火箭发动机燃烧稳定性的影响进行了研究,从推进剂初始温度对蒸发速率的影响规律出发,发展了初始温度大小影响蒸发速率的物理模型。燃烧流动过程应用圆柱坐标系下的两相湍流化学反应Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程来描述,控制方程是用限体积法在任意曲线坐标系下进行离散,计算采用ＴＭＭ方法生成的正交网格。完善了一种压力隐式算子分裂算法,使之应用到燃烧过程和不稳定燃烧中,提高了计算的精度和稳定性;以蒸发作为燃烧速率控制过程,由ＭＭＨ的分解蒸发速率来控制。用蒸发和分解的时滞来分析燃烧不稳定性。应用ＣＦＤ技术发展了评定燃烧稳定性的脉冲枪模型,之后对推进剂初始温度对燃烧稳定性的影响进行了数值研究,得到其对振荡的敏感分析,并给出燃烧稳定性的极限图,说明了该物理模型和算法的可靠性。     

固体推进剂用燃烧催化剂的研究进展

综述了近年来固体推进剂中燃烧催化剂的国内外研究进展。总结了金属、金属氧化物、金属复合氧化物、金属有机化合物、含能化合物和新型碳材料等燃烧催化剂的特点和发展方向,以及量化计算在燃烧催化剂中的应用研究。可以看出,燃烧催化剂已由普通单一催化剂向纳米复合催化剂发展,由惰性催化剂向含能催化剂发展。量化计算可用于研究催化机理,预测及计算催化剂的结构和性能,指导燃烧催化剂的合成及其应用。考虑到绿色环保是当前社会发展的主题以及含能催化剂兼具含能和纳米双重优点,认为通过量化计算,设计合成绿色、钝感复合含能催化剂是未来燃烧催化剂的研究热点。     

含能离子化合物的分子设计与性能研究进展

含能离子化合物包括含能离子液体和含能盐,通过设计阴阳离子的化学结构,使其具有较高生成热、较高密度、钝感、稳定、环境友好等优良性能,从而满足武器装备对多功能含能材料的需求。综述了含能离子化合物的研究历史、分子设计及其性能,并展望了含能离子化合物的研究发展趋势,通过分子设计,得到新型的含能离子化合物,研究不同的阴阳离子对含能离子化合物性能的影响,为含能离子化合物的研究和发展提供参考。     

高燃速推进剂用硼氢化物的研究进展

对硼氢化物的合成进行了简单介绍,综述了离子型氢硼酸盐、碳硼烷及其衍生物、金属碳硼烷和硼烷类含能离子液体(盐)作为固体推进剂燃速调节剂研究工作的最新进展。离子型氢硼酸盐与碳硼烷均可较大范围调节固体推进剂的燃速,但离子型氢硼酸盐合成工艺相对简便、成本较低;含能离子液体(盐)具有高密度、高能量、钝感及毒性低等特点,将其应用于推进剂及炸药方面具有良好的发展前景。     

混合炸药设计研究进展

混合炸药是含能材料在武器中实现毁伤作用的能量源。本文简要综述了近年来混合炸药设计的研究进展和发展趋势,从新型高能炸药、含能粘结剂与增塑剂、高活性金属的应用三个方面阐述了混合炸药高能化设计的研究进展,再从低感含能材料、高效降感技术和抗力热环境材料与微结构的应用三个方面介绍了混合炸药钝感化设计的研究进展。依据不同的功能化设计,归纳了典型炸药配方组成、特点和应用情况,提出了未来混合炸药将朝着高能量密度化、钝感化、环境适应性提升、绿色化、理论设计加强方向发展。     

燃烧室整体旋转对液体推进剂燃烧的影响

针对燃烧室本身旋转和使用单组元液体推进剂的特点，对此两相湍流反应流在质量、动量和能量传输基础上，建立了旋转燃烧室中单组元液体推进剂雾化燃烧过程计算的模型和边界条件。模型计算采用ＳＩＭＰＬＥ算法和ＰＳＩＣ算法。计算结果提供了不同转速下的气相速度场和燃料浓度场。实验结果与计算结果一致。计算结果不仅反映了旋转对燃烧的明显影响，还说明本文的研究能用于预示和分析类似问题。     

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。     

复合球形药对改性双基推进剂力学性能和燃烧性能的影响

将RDX、铝粉、催化剂等用硝化棉包覆,制成复合球形药,然后用这种复合球形药制备出改性双基推进剂,测试了这种推进剂的力学性能和燃烧性能。结果表明,采用复合球形药制备的改性双基推进剂比用双基球形药制备的改性双基推进剂的力学性能大幅度提高,低温断裂延伸率从7.84%提高到26.86%,高温最大拉伸强度提高了0.97倍,燃速压强指数从0.38降低到0.30。