铝及铝基固体推进剂能量释放特性研究

发布时间：2020-06-01 17:26

【摘要】：铝基固体推进剂是固体火箭发动机中的主要燃料。将金属燃料铝加入到固体推进剂中,不仅可以提高推进剂的比冲和爆热,还可以抑制发动机内的不稳定燃烧。为了充分了解金属燃料铝及铝基固体推进剂的燃烧过程与燃烧机理,掌握不同因素对其燃烧的影响规律,结合实验测试和理论分析,开展了铝及铝基固体推进剂的能量释放特性的研究工作,为固体推进剂的工程应用提供理论依据。首先利用多种理化特性测试手段,对微米级铝颗粒和铝基固体推进剂的理化特性进行测试,掌握了不同样品形态和组成之间的差异。通过热分析试验获得了不同样品的热氧化特性和动力学参数,发现随着样品粒径的减小,样品的活化能降低,起始反应温度降低,热氧化程度加深。在氧化过程中,铝颗粒的氧化层由无定型氧化铝经过γ-Al_2O_3向α-Al_2O_3转变,氧化层厚度由3.96 nm增长到320.15 nm。通过激光点火试验系统对推进剂中常用的三种铝颗粒进行了点火试验,结果发现样品粒径越小,光谱强度越大,能量释放越多。随着气氛氧化性的增强,点火延迟时间逐渐减小,燃烧温度和燃烧强度也随之增大。随着压力的升高,样品的最大燃烧温度和升温速率均逐渐增大。使用动态燃烧试验系统,对流动状态下三种铝颗粒在不同气氛和不同颗粒浓度条件下的燃烧和团聚特性进行研究。结果表明,粒径的减小、颗粒浓度的增大以及气氛氧化性的增强,可以提高铝颗粒的动态燃烧能量释放特性,燃尽率也随之提高,但团聚现象也更加明显。通过热分析掌握了三元固体推进剂的热分解特性。在点火试验中,随着压力的增加,氧化性气氛释放速率加快,使得点火延迟时间缩短、燃速增加,最大燃烧温度上升。通过对凝相产物进行离线分析,发现了小粒径氧化铝烟雾、氧化铝球壳和大粒径团聚体三种不同形态的凝相产物。根据铝颗粒的扩散反应机制,建立了铝颗粒由室温到点火时包含传热和化学反应过程的物理和数学模型,最后通过Matlab和Chemkin数值计算,获得了不同粒径、初始温度和压力对铝颗粒样品的点火延迟时间的影响规律。同时获得了气相反应过程中不同中间产物的形成和转化关系。通过模型计算,获得的点火延迟时间结果与国外权威实验数据和模型进行对比,精确度大大提高。综上所述,通过系统地研究铝颗粒及铝基固体推进剂的能量释放特性及影响规律,为工程应用提供了必要的数据和理论支持。
【图文】：

Jeurgens[26]认为在500°C以内,铝的氧化存在着两种不同的反应机制,分别为快速氧化阶段和缓慢氧化阶段,反应机理如图1.2所示。快速氧化阶段出现在低温段(T≤400°C),内部的Al阳离子进入正在生长的氧化层,与紧密堆积的O接触,因此氧化层的生长速率受到电势差的影响,随着Al阳离子的不断迁移,内外电势差逐渐缩小,最终迁移停止。氧化层的厚度具有一个临界值,温度越高,氧化层厚度越大。反应机理示意图如图1.2(a)所示。当温度大于400°C时,铝缓慢氧化,虽然高温会加速Al阳离子向外迁移,但由于氧的粘附系数下降导致了氧的吸附速率下降,阳离子的迁移速率也随之降低,此时氧化层的生成速率反而随温度的升高而降低。在快速氧化阶段,铝的表面形成了一层无定型的Al2O3,其厚度随温度的升高而增加。在缓慢氧化阶段(T≥400°C),如图1.2(b),氧化层的生长速率受Al阳离子的浓度梯度的影响,一旦Al阳离子的迁移使表面达到了形成γ-Al2O3的Al离子浓度,表面就会形成γ-Al2O3,此时,氧就开始沿着晶界扩散进入内部。在500°C以内,铝的氧化层随着温度的升高经历了一个由无定型Al2O3向γ-Al2O3转变的过程,这一过程被Snijders[27]描述为“氧离子逐步在一个类球形网状结构中随机密堆积”的过程。在氧化层的转变过程中,Al阳离子并没有出现重新分布,Al与O的分布一直是介于[AlO4]和[AlO6]之间。纯铝的氧化主要受到离子迁移速度的影响,而迁移速度又与温度和离子浓度相关。因此为了加快纯铝的氧化过程,可以通过升温来加快离子的迁移速度,也可以通过增加外部的氧浓度来提高内外的电势差,从而促进氧化过程的进行。

图7.3和7.4分别给出了利用Matlab计算的颗粒温度随反应时间变化的关系。从图中可以看出颗粒的温度变化与建模中的三个阶段分别相对应,颗粒先经过低温氧化缓慢升温,随后熔化温度保持不变最后由于异相反应放热快速升温。从图7.3和7.4可以看出,随着样品粒径的增大,反应速率降低,反应时间明显延长,而随着环境温度的增加,反应速率加快,反应时间大幅缩短。根据数学建模中的结果可知,颗粒的对流换热、辐射换热和异相反应生成热均与粒径成反比,与环境温度成正比,随着粒径的增加,环境温度的降低,单位体积的颗粒的吸热减少,升温缓慢,故点火延迟时间要长。图7.4样品A在不同环境温度下的颗粒温度随时间变化
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V512

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