基于含硼推進劑的微推進器燃燒特性及推進性能

李和平，席劍飛，羅淋旺，趙文敬，梁導倫，劉建忠

(1. 浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027；2. 南京師范大學 能源與機械工程學院，南京 210042；3. 杭州電子科技大學 能源研究所，杭州 310018)

0 引言

隨著航天領(lǐng)域的衛(wèi)星朝著體積更小、質(zhì)量更輕的微衛(wèi)星方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)簡單、小體積、輕質(zhì)量、易于集成的微推進器迎來良好的發(fā)展機遇。微衛(wèi)星在運行過程中需要很小很精確的推力來完成軌道位置的保持或者更變，而傳統(tǒng)的推進器因質(zhì)量和體積較大，無法滿足微衛(wèi)星的要求，這就使得推進器必須朝著微型化方向發(fā)展?；贛EMS技術(shù)，可將化學推進器做的更小更輕，以便安裝在微衛(wèi)星上，在航天領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景[1]。相比于傳統(tǒng)推進器，微推進器的比表面積大，熱損失大；燃燒室尺寸小，使燃料的停留時間減?。槐砻媪?、粘性力、摩擦力等微通道效應(yīng)也顯著增加，這使得燃料的燃燒效率低于傳統(tǒng)燃燒室[2-3]。選用高熱值的燃料是提升微推進器性能的關(guān)鍵[4]。固體燃料與氣體、液體燃料相比，不需要泵、閥等復雜的系統(tǒng)，且不存在泄露等問題，結(jié)構(gòu)較緊湊，利于整個系統(tǒng)的整合，特別適用于微推進器[5-8]。相比于傳統(tǒng)的鎂、鋁、合金等金屬燃料，硼的比體積和比質(zhì)量的熱值較高[9-10]，且硼燃料在燃燒過程中產(chǎn)物較為潔凈，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。但硼點火燃燒性能差，因其表面覆蓋的B2O3氧化膜需要很高的溫度才能蒸發(fā)，阻礙了外界氧化劑與硼顆粒的接觸和反應(yīng)，導致硼的點火延遲時間長、燃燒效率低等問題[11-12]。國內(nèi)有不少學者對硼的點火燃燒特性進行了研究[13-15]，但對含硼推進劑的推力測試還缺乏較全面的研究[6]。

本文在自行搭建的激光點火測試實驗臺上，進行不同含硼推進劑(B/AP、B/KNO3、B/AP/HTPB)在不同內(nèi)徑(2～6 mm)微燃燒室中的燃燒實驗，研究對比各工況下微推進器的點火燃燒特性和推進性能，以期為現(xiàn)有微推進器的能量和性能提升提供可供選擇的推進劑配方。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備

激光點火測試實驗臺主要由點火模塊、燃燒診斷模塊、推力測試模塊和燃燒器模塊構(gòu)成，如圖1所示。

點火模塊主要控制點火的功率和時間，由功率為50～150 W的CO2激光發(fā)生器構(gòu)成。試驗時，點火功率設(shè)置為150 W，激光通過反射鏡射入微燃燒室，當管口的燃料被點燃后，關(guān)閉激光器。

燃燒診斷模塊主要由高速攝影儀、高速測溫儀、光纖光譜儀構(gòu)成，記錄樣品在微燃燒室中的火焰形貌、火焰溫度、產(chǎn)物光譜的變化。其中，高速攝影儀的頻率為200 Hz，最大拍攝張數(shù)為1500張，圖片分辨率為2320×863。高速測溫儀的溫度測量范圍為350～3000 ℃，頻率設(shè)置為1000 Hz。將測溫儀探頭焦點對微燃燒室管口處，測量燃燒過程中管口火焰的溫度。光纖光譜儀的可測量波長范圍為200～1100 μm，頻率為125 Hz。光譜儀具有外部觸發(fā)功能，可實現(xiàn)與激光器同步，通過觀測光譜產(chǎn)生的時刻，得到點火延遲時間。如圖2所示，光譜開始有變化的時刻，即為樣品被點燃時刻(前一張輸出為雜波，后一張輸出有變化)。樣品c6的相關(guān)參數(shù)見表1。光譜強度表示燃燒的劇烈程度。

配方推進劑組分組分質(zhì)量比在不同內(nèi)徑微推進器中的樣品編號2．00mm2．76mm4．02mm4．92mm5．90mm配方aB/AP4/6a2a3a4a5a6配方bB/KNO34/6b2b3b4b5b6配方cB/AP/HTPB3．6/5．4/1c2c3c4c5c6

推力測試模塊主要由壓力傳感器、MPS-010602采集卡、多功能信號記錄儀軟件、外接電源等構(gòu)成，可實時記錄微推進器產(chǎn)生的推力。其中，壓力傳感器用于檢測微推進器產(chǎn)生的推力，量程為0～30 g，頻率設(shè)置為500 Hz。采集卡將壓力傳感器產(chǎn)生的電信號傳輸?shù)接嬎銠C，再通過多功能信號記錄儀軟件轉(zhuǎn)換為模擬信號。外接電源為推力測試模塊提供電源，外接電源電壓為-12～12 V。

燃燒器模塊由裝填了含硼推進劑的微燃燒室構(gòu)成，微燃燒室采用耐高溫的石英玻璃制成便于觀察。試驗時將裝有配方的燃燒器固定在壓力傳感器上，激光點燃配方從而產(chǎn)生推力。

1.2 實驗配方

燃料：無定形硼[13](B)，粒徑5 μm，純度95%，為棕色粉末。

氧化劑：高氯酸銨(AP)，純度99%，白色晶體；硝酸鉀(KNO3)，純度99%，白色粉末。

粘合劑：端羥基聚丁二烯(HTPB)，透明粘性液體，具有較好的固化、耐儲存、耐老化性能[17]。

含硼推進劑配方[18-21]、樣品的編號如表1所示。其中，裝藥長度為30 mm，配方a和配方b的平均密度分別為935、949 kg/m3，且不同管徑之間的密度差別不大，可認為密度是相同的，對實驗結(jié)果的影響不大[22]。配方c由于添加了粘合劑，平均密度高于其他配方，為1195 kg/m3，但不同管徑之間的密度差別不大，可認為不同管徑微燃燒室內(nèi)的藥柱密度是一致的。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 燃速計算

燃速是評價推進劑性能的重要指標，反映了燃燒的速度。定義為燃面隨時間的移動速度，等于藥柱長度/燃燒時間。

由于高速攝影儀的拍攝時間有限，如果燃燒時間大于高速攝影儀拍攝的上限時間，則需要改進燃速計算方法。通過GetData圖像處理軟件，得到時刻t1～t2燃面移動的圖示距離和藥柱的圖示長度分別是(c-a)和(f-d)，如圖3所示。

藥柱實際長度用L表示，則燃速公式為

V={[(c-a)/(f-d)]L}/(t2-t1)

(1)

1.3.2 推力數(shù)據(jù)處理

1.3.2.1 壓力傳感器標定

壓力傳感器輸出數(shù)值和推力之間的關(guān)系需要通過標定得到。將已知重量的標定物置于傳感器上，記錄下輸出值的平均值，重復標定5次，用Excel軟件進行線性擬合，得到如圖4的曲線圖，線性度較好，其關(guān)系式為

y=0.114x+0.020 8

(2)

式中y為標定物的重量；x為壓力傳感器的輸出值。

Fig.4Relationshipbetweenthemassofthecalibratedobjectandtheoutputvalueofthepressuresensor

1.3.2.2 推力和比推力

圖5所示為各樣品燃燒過程中壓力傳感器的輸出數(shù)值，發(fā)現(xiàn)壓力傳感器在燃燒開始前和燃燒結(jié)束后都有一段穩(wěn)定的輸出值，且燃燒后的輸出值小于燃燒前的輸出值。這是因為樣品中的推進劑逐漸被點燃，樣品的質(zhì)量不斷減小。這里認為樣品勻速地被消耗，即樣品自身重量的輸出值勻速減小。樣品c2、c3、c4燃燒時出現(xiàn)爆鳴現(xiàn)象，產(chǎn)生的推力大于壓力傳感器的最大量程，損壞了傳感器，故只給出了樣品c5、c6的輸出結(jié)果。

在已知燃燒時間t的情況下，某一時刻推力為

y=ax+b，y1=ax1+b

(3)

F(x)=y-y1=a(x-x1)

(4)

x1=x0-[(x0-xn)/T](tx-tx0)

(5)

式中y為壓力傳感器受到的總壓力；y1為樣品自身重量作用于壓力傳感器的壓力；x為對應(yīng)時刻壓力傳感器輸出數(shù)值；x1為樣品自身重量的輸出數(shù)值，F(xiàn)(x)為樣品產(chǎn)生的推力；a、b均為壓力傳感器的標定系數(shù)；x0為燃燒前樣品自身重量作用于壓力傳感器的輸出數(shù)值；xn為樣品燃燒結(jié)束后自身重量作用的輸出數(shù)值；T為燃燒時間；tx為該時刻的時間；tx0為開始燃燒時刻的時間。

比推力，即單位質(zhì)量樣品產(chǎn)生的推力，為燃燒過程的平均推力與裝藥質(zhì)量的比值:

Fm=F/M

(6)

式中Fm為比推力；F為燃燒過程的平均推力；M為裝藥質(zhì)量。

1.3.2.3 推力方差

推力方差可反映燃燒過程產(chǎn)生推力的穩(wěn)定情況，計算式為

D(f)=[(F(x0)-F)2+(F(x1)-F)2+…+(F(xn)-F)2]/n

(7)

式中D(f)為推力方差；F(x0)為燃燒開始時的推力值；F(xn)為燃燒結(jié)束時的推力值；F為推力平均值；n為推力數(shù)據(jù)個數(shù)。

1.3.2.4 總沖量和比沖量

經(jīng)典力學中，沖量為

I=Ft

(8)

樣品燃燒過程產(chǎn)生的總沖量為

I=[0.5(F(x0)+F(x1))t1]+[0.5(F(x1)+

F(x2))t2]+…+[0.5(F(xn1)+F(xn))tn]

(9)

t1=t2=…=tn=t

(10)

式中I為總沖量；F(x0)為t0時刻的推力；F(xn)為tn時刻的推力；t為兩個推力的間隔時間。

比沖量是用來衡量燃料能量效率的標準，定義為單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的沖量，計算式為

Im=I/M

(11)

式中Im為比沖量；I為總沖量；M為裝藥質(zhì)量。

2 實驗結(jié)果

2.1 燃速結(jié)果分析

燃速隨配方、管徑的變化曲線如圖6所示。相同管徑時，樣品b(KNO3作為氧化劑)的燃速遠大于樣品a(AP作為氧化劑)的燃速；樣品c的燃速小于樣品a的，這是由于粘合劑的添加使樣品具有一定的強度，使未燃燃料不會隨高溫高壓氣流噴出，從而降低了燃速。

相同樣品的燃速隨著燃燒室內(nèi)徑的增大而減小，當內(nèi)徑增大到一定值，燃速的變化不再明顯。這是因為流體具有粘性，氣體與燃燒室內(nèi)壁存在摩擦力邊界層。當燃燒室內(nèi)徑變小時，摩擦力邊界層對噴出氣體的影響變大，導致總摩擦力變大，使得氣體無法及時噴出，大量氣體積壓在燃燒室內(nèi)，燃燒室壓強增大。壓強越大，燃速越大，符合維耶里公式：

v=apn(0

(12)

式中v為燃速；a為燃速系數(shù)；p為壓強。

當燃燒室內(nèi)徑變大，燃燒室壓強變化減小，且趨于穩(wěn)定，導致燃速減小，并趨于穩(wěn)定。從熱損失方面分析，當管徑減小時，燃燒室內(nèi)壁面積與燃燒體積的比值變大，導致熱損失增加，從而減小燃速。但實際上燃速隨著燃燒室內(nèi)徑的減小而增大，說明燃燒室內(nèi)壓強對燃速的影響起主導作用。

2.2 溫度結(jié)果分析

由圖7可知，相同管徑時，燃燒室的平均溫度關(guān)系為配方b>配方a>配方c，與燃速的關(guān)系是一致的。說明燃燒過程中平均溫度越高，產(chǎn)生的熱量可更充分地預熱未燃燒的燃料，從而提高燃速。更快的燃速會在單位時間內(nèi)產(chǎn)生更多熱量，從而提高平均燃燒溫度。說明燃速和燃燒平均溫度是相互促進的關(guān)系。

2.3 光譜數(shù)據(jù)結(jié)果

2.3.1 點火延遲時間

配方a與配方c的點火延遲時間曲線如圖8所示。管徑相同時，配方c的點火延遲時間高于配方a，說明添加粘合劑以后，配方點燃需要更高的點火能。

配方相同，點火延遲時間隨著管徑的減小而增大，這就說明燃燒室內(nèi)徑越小，需要的點火能也就越高。因為管徑越小，比表面積越大，散熱損失越大，因此需要更高的能量實現(xiàn)點火。

2.3.2 特征光譜強度

由圖9可知，相同內(nèi)徑樣品a的光譜強度大于樣品c，與溫度的關(guān)系是一致的。說明樣品a的燃燒過程較為劇烈。相同配方在不同管徑微燃燒室中的光譜強度，隨著管徑的增大而增大。因為管徑越小，熱損失越嚴重，燃燒劇烈程度降低。

2.4 推力

2.4.1 平均推力

由圖10可知，管徑相同時，配方b的平均推力均大于其他樣品，最大平均推力為0.028 56 N。這是因為樣品b的燃速快，在單位時間內(nèi)可產(chǎn)生更多的氣體，因此可產(chǎn)生更大的推力。

相同樣品的平均推力隨燃燒室內(nèi)徑的增大，呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢。說明不同含硼推進劑配方存在一個最佳內(nèi)徑，在該內(nèi)徑下，可產(chǎn)生最大平均推力值，樣品a為4.92 mm，樣品b為2.76 mm。因管徑越大，裝藥量越多，單位長度樣品的燃燒產(chǎn)物越多，對推力起增大作用。但同時管徑越大，燃速越小(見2.1)，反而不利于推力的增加。可見，平均推力隨管徑的變化是上述兩種因素共同作用的結(jié)果。因此，存在一個最佳管徑。

2.4.2 推力穩(wěn)定性

如圖11所示，配方a、配方b、配方c燃燒過程的推力方差?？梢?，相同管徑時，配方a普遍比配方b的推力方差要小。這是由于配方b燃燒過程更劇烈，導致燃燒過程不是很穩(wěn)定。在燃燒室內(nèi)徑較大時，對比配方a、配方c可看出，配方c燃燒過程的方差最小，說明添加粘合劑后，含硼推進劑的燃燒過程更穩(wěn)定。

2.4.3 比推力

如圖12所示，管徑相同時，比推力的關(guān)系為配方b>配方a>配方c。這是因為相同內(nèi)徑燃燒室中配方b的平均推力最大，其次為配方a，配方c的平均推力最小。

相同配方，比推力隨著燃燒室內(nèi)徑的增大，呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢。而平均推力隨燃燒室內(nèi)徑的增大也是先增大、后減小，但裝藥質(zhì)量隨著燃燒室內(nèi)徑的增大而增大，說明平均推力的大小對比推力的大小起主導作用。

2.4.4 沖量

如圖13所示，相同管徑時配方a的沖量均高于其他樣品(除配方c6外)。這是由于配方a燃燒過程產(chǎn)生的推力較大，且作用時間長。配方b雖然產(chǎn)生的推力大，但作用時間過短，導致沖量偏小。配方c雖然作用時間長，但推力太小，也導致沖量偏小。

配方a和配方b的沖量隨燃燒室內(nèi)徑的增大，呈先增大、后減小的趨勢。樣品c由于數(shù)據(jù)有限，無法判斷趨勢。由于沖量是由推力和推力作用時間共同決定。通過對比燃速隨燃燒室內(nèi)徑的變化及平均推力隨燃燒室內(nèi)徑的變化，可看出沖量的變化趨勢與平均推力的變化趨勢是一樣的，說明平均推力的變化對沖量的影響起主導作用。

2.4.5 比沖量

比沖量和配方、燃燒室內(nèi)徑的關(guān)系如圖14所示。相同管徑時配方a的比沖量均大于其他配方(除配方c6以外)。因為相同管徑時，配方a的沖量均大于配方b的，所以配方a的比沖量也大于配方b的。

3 結(jié)論

(1)實驗結(jié)果顯示，三種含硼推進劑配方并無很明顯的優(yōu)劣性，不同的配方有不同的特點。配方B/KNO3的燃速快，平均推力、比推力大，在內(nèi)徑為2.76 mm燃燒室中，平均推力達到0.028 56 N。配方B/AP的推力作用時間長，沖量、比沖量大，在內(nèi)徑為4.92 mm的燃燒器中，最大沖量為0.042 28 N·s。配方B/AP/HTPB燃燒時間最長，最穩(wěn)定。配方中添加粘合劑雖不能提高配方的推力、沖量等特性，但可明顯減小燃速，增加燃料的強度、燃燒時間，改善燃燒特性。

(2)不同配方的點火燃燒特性和推進性能均和燃燒室內(nèi)徑有關(guān)，在本文研究工況范圍內(nèi)，均隨管徑的增大呈先增大、后減小趨勢。所以，對于推力、比推力、沖量、比沖量，會有一個最佳內(nèi)徑。配方B/AP的推力最佳管徑為4.02 mm，比推力最佳管徑為2 mm，沖量最佳管徑為4.92 mm，比沖量最佳管徑為2 mm；配方B/KNO3的推力、比推力、沖量、比沖量最佳管徑均為2.76 mm。配方B/AP可根據(jù)不同的實際需要選擇燃燒室的內(nèi)徑，而配方B/KNO3各個燃燒性能的最佳管徑均為2.76 mm。

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