《Combustion and Flame》：Flame structure variation and controllable combustion mechanism of ADN-based laser-controlled gel propellant under low-pressure environment
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本研究采用冻融法制备了ADN基激光可控凝胶推进剂，揭示了在低压环境下压力与激光功率密度对燃烧边界及火焰结构的影响机制，阐明了可控燃烧的临界条件（激光功率密度0.51 W·mm?2，压力0.04 MPa），为智能推进系统设计提供了理论支撑。
Jingyuan Zhang|Jiabin Yang|Buren Duan|Xueying Guo|Hongyu Chen|Yuhan Zhang|Wangxiang Fang|Ziyi Mao|Ruiqi Shen|Lizhi Wu
南京工业大学化学与化学工程学院，中国南京210094
摘要
激光可控微推进技术是一种新兴的微推进技术，能够在激光照射下快速点燃推进剂，并在激光移除后迅速熄灭火焰。该技术具有开关可控性和燃烧速率可调等优点。凝胶推进剂结合了液体和固体推进剂的优点，属于一类新型推进剂。其在激光可控燃烧中的应用拓宽了其应用范围。然而，凝胶推进剂在低压环境下的火焰结构、燃烧流场及可控燃烧机制仍不甚明了。本研究采用冻融法制备了一种基于ADN的激光可控凝胶推进剂，并研究了其在低压下的燃烧边界和燃烧速率变化。进一步分析了压力和激光功率密度对推进剂火焰结构的影响，阐明了可控燃烧的机制。在固定压力0.1 MPa和激光功率密度分别为0.17 W•mm?2、0.34 W•mm?2以及0.51 W•mm?2至1.54 W•mm?2的条件下，该凝胶推进剂表现出三种不同的状态：非点燃状态、自维持燃烧状态和可控燃烧状态。当激光功率密度固定为0.51 W•mm?2且压力从大气压（0.1 MPa）降至0.04 MPa时，推进剂保持了良好的可控燃烧性能，燃烧产生的气体喷射速度也随之增加。分析表明，在低压和高激光功率密度条件下，气相区域中暗区的增厚导致火焰远离燃烧表面；同时，增强的气体喷射速度减少了从气相火焰传递回燃烧表面的热流。这种热流的减少降低了化学反应热的积累，从而实现了推进剂的可控燃烧。本研究为凝胶推进剂的激光可控燃烧机制提供了宝贵的数据和理论依据。
创新性与重要性声明
基于ADN的凝胶推进剂是一种具有固液相变特性的新型绿色推进剂。本研究首次揭示了基于ADN的激光可控凝胶推进剂的燃烧波结构。通过建立不同压力和激光功率密度下的定量燃烧速率模型，并结合燃烧流场分析，明确了气相区域的厚度是实现非自维持燃烧转变的关键因素。这项研究为燃烧波的主动控制提供了重要的理论支持，并为设计智能、可调节推力的推进系统提供了新的范式。
引言
固体火箭发动机具有结构简单、维护方便、储存寿命长和可靠性高等优点，因此在导弹系统和航天器中得到广泛应用[[1], [2]]。然而，现有发动机在按需输出推力方面存在技术瓶颈，重启和推力控制难度较大，严重限制了智能、高机动性和快速穿透型导弹设备的发展[[3]]。可控固体推进技术使得固体推进剂能够在外部物理场（如电场[[4], [5], [6]]、激光[[7], [8]]、微波[[9], [10]]）的作用下实现开关操作和推力调节，从而赋予发动机智能和机动性。因此，研究固体推进剂的可控能量释放过程具有重要意义。
激光可控微推进技术是一种利用光能（如激光或高能束）来控制和点燃推进剂的新技术。其原理包括在激光照射下点燃推进剂并在激光移除后迅速熄灭火焰，重新施加激光时再次点燃推进剂。通过调节激光功率密度，可以在一定范围内调节推进剂的燃烧速率，实现实时推力调节。与传统化学推进相比，激光可控推进技术具有高精度控制、快速响应、可重复点燃、高安全性和环保等优点[[11], [12]]。与电控推进相比，它没有电磁干扰，能量需求相对较低，推进剂结构更简单，适用于航空航天、军事和科学研究的各种任务场景。尽管这项技术仍处于发展阶段，但其独特优势使其成为未来智能推进技术的重要方向[[13]]。
在激光可控固体推进剂的点火阶段，能量主要通过激光输入到凝聚相表面。燃烧开始后，激光必须穿过气相区域以照射凝聚相表面。在此过程中，激光功率密度和推进剂火焰结构的变化会影响燃烧状态[[14], [15], [16]]。近期研究还模拟了太空环境，重点关注低压下的推进剂燃烧现象。Wang Y[17]指出，低压下含硼燃料丰富的推进剂的燃烧过程分为凝聚相和气相反应区，并比较了不同配方下火焰区厚度的变化。Xue X[18]发现，低压（0.5 atm）显著提高了HTPB基固体推进剂的气相燃烧产物流速。Zhang W[19]发现，当压力从1 atm降至0.3 atm时，AP/HMX/Al/HTPB复合固体推进剂的燃烧速率和温度下降，主要是由于低压下气体分子密度降低所致。
激光可控凝胶推进剂在推进器内部传输时表现出类似液体的特性，但在点火和产生推力时表现出类似固体的特性，结合了固体和液体推进剂的优点。激光可控凝胶推进剂的能量释放机制与传统推进剂有显著差异[[13]]。激光不仅作为点火源，还参与燃烧速率的调节。然而，低压环境下凝胶推进剂火焰结构变化与可控燃烧之间的关系尚不明确。为解决这些问题，本研究基于不同激光功率密度和压力下的可控/自维持燃烧区域，通过分析火焰结构和凝胶推进剂的燃烧速率模型，揭示了激光和压力如何调节推进剂燃烧过程中气相反应区的厚度，并阐明了激光可控燃烧的机制。本研究为实现激光可控凝胶推进剂的精确可控燃烧提供了数据支持和理论依据。
激光可控凝胶推进剂的制备
在基于ADN的激光可控凝胶推进剂配方中，氧化剂为环保型硝酸胺（ADN），来源于黎明化工研究院；燃料成分是1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺（[AMIM][DCA]），由上海帝拜生物技术有限公司提供。氧化剂和燃料的比例确保系统中氧气平衡为零，为推进剂燃烧提供基本的能量基础。激光吸收剂为
可控燃烧边界的研究
在研究外部因素对推进剂可控燃烧边界的影响时，准确判断推进剂的燃烧状态至关重要。本研究使用光电传感器监测推进剂的燃烧过程，图5展示了不同燃烧状态下的激光信号和火焰光信号输出示意图。本研究将推进剂的燃烧状态分为
结论
本研究采用冻融法制备了一种激光可控凝胶推进剂，并对其在激光照射下的燃烧机制进行了研究，重点探讨了气固燃烧区域对其可控性的影响。结果表明，该推进剂实现可控燃烧的最低激光功率密度和临界压力分别为0.51 W·mm?2和0.04 MPa。当压力固定为0.1 MPa且激光功率
作者贡献声明
Jingyuan Zhang：撰写初稿、进行形式分析、数据整理。Jiabin Yang：数据可视化、形式分析。Buren Duan：项目监督、行政管理。Xueying Guo：方法学指导。Hongyu Chen：方法学指导。Yuhan Zhang：实验研究。Wangxiang Fang：形式分析。Ziyi Mao：数据可视化。Ruiqi Shen：撰写、审稿与编辑。Lizhi Wu：撰写、审稿与资金筹集。
