固體發(fā)動(dòng)機(jī)凝相燃燒產(chǎn)物研究綜述

何景軒，任全彬，敖 文，顏 勇，龍玥霄

（1. 西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所，西安，710025；2. 航天動(dòng)力技術(shù)研究院，西安，710025；3. 西北工業(yè)大學(xué)，西安，710071）

0 引 言

固體推進(jìn)劑中一般使用鋁粉作為金屬添加劑，可提高固體推進(jìn)劑密度、提高比沖和抑制高頻不穩(wěn)定燃燒，因此鋁粉廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。固體發(fā)動(dòng)機(jī)中鋁的反應(yīng)歷程可分為3個(gè)階段：首先，在固體推進(jìn)劑燃燒流動(dòng)過程中，隨著推進(jìn)劑燃面退移，鋁顆粒從推進(jìn)劑內(nèi)部溢出至燃面；其中，一部分鋁顆粒在燃面上滯留、運(yùn)動(dòng)，并與附近的其它顆粒聚集，形成大尺寸團(tuán)聚物，然后隨氣流離開燃面，進(jìn)入燃燒室；另一部分鋁顆粒未在燃面發(fā)生團(tuán)聚，這些顆粒直接從燃面溢出至高溫燃燒室。第2階段是燃燒室中鋁的燃燒過程，包括團(tuán)聚物和未團(tuán)聚鋁顆粒的燃燒。第3階段是鋁經(jīng)過燃燒形成凝相燃燒產(chǎn)物（Condensed Combustion Products，CCPs）。普遍認(rèn)為，凝相燃燒產(chǎn)物包含2類物質(zhì)[2]：團(tuán)聚物（Agglomerates）和氧化鋁煙塵顆粒（Smoke oxide particles，SOPs）。團(tuán)聚物是由發(fā)生團(tuán)聚后的鋁燃燒形成大尺寸的氧化物或氧化物和金屬的混合物，SOPs則是由鋁蒸氣氧化而形成的小尺寸氧化鋁顆粒。團(tuán)聚物也可以分為兩種類型，第1種是表面有氧化帽的金屬鋁顆粒；第2種是“空心”團(tuán)聚物，其內(nèi)部是很小的金屬鋁，外部被氧化鋁包裹，中間是氣體空腔，此類型團(tuán)聚物數(shù)量相對(duì)第1種較多，但在粒子流中質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常小。凝相燃燒產(chǎn)物的粒度分布對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響主要表現(xiàn)在[2,3]：a）推進(jìn)劑燃燒時(shí)鋁粉會(huì)在表面發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使鋁粉的顆粒度增大，降低鋁粉的燃燒效率；b）團(tuán)聚將加劇凝相顆粒的沉積；c）凝相顆粒將加劇內(nèi)絕熱結(jié)構(gòu)的燒蝕；d）鋁粉的分布燃燒和凝相粒子的粒度分布影響燃燒穩(wěn)定性，鋁粉的分布式燃燒可能是燃燒不穩(wěn)定的增益因素，以熱聲耦合的方式對(duì)壓強(qiáng)振蕩起放大作用，凝相粒子的分布以及過載會(huì)影響燃燒穩(wěn)定性中的阻尼效應(yīng)；e）鋁粉特征及凝相產(chǎn)物的粒度分布影響發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖，在流動(dòng)過程中，由于兩相流存在速度滯后和溫度滯后，形成兩相流損失，導(dǎo)致比沖下降。因此獲得凝相粒子的分布對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒、流動(dòng)、熱結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性等至關(guān)重要。本文綜述目前固體推進(jìn)劑凝相燃燒產(chǎn)物的有關(guān)研究，剖析現(xiàn)有研究存在的問題和不足之處，并提出未來有價(jià)值的研究方向。

1 凝相燃燒產(chǎn)物收集與診斷試驗(yàn)方法

針對(duì)近燃面鋁團(tuán)聚機(jī)理研究，通常采用高速攝像結(jié)合顯微放大技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)近燃面團(tuán)聚物的形成及發(fā)展過程進(jìn)行拍攝觀察，研究團(tuán)聚物粒度的變化規(guī)律及相關(guān)影響因素。Maggi[3]、Wang[4]等通過高速攝像技術(shù)研究了推進(jìn)劑近燃面鋁顆粒的團(tuán)聚過程，得到相近的鋁團(tuán)聚物形成機(jī)理，見圖1。當(dāng)含鋁推進(jìn)劑燃燒時(shí)，隨著燃面推移，鋁顆粒由推進(jìn)劑內(nèi)逸出至火焰鋒面（序號(hào)1）；然后，火焰及當(dāng)?shù)鼗旌衔锏姆磻?yīng)產(chǎn)生的熱反饋加熱鋁顆粒，鄰近的鋁顆粒會(huì)聚集并粘合為珊瑚狀團(tuán)聚物（序號(hào)2）；當(dāng)擴(kuò)散火焰接觸到珊瑚狀團(tuán)聚物時(shí)，團(tuán)聚物溫度升高并點(diǎn)火（序號(hào)3）；該團(tuán)聚物會(huì)形成一個(gè)熔融液滴，然后脫離燃面繼續(xù)燃燒（序號(hào)4）。

圖1 微米鋁在AP/HTPB推進(jìn)劑燃面的典型團(tuán)聚點(diǎn)火過程 （5巴） Fig.1 Typical Agglomeration Ignition Process of Micron Aluminum on the Burning Surface of AP/HTPB Propellant (5 bar)

Anand[5]采用了相同的裝置進(jìn)行團(tuán)聚物的淬火收集。Ao[6]和Liu[7]等采用定壓淬息裝置收集含鋁復(fù)合推進(jìn)劑和高能推進(jìn)劑的凝相燃燒產(chǎn)物。為模擬靠近推進(jìn)劑燃燒表面的粒子會(huì)發(fā)生碰撞狀態(tài)，其試驗(yàn)裝置如圖2所示。其直徑為Φ30 mm的推進(jìn)劑試樣中帶10個(gè)Φ2 mm的內(nèi)孔，在大氣環(huán)境壓強(qiáng)下燃燒，則藥柱內(nèi)孔表面燃燒并發(fā)生粒子碰撞而落入水中。

圖2 模擬燃燒產(chǎn)物碰撞試驗(yàn)裝置 Fig.2 Simulated Combustion Product Impact Test Device

Carlotti[8,9]基于超音速探針的收集方法能夠從小型固體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣羽流中收集氧化鋁顆粒，其裝置及原理如圖3所示，并與淬息收集容器收集到的凝相燃燒產(chǎn)物進(jìn)行比較。

圖3 超音速探針法收集裝置 Fig.3 Supersonic Probe Collection Device

2 凝相燃燒產(chǎn)物物理化學(xué)特性

2.1 微觀結(jié)構(gòu)與粒度

敖文團(tuán)隊(duì)[6]的研究表明，收集處理方法對(duì)含鋁固體推進(jìn)劑凝相燃燒產(chǎn)物的粒度有影響。當(dāng)收集介質(zhì)為氮?dú)鈺r(shí)，體積平均粒徑D43較小；當(dāng)收集介質(zhì)為水時(shí)，體積平均粒徑D43較大。氮?dú)馀c水相比，小尺寸（0～10 μm）顆粒含量較高，中間尺寸（10～105 μm）顆粒及大尺寸（大于105 μm）顆粒含量較低?；谝陨显囼?yàn)研究結(jié)果，提出了一套凝相燃燒產(chǎn)物收集方法，如圖4所示[22]。確定了收集介質(zhì)的選取，干燥處理及超聲分散工況。收集介質(zhì)方面，若需要獲取推進(jìn)劑中鋁燃燒初始階段參數(shù)時(shí)，選取水為收集介質(zhì)。需要獲取推進(jìn)劑中鋁燃燒末階段參數(shù)時(shí)，使用氮?dú)庾鳛槭占橘|(zhì)。干燥處理方面，認(rèn)為樣品需要經(jīng)過干燥處理。超聲波分散方面，基于KQ-100TDE高頻數(shù)控超聲波清洗器，在80 KHz條件下，超聲分散工況設(shè)定為40 W、5 min。

圖4 凝相燃燒產(chǎn)物微觀形貌 Fig.4 Formation Mechanism of Irregular Aggregates

2.2 凝相產(chǎn)物化學(xué)特性

含鋁推進(jìn)劑凝相燃燒產(chǎn)物成分分析是揭示其燃燒性能與機(jī)理的關(guān)鍵。通過凝相燃燒產(chǎn)物成分分析可以獲得產(chǎn)物組分和鋁的燃燒效率等信息。各類分析方法中，X射線衍射（Diffraction of X-rays，XRD）分析是一種比較常用的測(cè)定燃燒產(chǎn)物成分的方法，主要用于物質(zhì)的定性鑒別和半定量分析[10]；能譜分析（Election Spctorscopy，EDS）原理是在掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）中，當(dāng)電子束輻照到樣品表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熒光X射線，按能量高低的不同將X射線分開，可獲得不同元素的特征X射線譜，EDS在凝相燃燒產(chǎn)物表面元素的分析方面應(yīng)用較多；電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（Inductively Coupled Plama，ICP）方法應(yīng)用于多領(lǐng)域的液、固成分檢測(cè)，可測(cè)定凝相燃燒產(chǎn)物中活性鋁含量[10,11]?；瘜W(xué)分析也是凝相燃燒產(chǎn)物成分分析的常用手段，主要用于測(cè)定凝相燃燒產(chǎn)物中活性鋁的含量。其中，氧化還原滴定法和氣體容量法在凝相燃燒產(chǎn)物成分分析中較為常用。氧化還原滴定法是以氧化劑或還原劑作為標(biāo)準(zhǔn)溶液，依據(jù)氧化還原反應(yīng)進(jìn)行滴定的方法。氣體容量法是根據(jù)活性鋁可與氫氧化鈉反應(yīng)放出氫氣，通過排水法測(cè)定氫氣的體積，從而根據(jù)產(chǎn)生氫氣的量即可計(jì)算出活性鋁的含量。重鉻酸鉀滴定法是酸性介質(zhì)中，在有二氧化碳保護(hù)氣體存在下，活性鋁將三價(jià)鐵還原為二價(jià)鐵。以二苯胺磺酸鈉作指示劑，用重鉻酸鉀溶液為標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。根據(jù)消耗重鉻酸鉀溶液的體積，計(jì)算活性鋁含量。

3 凝相燃燒產(chǎn)物演化機(jī)理與模型

3.1 團(tuán)聚模型

a）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投嗍菍?duì)研究工作的總結(jié)提煉出相關(guān)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸剑瑏韺?duì)團(tuán)聚物的平均粒徑結(jié)果進(jìn)行預(yù)示，主要包括Hermsen擬合模型、Salita擬合模型、Beckstead擬合模型、Cohen口袋模型、Grigoriev口袋模型以及Cohen口袋模型等[6]。

b）凝相邊界層模型。

凝相邊界層模型的基本考慮是推進(jìn)劑燃燒時(shí)表面存在一層融化的熔融層，顆粒受到表面張力的作用在熔融層內(nèi)聚集，顆粒密度增加最終被點(diǎn)燃而發(fā)生團(tuán)聚。Gany、Yavor和Beckstead[12]于2013年對(duì)于凝聚邊界層模型進(jìn)行了細(xì)化。新引入了移動(dòng)表面層特征距離的概念，特征距離主要取決于粗AP粒徑和含量。發(fā)現(xiàn)它對(duì)產(chǎn)生的團(tuán)聚體直徑有顯著影響。團(tuán)聚閾值定義為顆粒直徑等于移動(dòng)層厚度。小于該閾值的顆粒顯示出形成大團(tuán)聚體的趨勢(shì)，而直徑稍大的顆粒顯示出更快的點(diǎn)火和更小的團(tuán)聚體。許多推進(jìn)劑成分的模型預(yù)測(cè)與其他理論研究以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出良好的一致性。但凝相邊界層模型更多是進(jìn)行定性分析。

c）隨機(jī)裝填模型。

隨機(jī)裝填模型其基本特點(diǎn)是使用一定的隨機(jī)堆填算法，利用現(xiàn)在高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，模擬推進(jìn)劑中氧化劑顆粒和金屬顆粒的大小和位置參數(shù)，再利用算法進(jìn)行顆粒融合的計(jì)算，通常算法都是以顆粒距離為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由于有了金屬顆粒具體的位置和大小等形態(tài)學(xué)參數(shù)，隨機(jī)裝填模型具有可以高度定量化計(jì)算的特點(diǎn)。以算法生成的鋁顆粒分布為基礎(chǔ)，根據(jù)團(tuán)聚計(jì)算的判定方法和算法不同衍生出多種不同的模型。

多名學(xué)者發(fā)展了隨機(jī)包裝算法[13～15]，不過其重點(diǎn)研究對(duì)象在于隨機(jī)包裝算法，以期獲得高效準(zhǔn)確的算法來模擬生成推進(jìn)劑，并研究不同組分推進(jìn)劑顆粒中的分布和統(tǒng)計(jì)特性，多數(shù)學(xué)者并未根據(jù)生成的模擬推進(jìn)劑發(fā)展團(tuán)聚模型算法。

中國近代化學(xué)研究所Xiao Liqun[16]等于2019年基于隨機(jī)包裝算法模擬生成的推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)，采用optics密度聚類算法建立了鋁顆粒團(tuán)聚模型。該模型采用的密度聚類算法，是通過計(jì)算鋁顆粒空間密度，來確定顆粒團(tuán)聚的比例，具有一定的物理學(xué)意義。

韓國學(xué)者HyoungjoonKwon[17]于2019年采用微米CT獲得的實(shí)際推進(jìn)劑圖像輸入到團(tuán)聚模型中，與通過隨機(jī)包裝得到的模擬推進(jìn)劑團(tuán)聚結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，見圖5，獲得了比較良好的結(jié)果。該研究是第1次直接將微米CT獲得的無損圖像應(yīng)用在顆粒團(tuán)聚模型中，基于的算法還是隨機(jī)裝填模型中直接考慮顆粒距離的算法模型。

圖5 微米CT輸入與隨機(jī)裝填輸入團(tuán)聚結(jié)果對(duì)比 Fig.5 Comparison of Agglomeration Results between Micron CT Input and Random Loading Input

可以發(fā)現(xiàn)不同模型關(guān)注的重點(diǎn)和適用場(chǎng)景不同，其中口袋模型和隨機(jī)裝填模型更多的是考慮推進(jìn)劑的幾何結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以進(jìn)行定量化的計(jì)算，但是它沒有充分考慮具體的燃燒和團(tuán)聚過程，并且缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證明模型的相關(guān)假設(shè)。凝相邊界層模型和物理模型更關(guān)注具體物理過程，它們都有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)支撐，更符合真實(shí)的物理過程，但是其計(jì)算過程需要微觀的燃面參數(shù)限制了它的使用，導(dǎo)致它只能定性分析團(tuán)聚結(jié)果。

雖然有大量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究揭示了不同因素對(duì)于鋁顆粒團(tuán)聚的影響規(guī)律，但是到目前為止，推進(jìn)劑燃燒過程中鋁顆粒具體的團(tuán)聚過程依然不是完全清楚。另一方面，已有的模型都具有一定的適用性，也說明了推進(jìn)劑幾何結(jié)構(gòu)和燃燒過程都會(huì)影響團(tuán)聚，是模型建立必須要考慮的因素。因此后續(xù)理論及模型發(fā)展的趨勢(shì)主要是：在明確了推進(jìn)劑燃燒時(shí)鋁顆粒團(tuán)聚過程的基礎(chǔ)上，充分考慮原始推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)和燃燒過程，參考已有的模型，建立能夠反應(yīng)真實(shí)團(tuán)聚過程及其特征的定量化團(tuán)聚預(yù)示模型。

3.2 燃燒模型

鋁的燃燒過程非常復(fù)雜，與液滴蒸發(fā)燃燒相似，受燃料和氧化劑擴(kuò)散控制，但僅用液滴燃燒理論不足以表征鋁的燃燒。首先，鋁顆粒在燃燒時(shí)，氣相燃燒產(chǎn)物會(huì)凝結(jié)成液相的氧化鋁，這一凝結(jié)燃燒產(chǎn)物會(huì)顯著地影響燃燒反應(yīng)放熱。其次，液態(tài)的氧化鋁會(huì)在鋁顆粒表面沉積形成氧化帽，導(dǎo)致鋁顆粒的氣化速率、溫度及其它顆粒表面物理量的分布發(fā)生扭曲，而且氧化帽還會(huì)促使鋁顆粒產(chǎn)生噴射和破裂現(xiàn)象。最后，凝相燃燒產(chǎn)物的分解導(dǎo)致火焰溫度一直接近于氧化鋁的蒸發(fā)溫度。所以，鋁的燃燒模型必須在液滴燃燒模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。

近期的研究工作中，Beckstead等[18]提出的二維、非穩(wěn)態(tài)、動(dòng)力-擴(kuò)散-蒸發(fā)控制的鋁燃燒模型是其中最重要的理論模型之一。模型認(rèn)為鋁燃燒與普通液滴燃燒的不同之處主要分為以下兩點(diǎn)：首先，燃燒產(chǎn)物氧化鋁會(huì)發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象；其次，在鋁顆粒表面會(huì)有氧化鋁的沉積。模型針對(duì)這兩個(gè)物理現(xiàn)象分別建立子模型，模型還考慮了氧化帽對(duì)溫度和組分等顆粒表面物理量分布扭曲的影響。結(jié)果表明，鋁在氧氣、二氧化碳和水環(huán)境條件下的燃燒接近擴(kuò)散控制過程，氧化劑影響火焰區(qū)的位置和厚度。模型得到的燃燒時(shí)間與粒徑的關(guān)系并非常數(shù)。由于顆粒表面存在氧化鋁沉積，導(dǎo)致顆粒速度發(fā)生振蕩。

依據(jù)以上鋁燃燒的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，可知目前的研究工作在以下幾個(gè)方面可以進(jìn)一步發(fā)展。a）固體推進(jìn)劑燃燒時(shí)，氣相區(qū)域中的氧化劑主要為二氧化碳和水蒸氣，因此，鋁顆粒在二氧化碳和水蒸氣環(huán)境中燃燒的理論研究具有重要意義。然而，鋁在二氧化碳或水環(huán)境下的燃燒理論研究目前較少。b）針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的鋁燃燒模型匱乏，當(dāng)前的鋁燃燒模型主要在空氣、氧氣等氣氛下，此類模型在推進(jìn)劑燃燒氛圍下的適用性未知。c）模型缺乏精細(xì)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校核。尤其是固體推進(jìn)劑微觀燃燒數(shù)據(jù)匱乏，罕見采用推進(jìn)劑燃燒實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)模型。圖6為參考試驗(yàn)規(guī)律和文獻(xiàn)總結(jié)的鋁顆粒燃燒模型示意圖。

圖6 鋁顆粒燃燒模型示意 Fig.6 Schematic Diagram of Aluminum Particle Combustion Model

3.3 凝相產(chǎn)物預(yù)示模型

Liu[19]等人在考慮團(tuán)聚和燃燒后才能建立凝相燃燒產(chǎn)物粒度預(yù)示模型。假設(shè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)收集的凝相燃燒產(chǎn)物為氧化鋁，沉積率為金屬氧化物質(zhì)量 moxm與初始粒子質(zhì)量 0Pm之比。假設(shè)顆粒均為球形，沉積率表達(dá)式為

式中ρAl 2 O3為氧化鋁密度；NAl 2 O3,i為當(dāng)前粒徑下氧化鋁顆粒的數(shù)目；DAl 2 O3,i為氧化鋁顆粒的直徑；nAl2O3為氧化鋁顆粒粒徑種類總數(shù)；ρAl為鋁密度；NAl,i為當(dāng)前粒徑下鋁顆粒的數(shù)目；DAl,i為鋁顆粒的直徑；nAl為鋁顆粒粒徑種類總數(shù)。凝相燃燒產(chǎn)物理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比表明該凝相燃燒產(chǎn)物粒度預(yù)示模型可較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)凝相燃燒產(chǎn)物粒度的預(yù)測(cè)。

4 凝相燃燒產(chǎn)物兩相流數(shù)值模擬

Hwang 和Chang[20]使用軌道模型計(jì)算火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管兩相流動(dòng)，分別計(jì)算了燃?xì)鉄o粘和有粘、不同顆粒直徑條件下的兩相流。結(jié)果表明，通過把顆粒相當(dāng)作質(zhì)量、動(dòng)量和能量源項(xiàng)，軌道模型可以用來計(jì)算火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管兩相流。使用顯式MacCormack 格式對(duì)氣相的控制方程進(jìn)行求解，顆粒相的溫度、位置和速度使用拉格朗日方法進(jìn)行求解。為了研究兩相間的相互作用，在軌道模型中加入了阻力系數(shù)和努塞爾數(shù)。對(duì)于無粘兩相流動(dòng)，使用軌道模型的計(jì)算結(jié)果與雙流體模型的結(jié)果相差不大。對(duì)于有粘兩相流動(dòng)，燃?xì)鉁囟鹊姆逯滴挥趪姽鼙诿嫔系念w粒分散點(diǎn)，并且溫度峰值隨顆粒直徑減小而增大，隨顆粒質(zhì)量增大而增大。

但是顆粒相本身并不是連續(xù)的，而是由離散、獨(dú)立的顆粒單元組成的。通過雙流體模型無法考慮顆粒相內(nèi)部的作用，例如顆粒與顆粒間的諸如變形、碰撞、團(tuán)聚、沉積等以及顆粒與流體相間的能量交換等等，且雙流體模型不能準(zhǔn)確地描述兩相流中每一個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)，而采用將顆粒視為離散單元的離散方法能夠解決這一問題。作為一般常用的離散方法，離散元法DEM能夠充分考慮顆粒與顆粒、顆粒與流體之間發(fā)生的各種相互作用，并在微觀尺度下提供諸如顆?？臻g分布、顆粒速度、顆粒受力、顆粒與流體相能量交換等詳細(xì)的顆粒信息，非常適用于發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下顆粒與流場(chǎng)的相互作用的研究中對(duì)顆粒相運(yùn)動(dòng)與空間分布的描述。

褚開維團(tuán)隊(duì)建立了CFD-DEM耦合模型[21]，對(duì)氣體旋流器中氣-固流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，成功捕獲了氣體旋流器中的關(guān)鍵流動(dòng)特征。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程是典型的高溫、高壓、高速環(huán)境下大規(guī)模顆粒-流體耦合作用系統(tǒng)，涉及千萬億級(jí)鋁顆粒（直徑約1～300 μm）與燃燒劑固體藥柱（可占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的95%）的燃燒和氣-粒高速流動(dòng)。其數(shù)值模擬難點(diǎn)在于廣泛尺寸分布的大規(guī)模固結(jié)顆粒與高溫高壓流體耦合作用的高精度建模，未來亟需解決以下關(guān)鍵科學(xué)問題：a）揭示推進(jìn)劑燃燒過程中動(dòng)量、熱量、質(zhì)量的傳遞機(jī)制，建立固體推進(jìn)劑燃燒及其燃面動(dòng)態(tài)退移的本構(gòu)模型與建模方法；b）建立大規(guī)模固結(jié)顆粒與高溫高壓流體耦合作用的高精度粗?；碚撆c方法；c）建立固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管高速氣-固兩相或多相流動(dòng)量損失高精度預(yù)測(cè)方法。

5 推進(jìn)劑燃燒效率優(yōu)化技術(shù)

5.1 推進(jìn)劑基礎(chǔ)配方研究

推進(jìn)劑的基礎(chǔ)組分包括氧化劑、粘合劑、金屬燃料等含能組分，這些組分的粒徑、含量都會(huì)對(duì)推進(jìn)劑的燃燒效率產(chǎn)生極大影響。劉歡等[22]對(duì)比了13 μm、29 μm和40 μm的鋁粉對(duì)推進(jìn)劑團(tuán)聚的影響，發(fā)現(xiàn)隨鋁粉粒度增大，團(tuán)聚物的平均粒徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。同時(shí)探究了RDX含量對(duì)團(tuán)聚的影響，結(jié)果表明凝相燃燒產(chǎn)物團(tuán)聚分?jǐn)?shù)隨著RDX含量的增加而增大，燃燒效率由97.6%降至82.7%。

5.2 組分材料改性

5.2.1 金屬、金屬化合物及合金

俄羅斯的Korotkikh等[23]研究了在壓強(qiáng)為2.2～7.7 MPa范圍內(nèi)，超細(xì)鐵粉和無定形硼添加劑對(duì)含鋁推進(jìn)劑凝相燃燒產(chǎn)物特性的影響。添加2%超細(xì)鐵粉，鋁團(tuán)聚程度略有增加，團(tuán)聚顆粒的平均粒徑增加了1.2倍，團(tuán)聚物含量增加1.4倍。5種合金對(duì)推進(jìn)劑團(tuán)聚特性的影響見圖7。

圖7 5種合金對(duì)推進(jìn)劑團(tuán)聚特性的影響 Fig.7 Effect of Five Alloys on Agglomeration Characteristics of Propellants

5.2.2 石墨烯及其化合物

周重洋等[24]采用高速攝像技術(shù)對(duì)比研究了石墨烯包覆鋁粉取代相同規(guī)格鋁粉后丁羥推進(jìn)劑的團(tuán)聚特性。結(jié)果表明，石墨烯包覆鋁粉一方面可使團(tuán)聚物的最大概率粒徑減小約20 μm。另一方面，含石墨烯包覆鋁粉丁羥推進(jìn)劑同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不足10%的大粒徑團(tuán)聚物。

6 分析與建議

國內(nèi)外針對(duì)固體推進(jìn)劑凝相燃燒產(chǎn)物的表征、影響因素、燃燒模型等方面開展了廣泛研究，取得了一定的認(rèn)識(shí)，但現(xiàn)有研究關(guān)于凝相燃燒產(chǎn)物燃燒效率的準(zhǔn)確評(píng)估、影響機(jī)制、理論建模、燃燒改性等問題均需進(jìn)一步的研究[25]。主要包括燃燒效率的評(píng)估方法、凝聚相燃燒產(chǎn)物特性、鋁粉燃燒及團(tuán)聚理論模型以及燃燒效率有效提升方法。建議未來從如下幾方面開展研究：

a）建立更加精細(xì)的固體推進(jìn)劑凝聚相燃燒產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，精度更高的凝聚相燃燒產(chǎn)物活性鋁含量測(cè)定與分析方法。

b）系統(tǒng)開展推進(jìn)劑組分、粒度以及分布、級(jí)配、微觀結(jié)構(gòu)與壓強(qiáng)、燃速等主要因素對(duì)凝相燃燒產(chǎn)物影響機(jī)制。

c）建立固體推進(jìn)劑燃?xì)夥諊碌匿X燃燒模型，開發(fā)顆粒氣體兩相流系統(tǒng)準(zhǔn)確有效的CFD-DEM相間耦合模型，突破液滴顆粒行為模式的CFD-DEM模擬方法。

d）研究新型合金種類與含量形成二元或多元鋁基合金燃料，微納復(fù)合結(jié)構(gòu)燃料設(shè)計(jì)理論與方法，探索對(duì)高能推進(jìn)劑的燃燒效率的影響機(jī)制。