不同铝颗粒尺寸的复合固体推进剂在微波激发下的实验研究及燃烧速率建模

《Combustion and Flame》：Experimental investigation and burning-rate modeling of composite solid propellants with different aluminum particle sizes under microwave excitation

　　

杨文举|吴胜雷|邹向瑞|薛瑞|卢伟阳|南宝江

中国西安交通大学航空航天工程学院机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西省西安市西安宁路28号，710049

摘要

微波激励为复合固体推进剂（CSPs）的燃烧控制与性能提升提供了一种有前景的方法。然而，微波功率、燃烧室压力以及铝颗粒尺寸对燃烧速率增强和火焰结构演变的影响尚未得到充分理解，尤其是在高压条件下。本研究考察了不同压力和微波功率下CSPs的燃烧性能，并建立了相应的燃烧速率模型。实验使用了三种不同配比的推进剂，其铝颗粒的标称直径分别为5 μm、10 μm和15 μm，在微波增强的高压燃烧实验平台上测得了它们的燃烧速率和火焰结构。结果表明，微波激励显著提高了不同铝颗粒直径CSPs的燃烧速率，但燃烧速率增强的幅度随着燃烧室压力的增加而减小。在三种推进剂中，含有10 μm铝颗粒的推进剂表现出最明显的微波响应，这与微波能量反射的“皮肤深度”机制是一致的。在中等微波功率下，火焰高度和面积变得更紧凑；而在高微波功率下，火焰区域扩张，火焰亮度增加。基于Vieille定律，建立了一个新的固体推进剂燃烧速率模型，该模型统一考虑了微波功率、燃烧室压力和颗粒尺寸的影响。该模型具有良好的预测能力，预测值与实测值的平均偏差小于0.2 mm/s，表明模型能够捕捉到微波激励的影响、高压条件下的抑制效应以及燃烧速率对颗粒尺寸的依赖性。

部分摘录

创新性与意义

本研究独特地整合了微波功率、压力和铝颗粒尺寸的耦合效应，揭示了复合固体推进剂中微波辅助燃烧的基本机制。与以往仅关注单一参数的研究不同，本研究发现了颗粒尺寸对微波响应的影响，识别了燃烧速率随功率增加的非单调变化，并将这些现象与“皮肤深度”机制联系起来。

本研究中使用的复合推进剂基于典型的AP/HTPB/Al配方。氧化剂为高氯酸铵（AP，99%，Aladdin，上海），由粗颗粒（200–230 μm）和细颗粒（60–80 μm）按质量比8:2混合而成；粘合剂为羟基封端的聚丁二烯（HTPB，羟值0.47–0.53 mmol/g，Macklin，上海）；增塑剂为二辛基癸酸酯（DOS，97.0%，Macklin，上海）；固化剂为甲苯二异氰酸酯（TDI，98%）。

通过燃烧实验研究了铝颗粒尺寸对微波响应和燃烧速率的影响。实验在非微波和微波条件下进行，微波功率分别设定为0 W、350 W、650 W、950 W和1250 W，每种条件重复3–5次。使用高速相机记录整个燃烧过程以获取数据。

图2显示了含有5 μm、10 μm和15 μm球形铝颗粒的CSPs的火焰演变过程

本研究通过自主设计的高压燃烧实验平台，对微波激励下铝基复合固体推进剂的燃烧性能进行了实验研究，并建立了考虑铝颗粒尺寸、微波功率和燃烧室压力耦合效应的燃烧速率模型。主要结论如下：

实验结果表明，微波激励显著提高了所有三种推进剂的燃烧速率

杨文举：撰写初稿、进行实验、数据整理。吴胜雷：实验设计、数据分析。邹向瑞：撰写修改、监督工作、资源协调。薛瑞：监督工作、资源协调、概念构思。卢伟阳：数据分析、数据整理。南宝江：资源获取、资金筹措。