鋁粉燃料火箭發動機的爆轟特性研究

劉國秋 孫宇航 高明 桂柯

摘?要：航空航天技術是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現，而其中的核心就是發動機的技術。爆轟燃燒相比于傳統的定壓燃燒效率和比沖更高，而使用高能量密度的鋁粉燃料會釋放出更多的能量，在推進劑配方中加入適量的鋁粉，可以大幅提高比沖，提供更加穩定、高效的燃燒。本文討論了鋁粉顆粒的粒徑大小、鋁粉的含量等對爆轟性能的影響，介紹了含鋁燃料火箭發動機的爆轟特性研究現狀。

關鍵詞：火箭發動機;鋁粉顆粒;爆轟

在常規固體火箭推進劑中加入含金屬燃料可以大大提高推進劑的能量密度。鋁具有優良的物化性質，便于運輸和儲存，原材料豐富，爆轟燃燒效率高。我國也在20世紀80年代展開對爆轟發動機的研究，然而完全以鋁粉作為推進劑的固體發動機相關研究很少，目前仍處于起步階段。作為火藥和推進劑的添加劑，鋁粉已被廣泛用于工業與軍事中。因此開展對鋁粉爆轟特性的研究及其可行性是十分必要且有重要意義的。

1?鋁粉物理性質對爆轟特性的影響

苗勤書、徐更光[1]等通過研究片狀和粒狀鋁粉對爆速、爆壓和爆熱的影響表明了不同形狀的鋁粉對其爆轟性能的影響，表1揭示在同一密度下、一定范圍內，鋁粉的粒度越小，爆速越低，導致此現象的原因還是鋁粉比表面積的改變。

在胡小明、郝成君等[2]的研究中還提到片狀鋁粉的爆轟性能更佳。鋁粉粒度越小，其比表面積越大，這時參加反應的鋁粉變多，鋁粉同周圍介質相互接觸、碰撞的次數增多，所獲得的能量也隨之增大，使得參與爆轟反應的時間提前，爆轟能量也隨之增大。

南京理工大學的劉曉利、李鴻志、郭建國[3]等利用由爆轟管、泄壓罐、揚塵系統及點火控制系統等組成的試驗系統研究了爆轟參數在爆轟過程中的變化規律。該系統把爆轟管的長度增加，所用粉塵為三種球形鋁粉，平均顆粒直徑分別為2μm、5μm和13μm;實驗發現2μm鋁粉，濃度400g/m3的條件下，爆速達到1.95km/s附近，然后在最后一段中逐漸趨于恒定的值。5μm的鋁粉也逐漸趨于恒定的值，在10km/s附近。由圖還發現爆速在3～6m這一段中連續增加。尤其是2μm的鋁粉在5～6m范圍內的變化很明顯，幅度也較大。

表2為2μm和5μm的鋁粉在濃度為400g/m3條件下爆轟壓力沿著管長的變化情況。由下圖可見，爆轟壓力最大值沿著管長的波動十分劇烈，隨著爆轟波傳播的距離增加，其波動的劇烈程度也增加。總結可知：沿著爆轟波的傳播方向，壓力的最大值逐漸增加;隨著鋁粉粒徑的增大，壓力的最大值逐漸下降;膜片的厚度對壓力的最大值也有一定的影響。

南京理工大學的劉曉利、李鴻志[4]在對空氣懸浮體爆轟特性的實驗研究也分析了壓力信號的變化。2μm的鋁粉最大壓力達4.3MPa，最大爆速為1.64km/s。已經形成了明顯爆轟現象;而5μm的鋁粉的爆轟特征較弱，不太明顯，13μm的鋁粉未發生明顯爆轟現象。此外，2μm的鋁粉濃度在30～40g/m3時的壓力最大，當5μm的鋁粉濃度為40～60g/m3壓力最大。由此得出結論，鋁粉爆轟時的壓力數值最大值位置隨著鋁粉粒徑的增大而向右移動。

2?討論與總結

（1）2μm鋁粉容易爆轟，13μm鋁粉未發生達到爆轟條件，沒有發生爆轟，粒徑為5μm的鋁粉的爆轟反應較微弱。對于2μm鋁粉，最優濃度為300～400g/m3;對于5μm鋁粉，最優濃度為400～600g/m3。最優濃度的值隨粉塵顆粒直徑的增加而增加。

（2）鋁粉的比表面積對鋁粉爆轟性能的影響明顯。鋁粉的比表面積越大，參加發生反應的鋁粉越多，與周圍的介質發生碰撞、接觸的次數也增多，所獲得的能量也隨之增大，使得參與爆轟反應的時間提前，爆轟能量也隨之增大。因此通過改變鋁粉的形狀和大小，能夠得到爆轟性能更加優良的燃料。

（3）鋁粉的活性對爆轟性能的影響也十分明顯。在一定范圍內，鋁粉的活性越高，與周圍的介質接觸的概率增大，單位質量鋁粉所獲得的能量增大，故爆轟產生的能量密度也較大，爆轟性能也越好。

3?發展前景預測

爆轟發動機結構簡單、尺寸較小且效率較高。而目前廣泛使用的氫氧發動機燃料價格昂貴，原料不易運輸和儲存，熱值相對較低。隨著科學技術的進步，對于太空探索任務的要求更加嚴格，而由于燃料和飛行器重量的限制使得我們無法執行更加艱難的任務，此時就對飛行器的發動機提出了更高的要求。通過橫縱對比，以鋁粉為燃料的爆轟發動機具有巨大的潛力和優勢。

參考文獻：

[1]苗勤書，徐更光，王廷增.鋁粉粒度和形狀對含鋁炸藥性能的影響[J].火炸藥學報，2002（02）：45+8.

[2]胡小明，郝成君，解立峰.影響鋁粉—空氣混合物爆轟的因素分析[J].化工時刊，2006（03）：2526.

[3]劉曉利，李鴻志，郭建國，葉經方，管雪元.鋁粉空氣混合物燃燒轉爆轟（DDT）過程的實驗研究[J].爆炸與沖擊，1995（03）：217228.

[4]劉曉利，李鴻志.鋁粉空氣懸浮體爆轟特性的實驗研究[J].彈箭與制導學報，1993（02）：17.

[5]劉平安，常浩，王文超，郜冶，劉加寧.含鋁復合推進劑燃燒與流動數值模擬[J].固體火箭技術，2017，40（06）：698705.

[6]邵昂，朱韶華，鄂秀天鳳，潘倫，鄒吉軍，徐旭.含鋁金屬化漿體推進劑火箭發動機燃燒性能試驗研究[J].推進技術，2018，39（07）：16501659.

[7]韋偉，翁春生.鋁粉/空氣二維黏性兩相爆轟的數值模擬[J].爆炸與沖擊，2015，35（001）：2935.

作者簡介：劉國秋（2001—?），男，漢族，重慶綦江區人，本科，研究方向：機械工程;孫宇航（2001—?），男，漢族，山東昌邑縣人，本科，研究方向：機械工程;高明（2001—?），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科，研究方向：流體力學;桂柯（2000—?），男，漢族，湖南長沙人，本科，研究方向：機械工程。