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铝颗粒在固体推进剂燃烧表面的聚集机制及模型研究，通过整合推进剂内部微观结构、熔融液层物理特性与经典口袋模型，提出新型数学模型。研究表明熔融液层是聚集主区，环境压力增加通过降低聚集数(Nag)和液层厚度抑制整体聚集效应。
成寅图|熊晨|周长生
清华大学燃烧能源中心与能源与动力工程系，北京100084，中国
摘要
将铝颗粒掺入固体推进剂中可以提高能量密度和发动机的比冲。然而，这些颗粒在燃烧表面的聚集可能导致燃烧不完全，从而产生诸如喷嘴侵蚀和两相流动损失等不良影响。在这项研究中，通过整合颗粒聚集的物理机制、推进剂的内部微观结构以及经典的口袋模型，开发了一个铝颗粒聚集的数学模型。研究结果表明，推进剂燃烧表面的熔融液层是颗粒聚集的主要场所。环境压力的增加主要减少了铝颗粒的聚集数（N_ag），同时减少了熔融液层的厚度，从而抑制了整体的聚集程度。
引言
将铝颗粒添加到固体推进剂中可以提高能量密度和比冲[1]、[2]。然而，随着燃烧表面的后退，铝颗粒并不会立即从表面脱离。在积累、聚集和团聚[3]之后，铝颗粒会形成较大的团聚体，导致燃烧不完全[4]，从而产生诸如喷嘴侵蚀和两相流动损失[5]、[6] [7]等不良影响。
在之前的研究中，我们使用高速摄像机观察了铝颗粒的聚集过程[8]。在燃烧过程中，铝颗粒会形成氧化铝外壳，这阻碍了它们的快速点燃[9]。这些带有氧化铝外壳的铝颗粒可以吞噬新暴露的铝颗粒，从而促进自身的生长[10]。为了研究铝颗粒的聚集过程，研究人员提出了各种模型[11]、[12]、[13]。Yavor等人[14]提出，燃烧表面的液层是一种熔融的粘性流体，颗粒在其中可以自由移动。液层不仅会积累和加热铝颗粒，还会通过表面张力将它们固定住。他们引入了“聚集数（N_ag）”的概念[14]，即铝颗粒的点燃延迟时间（t_iɡ）与铝颗粒在液层中的积累时间（t_ac）的比值，表示为N_ag = t_iɡ / t_ac。当N_ag < 1时，铝颗粒的聚集效应最小；当N_ag > 1时，大多数铝颗粒在点燃前已经积聚在液层中。常用的铝颗粒聚集模型是Crump提出的口袋模型[15]。他认为推进剂中铝颗粒之间的间隙被视为被铝颗粒包围的孤立口袋，每个口袋内的铝颗粒最终会形成团聚体。口袋的大小决定了团聚体的最终尺寸[16]。后续的研究改进了口袋模型，并成功预测了铝颗粒团聚体的粒径分布[17]、[18]、[19]。
然而，Yavor提出的模型没有考虑推进剂的内部几何结构，而口袋模型缺乏对燃烧过程的分析[15]。因此，本研究结合实验研究和理论模型来探讨铝基固体推进剂燃烧表面上铝颗粒的聚集过程。
部分摘录
样品
本研究中使用了一种硝酸酯增塑聚醚（NEPE）推进剂。其基本成分包括氧化剂（高氯酸铵，AP，15 wt%，200–300 μm）、金属燃料（铝，20 wt%，3 μm）、高能增塑剂（硝化甘油和丁三醇三硝酸酯，NG/BTTN，15 wt%）、交联剂（环氧丙烷叠氮化物聚合物，GAP，7 wt%）、高能炸药（HMX和CL-20，40 wt%，50 μm）以及少量其他添加剂。
建模
在推进剂燃烧过程中，燃烧表面会形成一层熔融液层（MLL），铝颗粒在此层中积累并融合。随着燃烧表面的后退，这些铝颗粒会与MLL中的其他颗粒接触。在表面张力的作用下，铝颗粒不会立即从表面喷射出去。铝颗粒的运动受到液体介质与颗粒之间相对流动的阻碍。图2展示了这一过程的示意图。
结果与讨论
使用扫描电子显微镜（SEM）获得了CCPs的图像，以研究其微观结构，如图4所示。CCPs主要由铝团聚体和冷凝液层（CLLs）组成[22]。铝团聚体的尺寸超过100 μm，呈球形，数量众多，占据了CCPs的大部分。CLL是燃烧后MLL冷凝形成的固体产物。另一种主要的燃烧产物也是CLL，但其形状较长。
结论
通过结合推进剂熔融液层的物理结构与经典的口袋聚集模型，提出了一种新的铝颗粒聚集模型。该模型的优势在于它考虑了熔融液层对燃烧表面以及推进剂内部几何结构的影响。模型表明，铝团聚体的大小与聚集数密切相关。
CRediT作者贡献声明
成寅图：撰写——原始草稿、方法论、研究、概念化。熊晨：监督、资源提供。周长生：监督、资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报道工作的财务利益或个人关系。
致谢
感谢南京科学技术大学在实验过程中的支持和帮助。
