環境氣體氧含量對NEPE推進劑激光點火過程的影響

相恒升，陳　雄，周長省，賴華錦

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

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環境氣體氧含量對NEPE推進劑激光點火過程的影響

相恒升，陳雄，周長省，賴華錦

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

摘要：為研究環境氣體氧含量對硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推進劑激光點火過程的影響，采用CO2激光輻射點火并利用高速攝影儀記錄NEPE推進劑的點火過程，討論了環境氣體氧含量對NEPE推進劑初焰位置與點火延遲時間的影響。結果表明，當環境氣體氧含量小于NEPE推進劑熱解產物中氧化性氣體含量時， NEPE推進劑點火的氣相反應發生在推進劑熱解產物的分散區，初焰緊靠NEPE推進劑表面，環境氣體氧含量變化不影響NEPE推進劑的點火延遲時間；當環境氣體氧含量大于NEPE推進劑熱解產物中氧化性氣體含量時， NEPE推進劑點火的氣相反應發生在推進劑熱解產物與環境氣體的擴散區，初焰遠離NEPE推進劑表面，此時由于擴散區氧含量高于NEPE推進劑熱解產物分散區氧含量，NEPE推進劑的點火延遲時間減小。

關鍵詞：物理化學；點火延遲時間；激光點火；氧含量；NEPE推進劑

引 言

NEPE推進劑綜合了雙基推進劑和復合推進劑的優點，是目前廣泛應用的高能固體推進劑[1]，但是由于NEPE推進劑燃燒機理的獨特性，需要深入研究其燃燒與點火機理[2]。

PANG Weiqiang等[3]發現含二硝酰胺銨(ADN)的NEPE推進劑燃燒時存在隨機成核與核的發展現象；王瑛等[4]采用燃燒火焰單幅照相技術拍攝NEPE推進劑在穩態燃燒條件下的火焰結構，發現NEPE推進劑的火焰屬于典型的擴散火焰。李疏芬等[5]研究了常壓下NEPE推進劑中AP的表面積、燃速催化劑、初溫、熱流密度等因素與點火延遲時間的關系，結果表明AP是縮短點火延遲時間的主要因素；初溫對點火延遲時間的影響程度取決于熱流密度的大小，存在 “拉平效應”。王鴻美[2]與Ritchie S J等[6]分析了激光輻射功率密度對推進劑點火延遲時間的影響，發現點火延遲時間與激光輻射功率密度呈冪函數關系。影響固體推進劑點火過程的因素除點火能量、推進劑組分、點火壓力外，環境氣體組分對點火過程也有影響[7]。Ulas等[8]研究了不同環境組分中壓力、激光輻射功率密度對推進劑點火延遲時間的影響，結果表明環境氣體組分對推進劑點火延遲有影響，但并未對影響機理進行深入研究。目前關于環境氣體氧含量對NEPE推進劑點火過程影響的相關研究報道較少。

減少推進劑的點火延遲時間有利于提高固體火箭的機動性。本實驗采用激光點火技術研究環境氣體氧含量(體積分數，下同)對NEPE推進劑點火初焰位置、點火延遲時間的影響，為通過增加固體火箭發動機點火藥中氧化劑含量或增加火箭發動機內氣體的氧含量來減少NEPE推進的點火延遲時間的可行性提供參考。

1實驗

1.1樣品制備

NEPE推進劑由西安近代化學研究所提供，其主要配方(質量分數)為： AP 28%，粒徑100～120μm； RDX 26%～27%,E /H 級；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實驗裝置[2]

實驗裝置主要由CO2激光器、燃燒室和數據采集設備組成，示意圖如圖1所示。CO2激光器最高輸出功率為200W，激光波長10.6μm，光斑直徑3.7mm。

圖1　實驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of the experimental setup

1.3實驗方法

考慮光學系統中各鏡片對激光的吸收，實驗前用功率計測量實際照射到推進劑表面的激光功率。

燃燒室進氣口并聯兩個高壓氣瓶：高壓N2瓶和高壓混合氣瓶， 高壓混合氣瓶內是O2與N2的混合氣體(O2體積分數為40%)，聯合使用這兩個氣瓶按照理想氣體狀態方程可調節燃燒室內O2含量。實驗在一個大氣壓及室溫條件下進行。

采用對激光和火焰敏感的光電二極管對激光信號和推進劑火焰信號進行探測。燃燒室視窗外的高速攝像機以240幀/s的速度拍攝推進劑的點火過程。

推進劑的點火延遲時間tig定義為激光開始產生到推進劑火焰光強可以使光電二極管產生光電流的時間間隔。激光輻射功率密度用q表示，環境氣體氧含量用Xo2表示。試驗分別設置q為0.375、0.514、0.711和1.368W/mm2，調節Xo2依次為0、10%、20%、30%、40%。每次試驗激光加載時間均為1.83s，每種工況重復5次。

2結果與分析

2.1NEPE推進劑激光點火火焰傳播過程

激光輻射功率密度為0.375W/mm2、不同氧含量時NEPE推進劑的激光點火過程如圖2所示。圖中0ms時刻是指NEPE推進劑出現初焰的時刻。

圖2　不同環境氣體氧含量時NEPE推進劑點火過程Fig.2　Ignition process of NEPE propellant with differentoxygen contents in environment gas

由圖2可見，Xo2為0和20% 時，NEPE推進劑初焰緊靠推進劑表面且初焰尺寸小、亮度低，火焰從推進劑表面開始向外傳播；Xo2為40% 時，NEPE推進劑初焰遠離推進劑表面，初焰亮度比Xo2為0和20%時高，在4.17～8.33ms內，NEPE推進劑火焰既向推進劑表面傳播也向外傳播。

上述現象應和NEPE推進劑熱解產物與環境氣體之間的擴散有關。在激光輻射作用下固體推進劑產生的典型流場結構包括3部分:迎著熱流方向高速運動的導引沖擊、作用產物沿軸向運動的流動、作用產物沿垂直于軸向的徑向流動[9]。據此可建立圖3所示的NEPE推進劑熱解產物與環境氣體的擴散模型。

圖3　NEPE推進劑熱解產物與環境氣體的擴散模型Fig.3　Model of the diffusion process of pyrolysisproducts of NEPE propellant and environment gas

圖3中A區是在激光輻射作用下NEPE推進劑熱解產物的分散區，C區是環境氣體，B區是推進劑的熱解產物與環境氣體的擴散區域。由于NEPE推進劑是可自持燃燒推進劑，其熱解產物中既含有氧化性氣體也有還原性氣體。當環境氣體氧含量低時，B區中的氧化性氣體被環境氣體稀釋，使B區中的氧含量比A區低，初焰出現在氧含量高的A區，所以NEPE推進劑初焰出現在推進劑表面。隨著NEPE推進劑不斷熱解，火焰從A區向上傳播；當NEPE推進劑在富氧環境中點火時，B區氧含量比A區高，所以NEPE推進劑在Xo2為40%的環境中點火時較為明亮的初焰出現在遠離推進劑表面的B區，火焰從B區向推進劑表面的A區與遠離推進劑表面的C區傳播。利用圖3所示的擴散模型可以解釋NEPE推進劑在氧含量低的環境中點火時初焰緊靠NEPE推進劑表面、在氧含量高的環境中點火時初焰遠離NEPE推進劑表面的現象。

2.2氧含量對NEPE推進劑點火延遲時間的影響

圖4為在3種激光輻射功率密度下環境氣體氧含量不同時NEPE推進劑的點火延遲時間。

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

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

表1為NEPE推進劑主要組分在點火過程中發生的主要分解反應。

推進劑分解產物之間的主要反應如下：

0.4CO2+0.36H2O

(1)[10]

(2)[6,11]

(3)[11]

(4)[11]

(5)[10-11]

NEPE推進劑氣相區的真實反應遠比上述反應復雜，但上述過程是NEPE推進劑具有代表性的反應過程。NEPE推進劑熱解產物中的氧化性氣體只有AP分解產生的O2，其余產物如CH2O、C2H2、NO、CO等為還原性氣體。按照上述反應過程計算得到該推進劑熱解產物中氧含量為35.14%。

根據計算結果并結合圖3的擴散模型可解釋當Xo2≤35.14%時，環境氣體氧含量變化對NEPE推進劑的點火延遲時間無影響。推進劑的點火延遲時間tig由兩部分組成，即推進劑惰性加熱時間(t1)和氣相區化學反應時間(t2)，tig=t1+t2，同一激光輻射功率密度下t1相同。對氣相反應時間t2，圖3中A區的氧含量為NEPE推進劑熱解產物氧含量35.14%，當Xo2≤35.14%時，因環境氣體的稀釋作用，B區氧含量小于35.14%，點火時推進劑初焰皆出現在氧含量高的A區，所以此時環境氣體氧含量變化不影響NEPE推進劑的點火延遲時間；當Xo2=40%時，因氣體擴散作用，B區氧含量在35.14%～40%，點火時NEPE推進劑初焰出現在氧含量高的B區。因B區的氧含量比A區高，所以出現在B區的初焰比出現在A區的初焰亮度高，光電二極管在短時間內便可以產生光電流，即氣相反應時間t2縮短，所以點火延遲時間減小。

因受實驗材料的限制，僅對1種NEPE推進劑進行了研究，對上述結論是否適合其他配方或類型的推進劑還需要進一步研究。

2.3點火延遲時間與激光輻射功率密度及氧含量的關系

假設激光垂直照射到推進劑表面,不考慮推進劑表面對激光的反射和激光照射時推進劑內部的化學反應，推進劑內部溫度(T)分布滿足方程：

(6)

式中：α為推進劑內部激光吸收系數；ρ為NEPE推進劑密度；C為比熱容；λ為導熱系數；假設ρ、C與λ為常數。

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

(7)

對于NEPE推進劑的氣相反應，在激光持續照射下要考慮氣相對激光的吸收作用，同時要考慮推進劑熱解產物與環境氣體之間的擴散和化學反應，難以給出氣相反應時間(t2)的解析解表達式。參照文獻[8]將點火延遲時間(tig)與激光輻射功率密度(q)采用式(8)進行擬合

tig=aqb

(8)

式(8)關于q的冪級數展開包含式(7)的q冪級數形式，因此Xo2相同時點火延遲時間與激光輻射功率密度可采用式(8)擬合。因為當Xo2≤35.14%時，同一激光輻射功率密度下不同Xo2時NEPE推進劑的點火延遲時間無差異，將同一激光輻射功率密度下氧含量分別為0、10%、20%、30%的點火延遲時間平均值作為該熱流密度下的點火延遲時間。式(8)的擬合結果如表2所示。

表2　不同Xo2時NEPE推進劑的點火延遲時間與激光

擬合結果的矯正決定系數接近于1，表明擬合效果較好。公式(8)可計算激光輻射功率密度在0.375～1.368W/mm2時NEPE推進劑的點火延遲時間。將擬合結果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NEPE推進劑的點火延遲時間的影響與激光輻射功率密度有關。

3結論

(1)環境氣體氧含量小于NEPE推進劑熱解產物中的氧含量時，NEPE推進劑點火過程中的氣相反應發生在熱解產物分散區，初焰緊靠NEPE推進劑表面；環境氣體氧含量變化不影響NEPE推進劑的點火延遲時間。

(2)環境氣體氧含量大于NEPE推進劑熱解產物中氧含量時，NEPE推進劑點火的氣相反應發生在熱解產物與環境氣體的擴散區，初焰遠離NEPE推進劑表面；高氧含量的環境氣體可減小NEPE推進劑的點火延遲時間，但減小程度還與激光輻射功率密度有關。

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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

基金項目:總裝瓶頸項目(No.20101019)

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

中圖分類號：TJ55;V512

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)03-0075-05