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1、 基于光学诊断的某新型含铝推进剂燃烧特性分析* 杨云杰，邢时越，张少华，余西龙，王泽众，王海燕（1.中国矿业大学（北京），北京 100083；2.中国科学院力学研究所，北京 100190）动力系统是实现火箭快速、稳定发射的关键。过去固体燃料火箭发动机主要应用于导弹技术领域，在航天领域的应用并不广泛，但随着研究的深入，固体燃料火箭发动机的优势逐步显现1。其具有推力大、机动性强、反应速度快的特点，能够大大降低对发射场保障能力的依赖度2，满足陆地、海洋不同发射环境的发射要求。在固体火箭推进剂的研发和使用过程中，依然面临着一些亟待解决的问题，如更大载荷、更高比冲等。目前为提高固体火箭发动机的比冲，在原
2、有推进剂配方基础上添加铝金属颗粒是极具潜力的新手段3。然而燃烧过程中，金属凝聚相颗粒虽可以有效抑制高频不稳定燃烧，但未充分燃烧的金属颗粒会导致两相流损失，造成比冲降低。此外，高速运动的团聚物金属颗粒具有较强的冲刷作用，可能损伤发动机内部机构4-6。为解决这些问题，全面掌握含铝推进剂的点火和燃烧规律，提高含铝高能推进剂的燃烧效率、稳定性及可控性，众多学者采用不同方法对含铝固体推进剂的燃烧特性进行了研究。这些已有工作主要集中于点火延迟、燃烧速率及团聚物等含铝推进剂应用中最亟需关切的热点上，如研究发现含铝推进剂的点火延迟不仅受点火温度、环境压力等因素的影响，同时也可通过调节氧浓度、铝颗粒含量及粒径等
3、主动控制改变点火延迟时间7-10。在燃烧速率和团聚研究方面，Belyaev 等11和Friedman 等12率先证实了含铝推进剂中铝粒径的增加可降低燃烧速率，增加推进剂燃烧时间。但随即人们发现这可能会引起凝聚相团聚问题，如Takahashi 等13研究AP/AN 复合推进剂在燃烧过程中铝团聚物和燃速的关系时发现：降低燃速、增加铝颗粒含量均会导致团聚物粒度增加，然此结论目前尚未得到一致认同。Anand 等14认为团聚物尺寸与燃速之间正相关，即提高燃速和增加铝颗粒的含量会使团聚物的粒度增加。另外，刘佩进等15研究确定了两种常见推进剂在不同压力环境下凝相产物的粒度分布规律。曹向宇16采用辐射成像的测
4、温方法对推进剂中铝颗粒表面温度进行了测量分析，得出平均温度约为2 566 K。但由于此类含高能金属颗粒推进剂属于新一代固体推进剂，其燃烧不仅包含常见的化学反应和燃烧过程，更牵涉到复杂的多种相变、多相混合、多相凝结等传热传能过程，截止到目前，国内外的相关研究和应用均处于发展初期阶段，尚需要深入研究。综上所述可以发现，含铝推进剂的配方尤其是铝颗粒粒径及含量不仅影响推进剂的点火延迟和燃烧速率，同时也决定着团聚物的特性。而环境参数、点火延迟、燃烧速率和团聚物之间也存在复杂的关系。到目前为止，研究界尚未得到明确的结论，甚至还存在如Takahashi 等13和Anand 等14关于燃速与团聚粒度之间相互矛
5、盾的实验结论。因此，针对不同配方、不同工作环境下的含铝推进剂均需开展深入系统的实验研究工作，全面掌握确定工作条件下的点火延迟、燃烧速率和团聚物特性的变化规律，以便开发和优化新型含铝高能推进剂配方，提高新一代含铝高能推进剂的燃烧效率、稳定性和可控性，同时为探索含铝推进剂的燃烧机理和规律提供试验验证。为此，本文在模拟固体发动机高压条件下，采用可调功率激光器结合高速摄影和发射光谱等光学诊断技术，对某新型配方的含铝高能推进剂开展点火燃烧过程的研究，探索不同环境压力和点火功率参数下该新型固体推进剂的燃烧特性，以期为该推进剂的配方优化或工程应用提供实验数据依据，或为提高发动机的燃烧热效率以及解决发动机燃烧
6、过程中的热结构问题提供参考。1 实验装置1.1 实验系统图1 所示为模拟固体发动机高压燃烧环境所设计建设的固体推进剂激光点火燃烧特性光学研究实验系统示意图，主要由推进剂高压燃烧腔体系统、激光点火系统、信号采集系统（光纤光谱仪、高速相机）、同步控制模块和气压控制模块等组成。高压燃烧室三面开设紫外石英窗口，另一面窗口为推进剂安装更新使用。为保证实验过程中燃烧室的高压密封性，窗口安装均采用特殊承压式O 形圈进行密封，设计压力可达30 MPa。图1 固体推进剂激光点火燃烧特性光学研究实验系统Fig.1 Optical experimental system for laser ignition com
7、bustion characteristics of solid propellant气压控制模块与燃烧室相连，用以控制燃烧室内压力环境。采用01 000 W 功率可调节式光纤激光器（激光器输出波长为1 080 nm，光束为高斯光束，光斑直径约为8 mm，以中心能量的1/e2处为边界）对该推进剂进行单脉冲点火。数据采集模块使用高速相机（FASTCAM SA-Z, Photon）对燃烧过程进行拍摄，同时采用焦距为500 mm 的光栅光谱仪（Spectropro HRS-500, Princeton Instruments）搭配光纤光谱仪对推进剂燃烧光谱进行采集。同步控制模块采用西门子Smart
8、S7-200 定时控制器设计制作的触发系统对激光器进行激光输出控制，其激光同步信号用于触发多通道数字信号发生器（DG645, Stanford Research Systems），而后DG645 输出多路同步信号触发高速相机以及光谱仪等测试设备进行高精准的延时拍摄及信号采集，储存数据至控制电脑以备后期处理分析推进剂的点火燃烧过程。1.2 实验工况参数燃烧室内为空气环境，对固体推进剂进行点火实验前，通过高压气瓶和减压阀控制腔体环境压力参数。实验所采用的具体参数如表1 所示。表1 激光点火的实验参数Table 1 Experimental parameters of laser ignition实
9、验中所使用的固体推进剂为三元组分，组分含量分别为氧化剂（高氯酸铵，AP，70%）、金属添加剂（铝，Al，18%）和粘合剂（12%）。前期实验测试表明，常温常压下，确保该新型推进剂成功点火，激光热流密度应不低于300 W/cm2，其脉冲宽度应不小于200 ms。因此，将激光脉宽设置为200 ms，激光输出功率设置为200 和400 W，其热流密度分别为400 和800 W/cm2。进行一系列不同压力环境下点火实验，高速相机采集频率为5 000 Hz、曝光时长250 ns。同时，采用焦距30 mm 短焦透镜收集燃烧过程的辐射信号，分别通过石英光纤导入HRS-500 型光栅光谱仪或光纤光谱仪。其中，
10、光栅光谱仪狭缝设置为10 m，采用600 g/mm 光栅采集300800 nm 范围内推进剂的辐射光谱；光纤光谱仪用于采集400550 nm 范围内AlO（B2+-X2+）跃迁的部分谱带，用于分析推进剂的燃烧温度。2 推进剂的点火及燃烧过程将推进剂切片（尺寸约为5 mm5 mm1 mm）竖直贴壁置于特制的推进剂燃烧台上，此燃烧台位于高压燃烧腔体中心，固定于激光入射对向窗口，从而使点火激光垂直于燃面入射，并保证激光光斑可有效覆盖推进剂燃面，经高速相机捕获其典型燃烧过程图像如图2 所示。图2 新型含铝高能推进剂的激光点火及燃烧过程Fig.2 Laser ignition and combustio
11、n process of a new aluminum-containing high-energy propellant观察分析可以得出，此固体推进剂的点火燃烧过程分为4 个阶段：惰性加热阶段、热解阶段、初始火焰阶段和稳定燃烧阶段17。结合文献17及本实验所采集的燃烧过程现象，绘制了如图3 所示的含铝推进剂点火燃烧通用模型图。图3 含铝固体推进剂点火燃烧模型Fig.3 Ignition combustion model of aluminum-containing solid propellant当激光器被触发后，输出激光作用于推进剂表面，与含能物质相互作用。推进剂吸收光能转化为自身内能并向
12、内部传递，温度升高的同时促使推进剂发生分解或解离反应。当温度升高至熔点时，推进剂表面开始形成固液混合的熔融区。而后部分液相随温度继续升高逐渐气化并发生化学反应，释放出大量的热量。当热量达到绝热火焰温度时，形成脱离燃面的初始火焰，同时燃烧表面颗粒物随着温度的升高开始被点燃，局部出现火星。随着表面反应不断加剧，推进剂开始燃烧，燃面退移，金属颗粒暴露至燃烧锋面，在燃烧反应下不断被加热并且发生移动，并与相邻的颗粒发生聚集，形成类珊瑚状聚集体并粘附在燃面，如图3(a)所示。随着温度的升高，熔融团聚成一个小球，在燃气的推动下断裂，脱离燃面以旋转姿态进入燃烧气相区18，同时产生的热量继续引发周围推进剂的反应
13、，持续产生大量的熔融颗粒脱离燃面进入气相区，即构成了宏观观测到的火焰，呈现为稳定的燃烧。脱离燃面后的凝聚相颗粒结构如图3(b)所示，通常由凝聚相颗粒、颗粒侧面的氧化帽及较长的气相产物拖尾构成。目前主要研究结果6,19认为凝聚相颗粒主要为铝液滴，其表面附近存在着丰富的气相铝及其与氧化剂反应产生的低阶氧化物（如AlO、Al2O、Al2O2等），这些氧化物在扩散和对流作用下经历一系列复杂的气相反应、分解反应及缩合反应等形成复杂的多相产物，或沉积在颗粒的表面，或围绕于颗粒周围受气流影响形成长长的含烟（产物Al2O3微颗粒）拖尾。沉积于颗粒表面的氧化物因表面张力的作用聚集于颗粒一侧，最终形成如图3(b)
14、所示的形态与亮度均较为突出的氧化帽。目前为止，学界对于氧化帽的确切成分及其形成机制尚未有定论，但由于辐射光信号携带有大量的分子反应内能级等可用于燃烧场温度测量的信息，故根据燃烧形态及光辐射特征可见，氧化帽所在区域周边为铝颗粒发生剧烈化学反应所在。因此，本文采用经验证为最为有效和适用于火箭发动机燃烧温度测量的辐射光谱测温技术，对于本文中的新型含铝推进剂的点火及燃烧过程进行了测量和分析，得到300800 nm 范围内的发射光谱，如图4 所示。由图4 可以观察到清晰的Al 以及中间产物AlO（B2+-X2+）跃迁的一系列振转跃迁谱带，这是含铝推进剂燃烧最显著的特征。同时也发现有K、Na 等一般杂质原
15、子的谱线存在。文献19显示，AlO 是铝颗粒化学反应过程中的普遍存在的气相中间产物，也是Al 液滴氧化生成产物Al2O3过程中最为关键的低阶氧化物。平面激光诱导荧光测温实验20也证明燃烧中AlO 自由基位于铝颗粒的外表层周围，与“局部热平衡模型”数值模拟中铝颗粒外围的金属燃烧极限高温平台区重合度较高。此外，由于剧烈燃烧或爆炸过程中的中间产物处于热力学局部热平衡状态，即AlO 不同能级上的粒子数布局满足玻尔兹曼分布，因此对AlO 的发射光谱进行分析所获取的粒子温度可视为AlO 所在区域的宏观温度，即代表含铝推进剂在燃烧过程中的高温区温度，具体分析原理及结果见3.2 节。图4 新型含铝高能推进剂燃
16、烧发射光谱Fig.4 Combustion emission spectra of the new aluminumcontaining high energy propellant3 结果与分析3.1 不同压力下推进剂的燃烧效率3.1.1 环境压力对点火延迟的影响将固体推进剂置于不同压力环境中进行点火实验，通过高速相机实时记录的推进剂点火燃烧影像。结合精确的时序信号，测量可观测到第一张亮斑出现的准确时刻，即可确定该推进剂在0.15 MPa 的空气环境压力范围内的点火延迟随环境压力和点火功率的变化规律，如图5 所示。图5 不同压力条件下点火延迟的变化规律Fig.5 Variation of ignition delay time with pressure实验数据显示，激光点火功率为200 W、腔体环境压力为0.1 M
