含硼富燃料推进剂一次燃烧影响因素及产物燃烧性能研究

摘要

含硼富燃料推进剂是固体火箭冲压发动机的高能量密度推进能源，其燃烧过程分为在燃气发生器中进行的一次燃烧和在补燃室中进行的二次燃烧两个阶段，其中一次燃烧为二次燃烧提供燃料和进一步燃烧的温度、压强等条件，因此推进剂的一次燃烧性能对其在火箭发动机中的能量发挥具有重要影响。单质硼是含硼富燃料推进剂中最重要的燃料组分，研究硼粒子在一次燃烧过程中的反应特性是推进剂燃烧机理研究的关键，并对提高推进剂的燃烧性能具有重要意义。
　　本文从不同种类硼粉的物理化学特性出发，对含硼富燃料推进剂的硼原料进行了优化，并在研究不同组分对推进剂一次燃烧性能的基础上对推进剂的配方进行了初步优化。通过对一次燃烧产物的组分分析，从化学反应的角度研究了含硼富燃料推进剂一次燃烧过程中硼粒子的反应特性，并通过一次燃烧凝聚相产物的点火燃烧特性研究，探索了推进剂的二次燃烧规律。本文的主要内容和得到的结论可概括为以下四个方面：
　　（1）通过热分析实验和激光点火实验，对无定形硼粉、硼镁复合粉、包覆硼粉和团聚硼粉的热反应特性及点火燃烧特性进行了研究，并通过热分析-红外光谱联用实验、X射线衍射实验和激光点火实验探索了氧化剂对无定形硼粉热反应特性和点火燃烧特性的影响。研究结果表明，与无定形硼粉相比，硼镁复合粉具有粒子规则性好、室温下抗氧化能力强、燃烧剧烈程度高等优点，更适合作为含硼富燃料推进剂的原材料。但是由于镁燃烧生成的氧化镁对硼粒子的燃烧有阻碍作用，使得中等镁含量的硼镁复合粉的燃烧性能最佳。另外，含钾氧化剂，尤其是高氯酸钾，对硼粒子的燃烧具有明显的促进作用。
　　（2）制备了不同配方的含硼富燃料推进剂，并对各推进剂的一次燃烧参数（燃速、燃烧温度、燃烧成气率和热分解特性）进行了测试，系统地研究了燃料和氧化剂对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响。实验结果表明，硼含量较高时推进剂的一次燃烧性能下降明显，因此推进剂中的硼含量不应过高；使用黑索今或奥克托今代替含硼富燃料推进剂中的部分高氯酸铵能够提高推进剂的燃烧性能，而使用高氯酸钾或硝酸钾代替含硼富燃料推进剂中的部分高氯酸铵会降低推进剂的燃烧性能。另外，这四种氧化剂均不能有效地提高含硼富燃料推进剂的燃速压强指数。
　　（3）研制了含硼富燃料推进剂一次燃烧产物的收集装置，建立了一次燃烧产物组分的定性和定量分析方法，并对不同配方含硼富燃料推进剂在不同燃烧压强下进行了一次燃烧产物的收集和组分分析。组分分析结果表明，一次燃烧凝聚相产物中往往含有较多的三氧化二硼和碳化硼，说明单质硼在一次燃烧过程中化学性质比较活泼，倾向于与其它组分发生反应。推进剂的燃速、燃烧温度和燃烧压强都对一次燃烧凝聚相产物的组分具有很大影响，总体来说，燃烧温度和燃烧压强的升高，以及燃速的降低都会使碳化硼的含量增加，其中，燃烧压强对燃烧产物组分的影响主要是通过改变推进剂的燃速和燃烧温度来体现的。
　　（4）使用高能 CO2激光器对收集到的一次燃烧凝聚相产物进行点火燃烧实验，并通过光谱仪和高速摄像仪对各凝聚相产物的点火燃烧性能进行了研究。实验结果表明，一次燃烧凝聚相产物的燃烧起始于单质碳的燃烧，且凝聚相产物的粒径和组分都对其燃烧特性起着重要作用。虽然单质硼比碳化硼更容易点火燃烧，但在一次燃烧过程中硼粒子的表面易于生成惰性的硼的亚氧化物，而且单质硼在一次燃烧中存在聚团现象，导致碳化硼含量较高的凝聚相产物的燃烧反而更为猛烈。提高燃烧温度和降低燃速都可以提高一次燃烧凝聚相产物中碳化硼的含量，但是降低燃速会在一定程度上导致一次燃烧喷射效率的降低以及凝聚相产物粒度的增大，因此提高一次燃烧温度是提高含硼富燃料推进剂能量释放效率的最有效途径。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究发展现状

1.3 本文内容安排

第二章 无定形硼粉与硼镁复合粉的点火燃烧特性研究

2.1 无定形硼粉与硼镁复合粉的理化特性研究

2.2 无定形硼粉与硼镁复合粉的热反应特性

2.3 无定形硼粉与硼镁复合粉的点火燃烧特性

2.4 氧化剂对无定形硼的热反应及点火燃烧性能影响

2.5 本章小结

第三章 包覆硼粉和团聚硼粉的热反应及点火燃烧特性

3.1 包覆硼粉和团聚硼粉的制备

3.2 包覆硼粉和团聚硼粉的热反应特性

3.3 包覆硼粉和团聚硼粉的点火燃烧特性

3.4本章小结

第四章 燃料和氧化剂对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

4.1 含硼富燃料推进剂的制备

4.2 含硼富燃料推进剂一次燃烧参数的测试

4.3 燃料组分对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

4.4 氧化剂对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

4.5 本章小结

第五章 含硼富燃料推进剂一次燃烧产物的组分分析

5.1 一次燃烧产物收集装置的设计

5.2 一次燃烧产物收集实验

5.3 一次燃烧产物组分分析

5.4 影响一次燃烧凝聚相产物组分的因素分析

5.5 本章小结

第六章 含硼富燃料推进剂一次燃烧产物的点火燃烧特性研究

6.1 激光点火实验

6.2 无定形硼和碳化硼的热反应特性比较

6.3 一次燃烧凝聚相产物的点火燃烧性能研究

6.4 提高含硼富燃料推进剂二次燃烧效率的途径分析

6.5本章小结

第七章 论文工作总结与展望

7.1 论文工作总结

7.2 论文主要结论

7.3 论文创新点

7.4 后续工作建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

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