氟化物包覆納米鋁粉對HTPB燃料燃燒性能的影響

秦 釗，Christian PARAVAN，Giovanni COLOMOBO，Luigi T．DELUCA，沈瑞琪，葉迎華

（1．南京理工大學化工學院，江蘇南京210094；2．SPLab，Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali，Politecnico di Milano，120156 Milano，Italy）

引 言

混合發動機中氧化劑和燃料分別處于不同的狀態，其中以固態燃料和液態氧化劑為組合的固液混合發動機研究最為廣泛。與固體發動機和液體發動機相比，固液混合發動機具有安全性高、成本低、推力可調、可多次開關機等優點而受到越來越多的重視［1－3］。混合發動機的主要缺點是燃料的退移速率低，研究表明，該缺點可通過添加含能物質加以改善［4－5］。

納米鋁粉具有燃燒快、放熱量大等優點，在推進劑及炸藥中得到廣泛應用［6－7］。研究發現，氧化劑質量密流較高時，納米鋁粉可以提高HTPB燃料的退移速率；然而在氧化劑質量密流較低時，燃料的退移速率反而降低。G．A．Risha和C．Paravan［8－9］的研究證實了納米鋁粉對HTPB燃料退移速率的這種影響。納米鋁表面易形成一層致密的氧化鋁薄膜，只有氧化劑質量密流達到一定值時，才有足夠的氣動力將鋁顆粒帶出燃燒面，納米鋁顆粒才能顯著提高燃料的退移速率［4］。

氟化物包覆納米鋁粉（VF＿Alex）是用氟橡膠和一種氟代烴包覆的納米鋁顆粒。本實驗研究了氟化物包覆納米鋁粉對HTPB燃料燃燒性能的影響，并與未經包覆處理的納米鋁粉對HTPB燃料的退移速率的影響進行比較，為納米鋁粉的應用提供參考。

1 實 驗

1．1 材料及儀器

HTPB，分子質量2 800g／mol，美國Sartomer公司；己二酸二辛酯（DOA）、二月桂酸二丁基錫（TIN），純度均大于99%，ACROS／Carlo Erba公司；異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），Alfa Aesar GmbH ＆Co．KG 公司；氟化物包覆納米鋁粉，俄羅斯Advance Powder Technologies LLC（APT）公司，顆粒中金屬的質量分數為79%，平均粒度為100nm，比表面積為11m2／g。

1．2 樣品制備

HTPB燃料配方見表1。將各種組分按照一定的順序加入到真空混合裝置中，混合30min，澆注到長30mm、內徑18mm 的圓管中（中心預留直徑為4 mm 的圓孔），36℃固化23h，60℃固化2h。

表1 燃料配方Table 1 Formulations of fuels

1．3 實驗裝置

圖1為HTPB燃料燃燒性能測試系統示意圖。HTPB燃料點火和燃燒實驗均在不銹鋼燃燒室中進行，燃燒室的壓強和氧化劑的進氣量可以獨立控制，能夠方便地開展不同工況下的實驗。測試時，在樣品的預留圓孔處放置點火藥，點火藥被CO2激光輻照燃燒后迅速點燃HTPB 燃料。HTPB 燃料的燃燒過程經過一個45°的反射鏡反射后被高速攝影記錄。燃燒室的壓強通過4個電磁閥維持在一個恒定值。

圖1 HTPB燃料燃燒性能測試系統示意圖Fig．1 Diagram of system for testing combustion properties of HTPB based fuels

實驗采用氣態氧氣作為氧化劑，氧化劑的初始質量密流為380kg·m－2·s－1。實驗壓強維持在1．0MPa，高速攝影的拍照頻率為500fps。每種燃料在相同工況下重復3次實驗，盡可能減少誤差。

2 數據處理

圖2為高速攝影記錄的燃燒端面圖。根據圖2可以清晰地看到燃料的燃燒端面。利用高速攝影記錄燃料的燃燒過程。對于任意時刻的燃料燃燒截面直徑，需要從水平方向（Dh，i）和垂直方向（Dv，i）各測量3次以上，再求平均值。

圖2 高速攝影采集的燃燒端面圖Fig．2 Figure of burning regression surface recorded by high speed camera

任意時刻燃料的燃燒截面直徑可表示為：

對每一次實驗按照一定的頻率測試15～20個時刻的燃燒截面直徑，得到燃燒截面直徑隨時間的變化規律。燃料A 的燃燒截面直徑隨時間的變化關系如圖3所示。

圖3 燃料的燃燒截面直徑隨時間的變化曲線Fig．3 Diameter of regression surface of fuel vs．time

燃料燃燒時燃料截面直徑變化（D（t）－D（t0））與時間（t－t0）的關系可描述為：

式中：t0為燃料點火的時刻。

由式（2）可得燃料的退移速率（rf）為：

由式（2）還可得到氧化劑的質量密流（Gox）：

式中：mox為氧化劑的質量流量。

為了將實驗結果與文獻［8］結果進行對比，對每組實驗的燃料的退移速率和氧化劑質量密流關系用冪函數進行擬合，擬合公式如下：

3 結果與討論

3．1 HTPB燃料的燃燒性能

在1．0MPa的燃燒室中，測得燃料A 和燃料B的退移速率隨氧氣質量密流的變化曲線，結果如圖4所示。

用式（5）對燃料的退移速率與氧化劑的質量密流的關系進行擬合，結果見圖4，擬合參數見表2。燃料的擬合指數n與文獻［8］中不含添加物的HTPB燃料的接近。

表2 公式（5）的擬合參數Table 2 Fitting parameters of Eq．（5）

圖4 燃料A和B的退移速率與氧化劑質量密流的關系曲線Fig．4 The Gox－rfrelation curves for fuel A and fuel B

從圖4可以看出，兩種燃料的退移速率都隨著氧氣質量密流的增加而增大。在氧氣質量密流為100～380kg·m－2·s－1時，燃料B的退移速率比燃料A 的退移速率高，這是由于納米鋁粉的加入提高了燃料的燃燒熱。

3．2 氟化物包覆納米鋁粉對燃料退移速率的促進作用

為比較氟化物包覆納米鋁粉對HTPB 燃料退移速率的促進作用，定義燃料B相對于燃料A 的退移速率增加的百分比（Δrf）如下：

式中：rf，A為燃料A的退移速率；rf，B為燃料B的退移速率。

Δrf與氧化劑質量密流的關系如圖5所示。

圖5 Δrf 與氧化劑質量密流的關系曲線Fig．5 Δrfvs．Goxrelation curves

從圖5 可以看出，在氧氣質量密流為100～380kg·m－2·s－1時，氟化物包覆納米鋁粉對HTPB燃料退移速率的促進作用不隨氧化劑質量密流的變化而變化，燃料B的退移速率比燃料A 高13%左右。未經包覆處理的納米鋁（Alex）對HTPB 燃料退移速率的促進作用隨著氧化劑質量密流的增大而增強［8－9］。文獻［8］中HTPB 燃料含13%的未經包覆處理的納米鋁（平均直徑為150nm），在氧化劑質量密流為100～150kg·m－2·s－1時，氟化物包覆納米鋁粉對HTPB燃料的促進作用更強；文獻［9］中未經包覆處理納米鋁粉的質量分數為10%，平均直徑為100nm，對比發現，在氧氣質量密流為245kg·m－2·s－1時，含有氟化物包覆納米鋁粉和未經包覆處理的納米鋁粉的燃料的退移速率相當。氧氣質量密流小于245kg·m－2·s－1時，氟化物包覆納米鋁粉對燃料退移速率的促進作用更強；而當氧化劑質量密流大于245kg·m－2·s－1時，未經包覆處理的納米鋁粉對燃料退移速率的促進作用更加顯著。

3．3 HTPB燃料的理論比沖和火焰溫度的計算

利用 NASA 的化學平衡及應用程序（CEA）［10－11］計算 了HTPB 燃料在氣態氧氣作為氧化劑時的理論比沖（Isp）和絕熱火焰溫度（Tf）。計算條件：燃燒室壓強1．0MPa；噴管擴張比為40；氧化劑與燃料質量比0．4～8；假設噴管處于真空環境中。

兩種燃料的理論比沖和絕熱火焰溫度隨氧氣與燃料質量比的變化曲線如圖6所示。

圖6 HTPB燃料的理論比沖和絕熱火焰溫度隨氧氣與HTPB燃料質量比的變化曲線Fig．6 Curves of change in theory specific impulse and adiabatic flame temperature of HTPB fuels with mass ratio of oxygen／fuel

從圖6可以看出，兩種燃料的理論比沖和絕熱火焰溫度具有相同的變化趨勢，二者都在氧氣與燃料質量比為2．0左右達到最大值。在氧氣與燃料質量比為0．4時，燃料B的絕熱火焰溫度要比燃料A低31%。隨著氧氣與燃料質量比的增大，兩種燃料的火焰溫度越來越接近，當氧氣與燃料質量比大于4時，二者的絕熱火焰溫度值相差小于1%。兩種燃料的理論比沖都在240～360s。在氧氣與燃料質量比小于2．5時，燃料B的理論比沖比燃料A 低6%左右；當氧氣與燃料質量比為大于2．5時，燃料B的理論比沖比燃料A 高1%左右。由此可見，氧氣與燃料質量比為0．4～8時，鋁的加入不能顯著提高固液混合發動機的比沖，對燃氣的溫度也沒有明顯的提高作用。

4 結 論

（1）燃料A 和燃料B的退移速率隨著氧化劑質量密流的增加而增大，退移速率和氧化劑的質量密流關系可用冪函數擬合，擬合指數分別為0．704±0．003和0．688±0．002。

（2）氟化物包覆納米鋁粉對HTPB 燃料的退移速率有一定的促進作用，并且不隨氧化劑質量密流的改變而改變。在氧氣質量密流為100～380kg·m－2·s－1時，氟化物包覆納米鋁粉可使HTPB燃料的退移速率提高13%左右。

（3）真空中，兩種燃料的理論比沖和絕熱火焰溫度都在氧氣與燃料質量比為2．0時達到最大值。氧氣與燃料質量比在0．4～8時，鋁粉對HTPB 燃料的理論比沖和絕熱火焰溫度都沒有明顯的促進作用。

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