環(huán)境氣體氧含量對(duì)NEPE推進(jìn)劑激光點(diǎn)火過程的影響

相恒升，陳　雄，周長(zhǎng)省，賴華錦

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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環(huán)境氣體氧含量對(duì)NEPE推進(jìn)劑激光點(diǎn)火過程的影響

相恒升，陳雄，周長(zhǎng)省，賴華錦

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：為研究環(huán)境氣體氧含量對(duì)硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推進(jìn)劑激光點(diǎn)火過程的影響，采用CO2激光輻射點(diǎn)火并利用高速攝影儀記錄NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火過程，討論了環(huán)境氣體氧含量對(duì)NEPE推進(jìn)劑初焰位置與點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響。結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境氣體氧含量小于NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物中氧化性氣體含量時(shí)， NEPE推進(jìn)劑點(diǎn)火的氣相反應(yīng)發(fā)生在推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物的分散區(qū)，初焰緊靠NEPE推進(jìn)劑表面，環(huán)境氣體氧含量變化不影響NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間；當(dāng)環(huán)境氣體氧含量大于NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物中氧化性氣體含量時(shí)， NEPE推進(jìn)劑點(diǎn)火的氣相反應(yīng)發(fā)生在推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物與環(huán)境氣體的擴(kuò)散區(qū)，初焰遠(yuǎn)離NEPE推進(jìn)劑表面，此時(shí)由于擴(kuò)散區(qū)氧含量高于NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物分散區(qū)氧含量，NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間減小。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；點(diǎn)火延遲時(shí)間；激光點(diǎn)火；氧含量；NEPE推進(jìn)劑

引 言

NEPE推進(jìn)劑綜合了雙基推進(jìn)劑和復(fù)合推進(jìn)劑的優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛應(yīng)用的高能固體推進(jìn)劑[1]，但是由于NEPE推進(jìn)劑燃燒機(jī)理的獨(dú)特性，需要深入研究其燃燒與點(diǎn)火機(jī)理[2]。

PANG Weiqiang等[3]發(fā)現(xiàn)含二硝酰胺銨(ADN)的NEPE推進(jìn)劑燃燒時(shí)存在隨機(jī)成核與核的發(fā)展現(xiàn)象；王瑛等[4]采用燃燒火焰單幅照相技術(shù)拍攝NEPE推進(jìn)劑在穩(wěn)態(tài)燃燒條件下的火焰結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)NEPE推進(jìn)劑的火焰屬于典型的擴(kuò)散火焰。李疏芬等[5]研究了常壓下NEPE推進(jìn)劑中AP的表面積、燃速催化劑、初溫、熱流密度等因素與點(diǎn)火延遲時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果表明AP是縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間的主要因素；初溫對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響程度取決于熱流密度的大小，存在 “拉平效應(yīng)”。王鴻美[2]與Ritchie S J等[6]分析了激光輻射功率密度對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光輻射功率密度呈冪函數(shù)關(guān)系。影響固體推進(jìn)劑點(diǎn)火過程的因素除點(diǎn)火能量、推進(jìn)劑組分、點(diǎn)火壓力外，環(huán)境氣體組分對(duì)點(diǎn)火過程也有影響[7]。Ulas等[8]研究了不同環(huán)境組分中壓力、激光輻射功率密度對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響，結(jié)果表明環(huán)境氣體組分對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲有影響，但并未對(duì)影響機(jī)理進(jìn)行深入研究。目前關(guān)于環(huán)境氣體氧含量對(duì)NEPE推進(jìn)劑點(diǎn)火過程影響的相關(guān)研究報(bào)道較少。

減少推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間有利于提高固體火箭的機(jī)動(dòng)性。本實(shí)驗(yàn)采用激光點(diǎn)火技術(shù)研究環(huán)境氣體氧含量(體積分?jǐn)?shù)，下同)對(duì)NEPE推進(jìn)劑點(diǎn)火初焰位置、點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響，為通過增加固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火藥中氧化劑含量或增加火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體的氧含量來減少NEPE推進(jìn)的點(diǎn)火延遲時(shí)間的可行性提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1樣品制備

NEPE推進(jìn)劑由西安近代化學(xué)研究所提供，其主要配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為： AP 28%，粒徑100～120μm； RDX 26%～27%,E /H 級(jí)；1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)17.5%；醋酸丁酸纖維素(CAB)7.5%；鋁粉18%～19%，粒度5～7μm；配方中無催化劑。樣品尺寸為Φ4mm×5mm，樣品圓柱面用硅橡膠包覆。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置[2]

實(shí)驗(yàn)裝置主要由CO2激光器、燃燒室和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成，示意圖如圖1所示。CO2激光器最高輸出功率為200W，激光波長(zhǎng)10.6μm，光斑直徑3.7mm。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of the experimental setup

1.3實(shí)驗(yàn)方法

考慮光學(xué)系統(tǒng)中各鏡片對(duì)激光的吸收，實(shí)驗(yàn)前用功率計(jì)測(cè)量實(shí)際照射到推進(jìn)劑表面的激光功率。

燃燒室進(jìn)氣口并聯(lián)兩個(gè)高壓氣瓶：高壓N2瓶和高壓混合氣瓶， 高壓混合氣瓶?jī)?nèi)是O2與N2的混合氣體(O2體積分?jǐn)?shù)為40%)，聯(lián)合使用這兩個(gè)氣瓶按照理想氣體狀態(tài)方程可調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)O2含量。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)大氣壓及室溫條件下進(jìn)行。

采用對(duì)激光和火焰敏感的光電二極管對(duì)激光信號(hào)和推進(jìn)劑火焰信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。燃燒室視窗外的高速攝像機(jī)以240幀/s的速度拍攝推進(jìn)劑的點(diǎn)火過程。

推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間tig定義為激光開始產(chǎn)生到推進(jìn)劑火焰光強(qiáng)可以使光電二極管產(chǎn)生光電流的時(shí)間間隔。激光輻射功率密度用q表示，環(huán)境氣體氧含量用Xo2表示。試驗(yàn)分別設(shè)置q為0.375、0.514、0.711和1.368W/mm2，調(diào)節(jié)Xo2依次為0、10%、20%、30%、40%。每次試驗(yàn)激光加載時(shí)間均為1.83s，每種工況重復(fù)5次。

2結(jié)果與分析

2.1NEPE推進(jìn)劑激光點(diǎn)火火焰?zhèn)鞑ミ^程

激光輻射功率密度為0.375W/mm2、不同氧含量時(shí)NEPE推進(jìn)劑的激光點(diǎn)火過程如圖2所示。圖中0ms時(shí)刻是指NEPE推進(jìn)劑出現(xiàn)初焰的時(shí)刻。

圖2　不同環(huán)境氣體氧含量時(shí)NEPE推進(jìn)劑點(diǎn)火過程Fig.2　Ignition process of NEPE propellant with differentoxygen contents in environment gas

由圖2可見，Xo2為0和20% 時(shí)，NEPE推進(jìn)劑初焰緊靠推進(jìn)劑表面且初焰尺寸小、亮度低，火焰從推進(jìn)劑表面開始向外傳播；Xo2為40% 時(shí)，NEPE推進(jìn)劑初焰遠(yuǎn)離推進(jìn)劑表面，初焰亮度比Xo2為0和20%時(shí)高，在4.17～8.33ms內(nèi)，NEPE推進(jìn)劑火焰既向推進(jìn)劑表面?zhèn)鞑ヒ蚕蛲鈧鞑ァ?/p>

上述現(xiàn)象應(yīng)和NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物與環(huán)境氣體之間的擴(kuò)散有關(guān)。在激光輻射作用下固體推進(jìn)劑產(chǎn)生的典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)包括3部分:迎著熱流方向高速運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)引沖擊、作用產(chǎn)物沿軸向運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)、作用產(chǎn)物沿垂直于軸向的徑向流動(dòng)[9]。據(jù)此可建立圖3所示的NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物與環(huán)境氣體的擴(kuò)散模型。

圖3　NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物與環(huán)境氣體的擴(kuò)散模型Fig.3　Model of the diffusion process of pyrolysisproducts of NEPE propellant and environment gas

圖3中A區(qū)是在激光輻射作用下NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物的分散區(qū)，C區(qū)是環(huán)境氣體，B區(qū)是推進(jìn)劑的熱解產(chǎn)物與環(huán)境氣體的擴(kuò)散區(qū)域。由于NEPE推進(jìn)劑是可自持燃燒推進(jìn)劑，其熱解產(chǎn)物中既含有氧化性氣體也有還原性氣體。當(dāng)環(huán)境氣體氧含量低時(shí)，B區(qū)中的氧化性氣體被環(huán)境氣體稀釋，使B區(qū)中的氧含量比A區(qū)低，初焰出現(xiàn)在氧含量高的A區(qū)，所以NEPE推進(jìn)劑初焰出現(xiàn)在推進(jìn)劑表面。隨著NEPE推進(jìn)劑不斷熱解，火焰從A區(qū)向上傳播；當(dāng)NEPE推進(jìn)劑在富氧環(huán)境中點(diǎn)火時(shí)，B區(qū)氧含量比A區(qū)高，所以NEPE推進(jìn)劑在Xo2為40%的環(huán)境中點(diǎn)火時(shí)較為明亮的初焰出現(xiàn)在遠(yuǎn)離推進(jìn)劑表面的B區(qū)，火焰從B區(qū)向推進(jìn)劑表面的A區(qū)與遠(yuǎn)離推進(jìn)劑表面的C區(qū)傳播。利用圖3所示的擴(kuò)散模型可以解釋NEPE推進(jìn)劑在氧含量低的環(huán)境中點(diǎn)火時(shí)初焰緊靠NEPE推進(jìn)劑表面、在氧含量高的環(huán)境中點(diǎn)火時(shí)初焰遠(yuǎn)離NEPE推進(jìn)劑表面的現(xiàn)象。

2.2氧含量對(duì)NEPE推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響

圖4為在3種激光輻射功率密度下環(huán)境氣體氧含量不同時(shí)NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間。

圖4表明，在相同激光輻射功率密度下當(dāng)Xo2≤35.14%時(shí)， NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)氧含量變化不敏感，點(diǎn)火延遲時(shí)間約等于前4項(xiàng)工況(Xo2=0、10%、20%、30%)點(diǎn)火延遲時(shí)間的平均值；當(dāng)Xo2為40%時(shí)，NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間明顯減小。當(dāng)Xo2≤35.14%時(shí)，氧含量變化對(duì)NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間無影響，這應(yīng)與該推進(jìn)劑組分和點(diǎn)火機(jī)理有關(guān)。

圖4　不同激光輻射功率密度下NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨氧含量的變化Fig.4　Change of ignition delay time of NEPE propellant withoxygen content under different laser radiation power densities

表1為NEPE推進(jìn)劑主要組分在點(diǎn)火過程中發(fā)生的主要分解反應(yīng)。

推進(jìn)劑分解產(chǎn)物之間的主要反應(yīng)如下：

0.4CO2+0.36H2O

(1)[10]

(2)[6,11]

(3)[11]

(4)[11]

(5)[10-11]

NEPE推進(jìn)劑氣相區(qū)的真實(shí)反應(yīng)遠(yuǎn)比上述反應(yīng)復(fù)雜，但上述過程是NEPE推進(jìn)劑具有代表性的反應(yīng)過程。NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物中的氧化性氣體只有AP分解產(chǎn)生的O2，其余產(chǎn)物如CH2O、C2H2、NO、CO等為還原性氣體。按照上述反應(yīng)過程計(jì)算得到該推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物中氧含量為35.14%。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合圖3的擴(kuò)散模型可解釋當(dāng)Xo2≤35.14%時(shí)，環(huán)境氣體氧含量變化對(duì)NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間無影響。推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間tig由兩部分組成，即推進(jìn)劑惰性加熱時(shí)間(t1)和氣相區(qū)化學(xué)反應(yīng)時(shí)間(t2)，tig=t1+t2，同一激光輻射功率密度下t1相同。對(duì)氣相反應(yīng)時(shí)間t2，圖3中A區(qū)的氧含量為NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物氧含量35.14%，當(dāng)Xo2≤35.14%時(shí)，因環(huán)境氣體的稀釋作用，B區(qū)氧含量小于35.14%，點(diǎn)火時(shí)推進(jìn)劑初焰皆出現(xiàn)在氧含量高的A區(qū)，所以此時(shí)環(huán)境氣體氧含量變化不影響NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間；當(dāng)Xo2=40%時(shí)，因氣體擴(kuò)散作用，B區(qū)氧含量在35.14%～40%，點(diǎn)火時(shí)NEPE推進(jìn)劑初焰出現(xiàn)在氧含量高的B區(qū)。因B區(qū)的氧含量比A區(qū)高，所以出現(xiàn)在B區(qū)的初焰比出現(xiàn)在A區(qū)的初焰亮度高，光電二極管在短時(shí)間內(nèi)便可以產(chǎn)生光電流，即氣相反應(yīng)時(shí)間t2縮短，所以點(diǎn)火延遲時(shí)間減小。

因受實(shí)驗(yàn)材料的限制，僅對(duì)1種NEPE推進(jìn)劑進(jìn)行了研究，對(duì)上述結(jié)論是否適合其他配方或類型的推進(jìn)劑還需要進(jìn)一步研究。

2.3點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光輻射功率密度及氧含量的關(guān)系

假設(shè)激光垂直照射到推進(jìn)劑表面,不考慮推進(jìn)劑表面對(duì)激光的反射和激光照射時(shí)推進(jìn)劑內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，推進(jìn)劑內(nèi)部溫度(T)分布滿足方程：

(6)

式中：α為推進(jìn)劑內(nèi)部激光吸收系數(shù)；ρ為NEPE推進(jìn)劑密度；C為比熱容；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；假設(shè)ρ、C與λ為常數(shù)。

CO2激光功率密度(q)分布為高斯分布[12-13]， 假設(shè)NEPE推進(jìn)劑表面達(dá)到某一固定溫度(Td)便開始分解，則NEPE推進(jìn)劑固相反應(yīng)時(shí)間為

(7)

對(duì)于NEPE推進(jìn)劑的氣相反應(yīng)，在激光持續(xù)照射下要考慮氣相對(duì)激光的吸收作用，同時(shí)要考慮推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物與環(huán)境氣體之間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，難以給出氣相反應(yīng)時(shí)間(t2)的解析解表達(dá)式。參照文獻(xiàn)[8]將點(diǎn)火延遲時(shí)間(tig)與激光輻射功率密度(q)采用式(8)進(jìn)行擬合

tig=aqb

(8)

式(8)關(guān)于q的冪級(jí)數(shù)展開包含式(7)的q冪級(jí)數(shù)形式，因此Xo2相同時(shí)點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光輻射功率密度可采用式(8)擬合。因?yàn)楫?dāng)Xo2≤35.14%時(shí)，同一激光輻射功率密度下不同Xo2時(shí)NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間無差異，將同一激光輻射功率密度下氧含量分別為0、10%、20%、30%的點(diǎn)火延遲時(shí)間平均值作為該熱流密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間。式(8)的擬合結(jié)果如表2所示。

表2　不同Xo2時(shí)NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光

擬合結(jié)果的矯正決定系數(shù)接近于1，表明擬合效果較好。公式(8)可計(jì)算激光輻射功率密度在0.375～1.368W/mm2時(shí)NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間。將擬合結(jié)果tig(1)除以tig(2)，可得

(9)

式(9)中含有激光輻射功率密度q，說明氧含量變化對(duì)NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響與激光輻射功率密度有關(guān)。

3結(jié)論

(1)環(huán)境氣體氧含量小于NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物中的氧含量時(shí)，NEPE推進(jìn)劑點(diǎn)火過程中的氣相反應(yīng)發(fā)生在熱解產(chǎn)物分散區(qū)，初焰緊靠NEPE推進(jìn)劑表面；環(huán)境氣體氧含量變化不影響NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間。

(2)環(huán)境氣體氧含量大于NEPE推進(jìn)劑熱解產(chǎn)物中氧含量時(shí)，NEPE推進(jìn)劑點(diǎn)火的氣相反應(yīng)發(fā)生在熱解產(chǎn)物與環(huán)境氣體的擴(kuò)散區(qū)，初焰遠(yuǎn)離NEPE推進(jìn)劑表面；高氧含量的環(huán)境氣體可減小NEPE推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間，但減小程度還與激光輻射功率密度有關(guān)。

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Effect of Oxygen Content in Environment Gas on the Laser Ignition Process of NEPE Propellant

XIANG Heng-sheng， CHEN Xiong， ZHOU Chang-sheng， LAI Hua-jin

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:To study the effect of oxygen content in environment gas on the laser ignition process of nitrate ester plasticizer polyether (NEPE) propellant, the ignition process of NEPE propellant ignited by radiation of CO2laser was recorded by high speed video camera, and the influence of oxygen content in environment gas on the first flame position and ignition delay time of NEPE propellant was discussed. The results show that the ignition gas phase reaction of NEPE propellant occurs in the dispersion region of the NEPE propellant pyrolysis product, the first flame is close to the NEPE propellant surface and the changing of oxygen content in environment gas has no effect on the ignition delay time of NEPE propellant when the oxygen content in environment gas is less than that of the oxidizing gas in the pyrolysis products of the propellant; when the oxygen content in environment gas is larger than that of the oxidizing gas, the ignition gas phase reaction of NEPE propellant occurs in the diffusion zone of the NEPE propellant pyrolysis products and the environment gas, the first flame is away from the propellant surface. At this condition, the oxygen content in the diffusion zone is higher than that of the dispersion region of the NEPE propellant pyrolysis product, the ignition delay time of NEPE propellant decreases.

Keywords:physical chemistry; ignition delay time; laser ignition; oxygen content; NEPE propellant

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.0015

收稿日期:2016-01-29；修回日期:2016-05-10

基金項(xiàng)目:總裝瓶頸項(xiàng)目(No.20101019)

作者簡(jiǎn)介:相恒升(1989-)，男，碩士，從事固體推進(jìn)劑激光點(diǎn)火特性研究。E-mail:xhswork@163.com

中圖分類號(hào)：TJ55;V512

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2016)03-0075-05