鋁鎂貧氧推進(jìn)劑激光點(diǎn)火特性

朱國(guó)強(qiáng)，薛談順，周長(zhǎng)省，陳 雄，成紅剛

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；2.淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 長(zhǎng)治046012）

鋁鎂貧氧推進(jìn)劑由于可以大幅度提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中[1]。這類推進(jìn)劑氧化劑含量少而金屬含量高，其燃燒性能和點(diǎn)火性能具有獨(dú)特性。目前，關(guān)于鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的燃燒性能研究的報(bào)道較多[2－3]，已取得了較多成果。鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的點(diǎn)燃及向穩(wěn)態(tài)燃燒的過(guò)渡是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要環(huán)節(jié)，肖秀發(fā)等[4]以電熱絲為點(diǎn)火源在固定輸入能量的條件下研究了推進(jìn)劑組分對(duì)鋁鎂貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火性能的影響，而關(guān)于激光熱流密度對(duì)鋁鎂貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火性能影響的研究尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。

激光器作為研究推進(jìn)劑點(diǎn)火特性的點(diǎn)火源已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。有采用CO2激光點(diǎn)火系統(tǒng)研究了PMMA（聚甲基丙烯酸酯）點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光熱流密度之間的關(guān)系[5]，有應(yīng)用CO2激光點(diǎn)火系統(tǒng)研究氣體發(fā)生器不同種推進(jìn)劑的點(diǎn)火性能[6]。

本文應(yīng)用CO2激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的點(diǎn)火特性開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，著重研究點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光熱流密度之間的關(guān)系，同時(shí)揭示和分析鋁鎂貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火過(guò)程中的物理化學(xué)現(xiàn)象，為研究其點(diǎn)火機(jī)理提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試件制備

鋁美貧氧推進(jìn)劑主要成分包括HTPB（端羥基聚丁二烯）、AP（高氯酸銨）、鋁粉和鎂粉，其中鋁鎂含量為35%。實(shí)驗(yàn)用試件均由同一個(gè)整裝藥切割而成，其尺寸為5mm×5mm×5mm（±0.5mm）。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括燃燒室、CO2激光器、激光控制器和測(cè)試系統(tǒng)，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

圖1 激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí) 驗(yàn) 中 分 別 選 取 176 W/cm2，212 W/cm2，290 W/cm2，464 W/cm2，562 W/cm2，646 W/cm26種激光熱流密度；為考察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，每種熱流密度下做7次實(shí)驗(yàn)。

詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方法及步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 點(diǎn)火延遲時(shí)間

圖2為測(cè)得的鋁鎂貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火過(guò)程的光電曲線（激光熱流密度為464 W/cm2），其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間t，縱坐標(biāo)表示光電管測(cè)得的電壓值U。由圖可準(zhǔn)確判讀出激光開(kāi)始加載和起始火焰的時(shí)間點(diǎn)，可得出在此激光熱流密度下推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間為75ms。

圖2 點(diǎn)火過(guò)程的光電曲線（激光熱流密度為464 W/cm2）

2.2 點(diǎn)火過(guò)程

圖3為高速錄像記錄的鋁鎂貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻（激光熱流密度為464 W/cm2）。其中圖3（a）為L(zhǎng)ED燈剛點(diǎn)亮，記錄為激光加載初始時(shí)刻；圖3（b）為鋁鎂貧氧推進(jìn)劑試樣表面開(kāi)始析出混合氣體；圖3（c）和圖3（d）為持續(xù)分解出的混合氣體在空氣中自然對(duì)流上升擴(kuò)散；圖3（e）為推進(jìn)劑表面某個(gè)鎂粉顆粒點(diǎn)燃并產(chǎn)生第一束火焰光；圖3（f）為推進(jìn)劑表面鎂粉顆粒持續(xù)點(diǎn)燃并釋放出熱量；圖3（g）為燃燒熾熱顆粒引燃附近預(yù)混氣體；圖3（h）和圖3（i）為推進(jìn)劑表面預(yù)混氣體火焰擴(kuò)散傳播，其中伴隨著已燃顆粒的噴射；圖3（j）為推進(jìn)劑完成點(diǎn)火過(guò)程后持續(xù)穩(wěn)態(tài)燃燒。

當(dāng)鋁鎂貧氧推進(jìn)劑受熱后，表面熱量快速積累，表面中各組分溫度迅速升高，其中AP和HTPB開(kāi)始分解并析出混合氣體，隨后混合氣體在空氣中自然對(duì)流上升逐漸形成橢球狀氣團(tuán)。在這個(gè)過(guò)程中，激光能量一部分被混合氣體吸收但不足以點(diǎn)燃混合氣體，而另一部分能量被鋁鎂貧氧推進(jìn)劑吸收從而使其維持分解反應(yīng)并使表面處鎂粉和鋁粉溫度快速上升。由于鎂粉點(diǎn)火溫度較低，推進(jìn)劑表面處鎂粉顆粒被點(diǎn)燃并釋放出大量熱量；隨后推進(jìn)劑分解出的混合氣體被點(diǎn)燃，伴隨著熾熱顆粒的噴射，火焰由下而上擴(kuò)散并形成穩(wěn)定燃燒。由此可以認(rèn)為該點(diǎn)火方式下，鋁鎂貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火是由表面鎂粉顆粒燃燒引起的，其點(diǎn)火機(jī)理為凝聚相點(diǎn)火。

圖3 鋁鎂貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火過(guò)程（激光熱流密度為464 W/cm2）

2.3 熱流密度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響

不同激光熱流密度q0下的鋁鎂貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間tig實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。6組熱流密度下點(diǎn)火延遲時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD在9%以下，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較好。

表1 不同熱流密度下鋁鎂貧氧推進(jìn)劑試件的點(diǎn)火延遲時(shí)間

圖4為點(diǎn)火延遲時(shí)間隨激光熱流密度的變化曲線。

圖4 點(diǎn)火延遲時(shí)間隨激光熱流密度的變化

由圖4可知，鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著激光熱流密度的增加而減小。激光熱流密度的增加導(dǎo)致了推進(jìn)劑試件表面溫度升高速率加快，使得推進(jìn)劑的熱分解速率加快，而表面鎂粉顆粒溫度上升也加快，最終使得推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間減小。當(dāng)激光熱流密度較低時(shí)，熱流密度對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響較大；而當(dāng)激光熱流密度較高時(shí)，熱流密度對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響就變得很小。

3 點(diǎn)火延遲時(shí)間理論模型

點(diǎn)火延遲時(shí)間是表征推進(jìn)劑點(diǎn)火特性的重要參數(shù)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可獲得的激光熱流密度與推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間之間的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

本文基于熱理論做如下假設(shè)：①外界熱源即激光輻射是試樣表層點(diǎn)燃的唯一熱源，不考慮試樣內(nèi)的相變；②試樣的熱物性參數(shù)如比熱、熱導(dǎo)率等均為常數(shù)；③只考慮試樣內(nèi)的傳導(dǎo)，不考慮與外界的對(duì)流和輻射；④激光光強(qiáng)在整個(gè)光斑內(nèi)分布均勻且光束能量只被試樣表層吸收。

受激光輻射的推進(jìn)劑一維瞬態(tài)熱平衡方程為

初始條件：t＝0，T＝T0。邊界條件：x＝0，?T/?x＝－q0/λs，x→∞，?T/?x→0。式中：ρs為密度；cs為比熱容；λs為熱導(dǎo)系數(shù)；T為溫度；T0為初溫；t為時(shí)間；q0為加載的激光熱流密度；x為厚度方向坐標(biāo)；δ（x）為引入的函數(shù)，表明激光作用時(shí)僅在推進(jìn)劑表面存在唯一熱源：

通過(guò)積分變換，可以得到推進(jìn)劑內(nèi)的溫度分布：

令x＝0，則推進(jìn)劑表面溫度T（0，t）的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

由前面分析可知，鋁鎂貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火機(jī)理為凝聚相點(diǎn)火，點(diǎn)火準(zhǔn)則為推進(jìn)劑表面溫度達(dá)到點(diǎn)火溫度，即T（0，t）＝Tig，因此點(diǎn)火延遲時(shí)間為

由式（5）可知，點(diǎn)火延遲時(shí)間與推進(jìn)劑熱物性、推進(jìn)劑初溫和加載熱流密度有關(guān)。

引入實(shí)驗(yàn)誤差項(xiàng)后，根據(jù)式（5），點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光熱流密度的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

式中：A和B為常數(shù)，其中A表達(dá)了點(diǎn)火延遲時(shí)間與推進(jìn)劑熱物性和初溫的關(guān)系，B表達(dá)了實(shí)驗(yàn)誤差項(xiàng)。

從式（6）可知，當(dāng)熱流密度較大時(shí)，熱流密度變化對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響較小，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映的規(guī)律一致。依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法來(lái)擬合點(diǎn)火延遲時(shí)間與熱流密度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，擬合得A＝3.411 42×107，B＝－52.299 85，擬合相關(guān)系數(shù)大于99%。

本文擬合曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較如圖4所示，可見(jiàn)擬合得的經(jīng)驗(yàn)公式具有一定的可靠性。所擬合的經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算鋁鎂貧氧推進(jìn)劑激光熱流密度在176～646 W/cm2范圍內(nèi)的點(diǎn)火延遲時(shí)間。

4 結(jié)論

本文采用CO2激光點(diǎn)火系統(tǒng)，針對(duì)鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的點(diǎn)火特性開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

①鋁鎂貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火機(jī)理為凝聚相點(diǎn)火，其點(diǎn)火準(zhǔn)則為推進(jìn)劑表面溫度達(dá)到點(diǎn)火溫度，而激光熱流密度在整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中都起著主導(dǎo)作用。

②鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著熱流密度的增加而遞減，且點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化趨緩。

③所擬合的經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算激光熱流密度在176～646 W/cm2范圍內(nèi)鋁鎂貧氧推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間。

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