硼粉燃燒效率的影響因素研究①

楊 虹，王英紅*，唐梓辰，張鑫鵬，楊時敏，王旭波

(1.西北工業大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072；2.上海航天動力技術研究所，湖州 313000)

0 引言

硼(B)因具有較高的質量熱值(58.28 MJ/kg)和體積熱值(136.38 kJ/cm)成為高能富燃料推進劑中的首選金屬添加劑。在含B富燃料推進劑配方優化過程中，不同條件下B粉的燃燒機理、燃燒效率成為研究者們關注的重點，針對溫度、壓力、氣氛等環境因素對B粉點火燃燒及能量釋放產生的影響也展開了大量研究。由于B具有高熔點(2573 K)、高沸點(4139 K)的特殊性質，且其氧化物BO的熔點(718 K)低、沸點(2133 K)高，呈液膜狀附著在B顆粒表面難以揮發，故在B粉燃燒放熱量測試過程中存在B點火困難且燃燒不充分的問題，導致實測結果往往遠小于理論熱值，B粉燃燒效率低是阻礙含B富燃料推進劑得到廣泛應用的主要問題。目前多采用添加助燃劑的方法，利用氧彈量熱儀測試B粉燃燒放熱量，以燃燒效率表征B粉燃燒性能的好壞。由于燃燒過程會受到助燃劑種類、助燃劑比例、混合方式、氧彈內環境等多種因素的影響，因此即使針對同一種B粉，不同研究者測試得到的燃燒效率也有所差異。

為了改善B粉點火及燃燒性能，國內外研究者開展了相應的工作。UDA采用激波管對40 μm左右的B顆粒在0.1～2 MPa下的點火燃燒特性進行了研究，結果表明，提高環境壓強，可以降低B粒子的點火溫度，從1900 K (0.1 MPa)下降至1400 K (2 MPa)，改變環境壓強對B粒子燃燒時間影響較小。LEIBU等通過平面燃燒器對B-Ti復合顆粒進行點火燃燒實驗，將15%、20%、30%的Ti (粒徑1～3 μm)與B (粒徑1 μm)形成的團聚顆粒注入平面燃燒器中，結果表明，由于Ti易點火且燃燒時釋放出大量熱，可迅速點燃B粒子，當加入15%的Ti與B所形成的團聚體中，B粒子點火時間相比單B粒子縮短了25%。TRUNOV等通過阻滯反應將B與Ti按照摩爾比2∶1研磨制備成納米復合粉末，對B-Ti混合物的燃燒進行了研究。結果表明，Ti易點火發生氧化反應，且反應速率較快，燃燒時釋放出的熱量可迅速加熱B粒子，從而提高B點火過程中的升溫速率，縮短點火延遲時間，且反應生成TiB可釋放出大量熱，為B粉燃燒提供高溫環境，有助于改善B粉的點火燃燒性能。YEH等研究了常壓下粒徑為3 μm左右的B粉以及Mg粉包覆過的B顆粒的點火及燃燒特性，結果表明，隨著氧氣濃度的增加，B粉的點火延遲時間縮短，尤其有水蒸汽存在的情況下縮短趨勢更顯著。此外，經Mg粉包覆過的B粉點火延遲時間更短，當Mg含量大于1%時，反而不利于B粉點火。國外學者對B粉的研究多集中在如何縮短點火延遲時間，改善點火燃燒性能方面，在提高B粉燃燒效率方面涉及內容較少。張勤林、張昊等研究了苯甲酸、90方片藥、Mg粉、某火箭推進劑標準藥四種物質作助燃劑時對B粉燃燒效率的影響，并給出了助燃劑的選取標準，認為助燃劑應具有易引燃、高熱值，燃速和B粉相匹配且與B粉有良好的相容性等特點；當使用某種火箭推進劑作助燃劑，與B粉混合比例為15∶1時，B粉實測燃燒熱可達理論熱值的99.26%；然而助燃劑用量越多，測試結果的不確定度越大，導致測試結果重現性不好，因此需在保證B粉燃燒效率的同時，設法減少助燃劑用量。劉林林等以雙基推進劑作助燃劑，將其與B粉分別進行簡單混合、研磨混合及分子間混合，測得B粉在2 MPa下的燃燒熱值分別為44 439、48 348、54 245 J/g。分析認為，由于分子間混合可使B粉與助燃劑更加緊密接觸，因而B粉的實測熱值更高，但未對氧氣濃度、氧彈結構等因素展開研究。陳濤等采用氧彈量熱計考察了Mg、Al、Ti對含B富燃料推進劑能量釋放特性的影響，結果表明，低耗氧、高放熱的Mg可為B粉營造合適的高溫環境，Mg含量為8%時，B粉燃燒效率可達72.51%。樊榮等分析了4 MPa氧氣氛圍下，當助燃劑與B粉質量比為1∶1、3∶1、6∶1、9∶1時B粉燃燒效率的不同，結果表明，當助燃劑與B粉質量比大于6∶1時，助燃劑對提高B粉燃燒效率的作用降低；當B粉含量較高時，環境壓強越高，燃燒時的“冷壁效應”越嚴重，B粉平均燃燒效率為73.74%，論文僅針對助燃劑比例與環境壓強進行了分析，未給出具體的優化數值，同樣未對氧彈內部結構對B粉燃燒效率的影響進行深入分析。張先瑞等通過燃燒熱測試考察了B粉改性處理對其燃燒難易程度的影響，結果顯示，B粉的燃燒效率高低順序為LiF包覆B粉>無定形B粉>團聚B粉，為了兼顧工藝性能，含B富燃料推進劑中必須采用團聚B，因此還需設法提高團聚B的燃燒效率。黃禮鏗等認為，B粉的燃燒效率直接影響含B富燃料推進劑的燃燒效率，通過減小B粉粒徑(1～2 μm)及提高一次燃氣溫度形成兩種改進配方，使得試驗工況下推進劑的燃燒效率從0.612提高至0.83。

研究并分析氧彈中影響B粉燃燒效率的各種因素，使B粉完全燃燒且充分放熱，有利于準確測得B粉燃燒放熱量，進而表征B粉能量性能。本文針對助燃劑比例、充氧壓強、氧彈中坩堝大小、坩堝位置、坩堝支架有無擋板等多個因素進行了研究，分析不同因素對B粉燃燒放熱量的影響，以期更大程度地提高B粉燃燒效率。

1 實驗

1.1 實驗儀器及材料

實驗儀器：微機全自動量熱儀(ZDHW-HN7000C)，真空干燥箱(DZ-1BCIV)，分析天平(精度為0.000 1 g)，切藥機，粉碎機，500 ml燒杯，玻璃棒，玻璃平板，金屬鏟，鋼針。

實驗原料：無定型B粉，純度90%，粒徑1～3 μm，遼寧天元化工廠；助燃劑為雙鉛-2推進劑(SQ-2)，成分為60%硝化棉、25.7%硝化甘油、8.8%二硝基甲苯、3%二號中定劑、1.2%氧化鉛、1.3%碳酸鈣，四川瀘州215廠；丙酮(分析純)。

1.2 樣品制備

以丙酮作為溶劑，對B粉與SQ-2采用干法與濕法相結合的方式進行樣品制備。

將SQ-2與B粉分別按照質量比為4∶1、6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1精確稱量，倒入燒杯中進行干混，按照SQ-2與丙酮質量比為4∶1量取丙酮(丙酮用量為多次實驗后確定)，倒入燒杯后立即用玻璃棒攪拌，持續時間60 s，B粉與SQ-2在丙酮的作用下成為粘稠狀混合物。將其倒置于玻璃平板上，使用金屬鏟擠壓，持續時間30 min，粘稠的B粉與SQ-2混合物逐漸成為一種具有柔韌性、可塑造的膠化藥團。將其分散成小球，使用鋼針扎孔。將多孔球狀試樣置于真空干燥箱中，放置24 h后，采用切藥機切成塊狀物，置于粉碎機中粉碎，再次干燥24 h后取出，稱取質量并作記錄，每間隔半小時重復上述步驟，當兩次質量差值低于0.001 g時，可認為試樣中的丙酮已完全去除，樣品制作完成。

1.3 B粉燃燒放熱量測試實驗條件

(1)一次實驗所用的試樣質量控制在2.5 g左右，相對誤差不超過0.01 g。

(2)根據GJB 770B—2005方法701.2中規定，樣品進行燃燒放熱量測試時，充氧壓強需達到2.8～3.0 MPa，對難燃燒的試樣還可以提高到3.2 MPa，充氧時間不得少于15 s。針對本實驗測試所用試樣質量，根據理想氣體狀態方程算出理論需氧量(包括B粉與SQ-2)為0.050 36 mol，由于氧彈體積已知，可計算出對應充氧壓強為0.5 MPa。因此將充氧壓強分別取為1、2、3、3.3、3.6 MPa。

(3)實驗前，根據GB/T 213—2003相關操作步驟，采用標準量熱物質苯甲酸對量熱體系進行熱容量標定，取多次實驗結果的平均值作為最終結果，得到量熱體系的熱容量為10 393.53 J/K。

(5)SQ-2推進劑作為一種最早研制并廣泛應用的成熟推進劑，因其能量指標、燃燒性能、力學性能和貯存性能等均較為穩定，常被選做性能參數計量用標準推進劑，故將其作為B粉燃燒放熱量測試過程中的助燃劑。由于SQ-2組分均勻，燃燒熱值穩定，經車削、粉碎后采用100目的不銹鋼篩過濾，測得其燃燒熱值為11 199 J/g。

(6)為了使B粉易于點燃，采用點火絲與棉線相結合的引燃方式，點火絲與棉線均由量熱儀廠家提供，二者長度一定，總熱值為150 J。

1.4 氧彈內流場數值模擬實驗條件

采用Fluent軟件模擬B粉在氧彈中燃燒時溫度及氧氣濃度的分布，采用的數學模型及數值計算方法如下：

(1)氣相控制方程包括連續性方程、N-S方程及能量守恒方程，均采用歐拉法描述連續介質流動，同時需考慮流體粘性、熱傳導和可壓縮性對氣相的影響。

(2)B粉燃燒過程中，SQ-2燃燒產生大量氣體，其流動狀態為湍流流動，故選擇形式簡單，具有良好通用性的標準-湍流模型。

(3)由于氧彈及坩堝為軸對稱結構，在數值模擬中取對稱軸的一半區域為計算幾何模型。

(4)對計算域進行網格劃分，將坩堝簡化處理成一個無厚度的壁面，在邊界參數設置時指定壁面的厚度為1 mm。

(5)氧彈的中心軸線為物理模型的軸對稱邊界(axis)條件，入口邊界條件采用質量流率入口邊界條件，計算得到質量流率為0.033 08 kg/s。

(6)數值模擬時初始壓力設置為3 MPa，初始氧氣濃度為100%。

(7)選取三種不同的坩堝位置，與氧彈底部距離分別為10、15、20 mm。

(8)為了保證坩堝裝樣質量一致，坩堝的體積需相同，通過改變坩堝高度來表示坩堝的大小，選取三種大小不同的坩堝，其高度分別為5、10、15 mm (坩堝直徑對應改變)。

2 結果與討論

2.1 SQ-2與B粉混合質量比對B粉燃燒效率的影響

對每組比例試樣至少需進行3次實驗，相對標準偏差小于0.2%，取多次實驗的平均值作為實驗結果，以此計算B粉燃燒效率。實驗數據如表1所示(文中B粉燃燒放熱量均為多次實驗結果的平均值)。

表1 混合質量比對B粉燃燒效率的影響Table 1 Effect of mixed mass ratios on the combustion efficiency of B powder

從表1可知，當SQ-2與B粉混合質量比為4∶1時，B粉燃燒放熱量很低，主要因為SQ-2用量過少，燃燒后釋放出的熱量不足以提供B粉燃燒時所需的持續高溫環境，對B粉助燃效果不明顯，導致B粉燃燒效率偏低。隨著SQ-2用量增加，助燃能力越來越強，SQ-2與B粉混合質量比為10∶1時，B粉燃燒效率最大。當SQ-2與B粉混合質量比大于10∶1時，B粉燃燒效率反而呈下降趨勢，分析原因是此時SQ-2燃燒提供的高溫持續環境已基本能滿足B粉燃燒的需求，導致B粉燃燒效率下降的主要原因為隨著SQ-2用量增加，燃燒生成的氣體量越大，促進了B粉在氧彈中的流動，更多的B粉被SQ-2的氣體產物吹離局部高溫中心，飛濺到溫度較低的氧彈壁面導致B粉燃燒終止。SQ-2用量增加的程度越高，B粉燃燒效率下降越多。由此可知，SQ-2的用量存在一個最佳值，從而對B粉的助燃效果最好，按照本文制樣方法得到的樣品，SQ-2與B粉的最佳混合質量比為10∶1。

2.2 充氧壓強對B粉燃燒效率的影響

將SQ-2與B粉混合質量比固定為10∶1，以此分析不同的充氧壓強對B粉燃燒效率的影響，結果如表2所示。

表2 充氧壓強對B粉燃燒效率的影響Table 2 Effect of oxygenation pressure on the combustion efficiency of B powder

從表2可知，在一定壓強范圍內，隨著充氧壓強的增加，B粉燃燒放熱量增加，燃燒效率提高。主要原因為氧彈體積固定，充氧壓強的提高使得氧彈內單位體積的氧氣濃度增加，B粉與氧氣接觸更加充分，表現為B粉燃燒效率提高。超過某一壓強后，繼續提高充氧壓強，B粉燃燒效率反而降低，分析認為過量的氧氣會吸收環境中的熱量，使溫度降低，不利于B粉燃燒；此外，氧氣濃度越高，SQ-2燃燒速率加快，釋放出熱量提供的高溫持續時間越短，B粉還未來得及大量反應，SQ-2就已燃燒結束，導致B粉燃燒效率變低；再者由于SQ-2快速燃燒，釋放的熱量來不及迅速分散至氧彈中，氧彈壁面的溫度較低，由于SQ-2迅速燃燒生成大量氣相產物，將未反應的B粉吹濺至冷壁上，使B粉終止燃燒，繼而造成B粉反應效率降低。

由此可知，存在一個最佳的充氧壓強，使B粉燃燒放熱量最大，結合大量的實驗數據，認為最佳充氧壓強為3 MPa。

2.3 坩堝位置對B粉燃燒效率的影響

三種不同位置的坩堝如圖1所示，分別將其命名為1、2、3氧彈。雖然影響B粉燃燒效率的因素有很多，但都可歸結為溫度和氧氣濃度的影響。SQ-2與B粉混合質量比的不同，使得SQ-2為B粉燃燒提供的高溫環境有所差異。

圖1 不同坩堝位置的三種氧彈示意圖Fig.1 Schematic diagram of three oxygen bombs at different crucible positions

由于氧彈體積固定，充氧壓強的不同必然導致氧氣濃度的不同，因此對氧彈內流場的數值模擬主要包括在不同條件下，氧彈內的溫度分布及氧氣濃度分布兩方面的內容。

取SQ-2與B粉混合質量比為10∶1的樣品2.5 g，充氧壓強3 MPa，通過測量氧彈內壓強變化曲線可以得到樣品在氧彈內燃燒時間為89 ms，故選取的時刻終點為89 ms，下文均是以該時刻點作為終點進行數值模擬。

(1)氧彈內溫度分布

圖2為三種坩堝位置條件下，氧彈內5個時刻的溫度場分布圖，(1)、(2)、(3)分別對應1、2、3氧彈。

從圖2可知，在燃燒初始階段，三種坩堝位置對應的氧彈內氧氣濃度分布情況大致相同，隨著SQ-2迅速燃燒，產生大量高溫燃氣向坩堝外擴散，當燃燒至30 ms時，2、3氧彈中向上運動的高溫燃氣流遇到擋板產生回流，與繼續向上升的火焰接觸，形成溫度較低的條形區域，溫度為2800 ℃左右，但3氧彈溫度擴散范圍比2氧彈更廣。1氧彈中的坩堝離擋板距離較遠，上升的高溫燃氣來不及與擋板發生碰撞就已參與燃燒，在靠近擋板的下方形成了一塊溫度分布均勻且完整的高溫區。當燃燒至70 ms時，燃燒反應持續進行，2、3氧彈內的高溫燃氣擴散至擋板上方和坩堝周圍和下方，直至燃燒結束，坩堝上方的高溫區溫度分布仍不均勻。整個燃燒過程中，1氧彈內高溫區域逐漸擴大，坩堝正上方保持近似條形的深藍色區域，溫度分布始終保持均勻狀態，高溫區域主要集中在擋板與坩堝間，擋板上方和坩堝下方沒有出現明顯的高溫分散區域。由于穩定均勻的高溫環境是影響B粉燃燒效率的重要因素，因此從氧彈內溫度分布的角度來看，1氧彈中的坩堝位置更有利于B粉燃燒。

(a)t=10 ms (b)t=30 ms (c)t=50 ms (d)t=70 ms (e)t=89 ms圖2 不同時刻氧彈內溫度場分布圖Fig.2 Temperature distribution contours in the oxygen bomb at different times

(2)氧彈內氧氣濃度分布

圖3為三種坩堝位置條件下，氧彈內5個時刻的氧氣濃度分布圖。從圖3可以看出，當燃燒進行到50 ms時，三個氧彈內坩堝上方均出現出現氧氣濃度明顯低于周圍的條形區域，1氧彈內氧氣濃度為60%～70%，2氧彈氧氣濃度為15%～60%，3氧彈氧氣濃度為15%～60%。隨著B粉持續燃燒，氧氣被消耗，低氧濃度區域逐漸擴大。對比可知，當燃燒至70 ms時，1氧彈才出現明顯的低氧濃度(深藍色)區域，相比2與3氧彈出現的時間(30 ms)更晚；當燃燒至結束時刻89 ms，1氧彈內的藍色范圍最小，氧氣濃度為15%～40%，2氧彈內深藍色區域最大，氧氣濃度為15%～35%，3氧彈的藍色范圍最大，氧氣濃度為15%～30%。因此，從氧氣濃度分布角度來看，最有利于B粉燃燒的坩堝位置為1氧彈。

(a)t=10 ms (b)t=30 ms (c)t=50 ms (d)t=70 ms (e)t=89 ms圖3 不同時刻氧彈內氧氣濃度分布圖Fig.3 Oxygen concentration distribution contour in the oxygen bomb at different times

結合數值模擬的結果，對三種不同位置的坩堝進行實驗測試，結果如表3所示。從實驗結果可以看出，最有利于B粉燃燒的為1坩堝。由于離擋板位置越遠，受回流氣體影響的程度越小，高溫區域越均勻；擋板和坩堝作為屏障將氧彈內部空間分為三個部分，第一部分坩堝下方至氧彈底部，第二部分坩堝至擋板中間的位置，第三部分為擋板上方至氧彈頂部，第三部分的空間大小無法改變，坩堝位置離擋板越遠，第二部分的空間越大，有利于更多氧氣流至該部分，由于B粉多集中在此區域燃燒，故充足的氧氣濃度可提高B粉的燃燒效率。

表3 坩堝位置對B粉燃燒效率的影響Table 3 The influence of crucible position on the combustion efficiency of B powder

2.4 坩堝大小對B粉燃燒效率的影響

三種不同大小的坩堝如圖4所示，坩堝高度5、10、15 mm分別對應1、2、3氧彈。

圖4 不同坩堝大小對應的三種氧彈示意圖Fig.4 Schematic diagram of three oxygen bombs corresponding to different crucible sizes

當坩堝大小不同時，氧彈內的溫度分布及氧氣濃度分布如下。

(1)氧彈內溫度分布

圖5為三種不同大小坩堝條件下，氧彈內5個時刻的溫度場分布圖，(1)、(2)、(3)分別對應1、2、3氧彈。從圖5可以看出，燃燒至30 ms之前，1、2氧彈內的溫度分布隨時間變化的趨勢大致相同。3氧彈中火焰首先出現在坩堝上方氣流邊緣附近，當燃燒至30 ms，火焰達到擋板處并產生回流。燃燒至50 ms以后，隨著燃燒持續進行，氧彈中高溫區域逐漸擴散，1氧彈擴散范圍較小，3比2氧彈擴散范圍更廣，分析原因為3坩堝側壁離氧彈內壁的距離較大，同時坩堝口的尺寸小于擋板的尺寸，導致燃氣擴散范圍更大。燃燒至10 ms時，1氧彈中沒有出現氣流遇到擋板的回流現象，當燃燒至30 ms和50 ms時，火焰只擴散至坩堝壁附近，沒有向坩堝下方和擋板上方擴散。因此，從溫度分布來看，1氧彈的高溫區域更加集中，為B粉燃燒提供了更有利的條件。

(a)t=10 ms (b)t=30 ms (c)t=50 ms (d)t=70 ms (e)t=89 ms圖5 不同大小坩堝氧彈內溫度場分布圖Fig.5 Temperature field distribution contour in different sizes of crucible oxygen bombs

(2)氧彈內氧氣濃度分布

圖6為三種不同大小坩堝條件下，氧彈內5個時刻的氧氣濃度分布圖。從圖6可以看出，燃燒至50 ms之前，1、2氧彈氧氣濃度隨時間變化規律大致相同，SQ-2熱解產物在坩堝上方持續燃燒，坩堝至擋板之間的氧氣逐漸被消耗，而3氧彈在燃燒時間至10 ms時，就已開始出現低氧濃度的深藍色區域，三種氧彈內氧氣被明顯消耗的區域大致相同。50 ms之后，1氧彈內氧氣被明顯消耗的區域逐漸擴大，直至燃燒結束。2氧彈內氧氣被明顯消耗的區域逐漸轉移至坩堝邊緣上方，當燃燒至89 ms時，深藍色區域轉移至坩堝上方氧彈內壁處。3氧彈內氧氣被明顯消耗的區域發展至擋板下方，當燃燒時間在70 ms時，深藍色區域變大，隨后逐漸轉移至坩堝上方氧彈內壁處。在燃燒結束時刻，1、2氧彈內坩堝下方的氧氣消耗不明顯，3氧彈內坩堝下方氧氣濃度減小。通過對比可知，坩堝上方氧氣濃度變化梯度最小的為1氧彈，且1氧彈內坩堝附近的低氧濃度區域相比2、3氧彈小，充足的氧氣有利于提高B粉的燃燒效率，故認為1氧彈更能為B粉燃燒提供良好的燃燒環境。

同樣，采用三種不同大小的坩堝進行B粉燃燒放熱量測試，結果如表4所示。

(a)t=10 ms (b)t=30 ms (c)t=50 ms (d)t=70 ms (e)t=89 ms圖6 不同大小坩堝氧彈內氧氣濃度場分布圖Fig.6 Oxygen concentration field distribution contour in oxygen bombs of different sizes

表4 坩堝大小對B粉燃燒效率的影響Table 4 The influence of crucible size on the combustion efficiency of B powder

從實驗結果可知，選用1坩堝B粉燃燒效率更大。主要原因分析如下，由于1坩堝口寬、高度低，增加了坩堝上方與擋板下方的流動空間，氧氣流動區域更大，更有利于B粉燃燒；其次坩堝口的面積大于擋板面積，使得擋板對氣流的阻礙作用減小，燃氣可以從擋板的邊緣經過，降低回流氣流對B粉燃燒的影響。

2.5 有無擋板對B粉燃燒效率的影響

氧彈內的擋板又稱擋火板，是阻止燃燒火焰和產物對進氣口造成影響的部件。對于普通燃料，擋板對燃燒過程及測試結果的影響較小，但由于B粉在燃燒過程中，SQ-2生成的氣體產物擴散面積大，能將B粉攜帶至坩堝上方，若B粉在運動的過程中遇到熱的不良導體，如坩堝支架和擋板，將會熄火使B粉終止燃燒，從而降低B粉的燃燒效率。擋板的存在改變了氧彈的內部結構，從而改變了氧氣及燃氣在氧彈中的流動狀況。為了分析擋板的存在是否會對B粉燃燒過程造成影響，對氧彈中的氧氣濃度進行數值模擬，將無擋板的氧彈命名為1氧彈，有擋板的氧彈命名為2氧彈。1、2氧彈在不同時刻的氧氣濃度分布如圖7所示。

(a)1# oxygen bomb without flame shield

對比圖7(a)、(b)可知，當燃燒進行到10 ms時，1和2氧彈內氧氣濃度分布沒有差別。在30 ms時，兩種氧彈中的氧氣均被嚴重消耗，氧氣濃度為20%～70% ，但2氧彈內氧氣濃度梯度更大，且深藍色區域范圍更大(低氧氣濃度)。隨著燃燒繼續進行，2氧彈的深藍色區域越來越大，1氧彈的深藍色區域變化很小，說明1氧彈的氧氣流動性更好，氧氣可以迅速擴散至被消耗了的低氧濃度區域對其進行補充，使得氧彈內氧氣濃度分布相對均勻。

使用有無擋板的兩種坩堝支架分別進行B粉燃燒放熱量測試，坩堝位置為2.3節中1坩堝位置，坩堝大小為2.4節中1坩堝大小，測試結果如表5所示。

表5 有無擋板對B粉燃燒效率的影響Table 5 The combustion efficiency of B powder with and without the flame shield

從表5可知，無擋板時B粉燃燒放熱量更大，氧彈內環境更有利于提高B粉燃燒效率。結合數值模擬的結果，分析原因是擋板的存在會阻礙坩堝上方至氧彈頂部空間的氧氣流動，當坩堝上方氧氣被消耗時，由于氧氣擴散不均勻，坩堝上方與擋板下方存在大范圍的低氧濃度區域，這對B粉燃燒是不利的，從而導致在有擋板的情況下，實際測得的B粉燃燒效率相比無擋板偏低。

3 結論

(1)SQ-2用量過多或過少，都無法實現對B粉的有效助燃。SQ-2與B粉的混合質量比太小，SQ-2燃燒釋放的熱量太少，助燃效果不明顯；混合質量比過大，大量燃氣加劇B粒子的流動，冷壁效應反而降低B粉的燃燒效率。當SQ-2與B粉的混合質量比為10∶1時，B粉燃燒效率相對最高。

(2)在一定壓強區間內，隨著充氧壓強的增加，B粉燃燒效率提高；當充氧壓強超過一定范圍時，由于過量氧氣會吸收部分熱量使環境溫度降低，同時提高SQ-2燃燒速率，縮短高溫環境的持續時間，反而不利于B粉燃燒。當充氧壓強取為3 MPa，B粉燃燒效率相對最高。

(3)減小坩堝與氧彈底部的距離，有利于氧彈內氧氣的流動；選擇內徑大，高度低的坩堝，SQ-2燃燒產物的出口面積最大，可減小上升氣流與氧彈內壁的碰撞，從而減少回流氣體對B粉燃燒的影響；擋火板的存在會阻礙SQ-2燃燒后高溫氣流的擴散，同時也會阻礙坩堝上方氧氣的流動，導致B粉燃燒效率降低。因此，選擇內徑大、高度低的坩堝(內徑17 mm，高5 mm)，并減小坩堝與氧彈底部的距離(距離10 mm)，同時選用不含擋板的坩堝支架，可以提高B粉在氧彈中的燃燒效率，其燃燒效率可達99.36%。