復合推進劑中鋁的燃燒實驗研究方法

劉 鑫，劉佩進，關 昱，金秉寧，楊天昊

(西北工業大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072)

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復合推進劑中鋁的燃燒實驗研究方法

劉 鑫，劉佩進，關 昱，金秉寧，楊天昊

(西北工業大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072)

為研究AP/Al/HTPB復合推進劑中鋁粒子在推進劑燃燒表面處和脫離燃面后的動態燃燒過程，采用了長焦顯微鏡頭、單反相機和高速相機組合的光學拍攝方法。通過常溫常壓實驗拍攝，獲得了鋁在燃面處脫離及隨流運動中鋁液滴燃燒的宏觀過程圖像。在0.3 MPa密閉實驗器中，使用長焦顯微鏡頭和高速相機對單個鋁滴進行了拍攝，通過標定計算得到了其直徑和隨流運動速率，確定了該方法是可行的，為下一步開展高壓實驗研究提供了手段。

復合推進劑；鋁顆粒燃燒；團聚；高速拍攝

0 引言

近年來，隨著戰術導彈總體對固體火箭發動機性能要求的提高，國內研發的采用復合推進劑的固體火箭發動機出現較嚴重的燃燒不穩定[1]。鋁燃燒產物的惰性粒子對不穩定燃燒有抑制作用[2]，且由于鋁具有高密度、高燃燒熱等優點，常作為添加劑以提高推進劑比沖。鋁含量相同、粒徑不同的推進劑燃燒產物的惰性粒子對同一頻率振蕩的衰減能力也不相同[3]。然而，國外研究表明，鋁的分布燃燒可與燃燒室聲場耦合，對燃燒不穩定起增益作用，鋁的燃燒區域厚度和燃燒時釋放的熱量決定其不穩定程度[4-5]。從推進劑表面脫離后，鋁粉在遠離燃面的燃氣中燃燒。鋁的粒徑會隨其空間分布燃燒而產生變化[6]，不同粒徑鋁的燃燒可能會遵循不同的規律，這將對顆粒的阻尼效應產生很大的影響。同時，鋁燃燒生成的凝相顆粒會對燃燒室絕熱層和噴管材料產生較強的沖蝕作用，增強絕熱層和喉襯的燒蝕；發動機承受橫向過載的條件下，由于慣性作用，凝相粒子會定向聚集，導致推進劑燃燒速度和絕熱層燒蝕率增大，影響發動機的工作安全[7]。因此，鋁粉燃燒對固體火箭發動機穩定性的綜合作用需要重新審視[8]。研究推進劑中鋁燃燒過程對于如何有效地在推進劑中使用鋁粉，選擇適當的含量和粒度以及如何組織其燃燒過程，凝相燃燒產物對發動機性能有哪些不利影響的理解有重要意義。

為研究AP/Al/HTPB推進劑中鋁在推進劑燃燒表面處燃燒的動態物理過程，本文采用了長焦顯微鏡頭、單反相機和高速相機組合的光學拍攝方法，在常溫常壓條件和0.3 MPa密閉實驗器中，對推進劑燃燒表面處鋁的燃燒及逸出燃面后的過程進行拍攝，探索光學拍攝方法的可行性，為下一步開展高壓下的實驗研究提供手段。

1 實驗

1.1 實驗原理

本實驗分別在常溫常壓敞口條件下和密閉燃燒器里進行了點火拍攝。密閉容器實驗系統原理如圖1所示，主要由拍攝系統、點火控制系統、氣路控制系統、數據采集系統和密閉容器組成。鏡頭和高速相機及與相機相連的計算機組成拍攝記錄系統。脈沖激勵系統主要通過一脈沖器產生激勵，使得實驗器中激發出現一階軸向聲振。點火時序控制系統提供電源，通過點火頭點燃推進劑和點燃脈沖器。氣路控制系統主要控制進出氣電磁閥的開關。數據采集系統主要采集密閉容器中推進劑燃燒過程中壓力數據。實驗容器4個方向呈90°夾角有4個光學觀察窗，其直徑為40 mm。實驗中所使用的推進劑為含鋁17%的AP/Al/HTPB復合推進劑，將其制成5 mm×5 mm×50 mm條狀，并對其側面進行了包覆，以保證其端面燃燒。

圖1 實驗系統原理圖Fig.1 Schematic of the experiment system

實驗器長度為1 m，在充滿氮氣條件下，一階軸向聲振頻率約為200 Hz左右。其上端可增加脈沖激勵系統，通過一脈沖器產生激勵，使得實驗器中激發出現一階軸向聲振，從而通過光學觀察窗觀測和拍攝在振蕩條件下推進劑燃燒變化情況，研究振蕩對推進劑燃燒行為的影響。點火時序控制系統可與脈沖激勵系統配合，在點火后一定時間間隔內產生多次脈沖激勵。本文旨在研究光學拍攝方法的可行性，所以實驗中沒有使用脈沖激勵系統。

1.2 相機和鏡頭

實驗中分別使用了Phantom高速相機與Lavision公司的Questar 系列的長焦顯微鏡頭配合，佳能公司的Canon Mark Ⅲ單反相機與70～200 mm變焦鏡頭配合。Phantom高速攝影儀(v4.3)具有采樣率高、存儲空間大、可二次曝光以及任意點觸發等優點。Canon Mark Ⅲ此款單反相機具有拍攝和攝影兩種功能，可拍攝視野范圍大，分辨率高。

由于發動機中推進劑燃燒環境壓強高，導致火焰區域較小，光學拍攝需要放大；火焰溫度高，導致鏡頭不能離火焰較近，使得鏡頭的焦距要長，Lavision公司的Questar系列長焦顯微鏡頭具備以上要求。其鏡頭結構為馬克蘇托夫式卡塞格林望遠鏡，如圖2所示。其物鏡由2個反射面組成，主鏡亦為拋物面，副鏡為凸的雙曲面鏡，其作用是增大有效焦距[9]。其工作距離為150～350 mm，其景深隨工作距離不同而不同，在28～77 μm之間。

圖2 卡塞格林望遠鏡光路圖Fig.2 Cassegrain telescope optical path

2 實驗結果及分析

2.1 常溫常壓單反相機拍攝

由于Canon Mark Ⅲ 單反相機與70～200 mm變焦鏡頭配合具備可拍攝視野范圍大、分辨率高的優點，本次實驗在常溫常壓條件下，使用其來探索拍攝鋁從推進劑燃燒表面處脫離后宏觀動態過程的可行性。圖3是在常溫常壓空氣環境中含鋁推進劑中鋁滴燃燒示意圖[10]，鋁滴受燃面處氣流推動，從燃面脫離。

從圖3可看出，靠近燃面處的鋁液滴有Al2O3煙的長拖尾，而遠離燃面下落的鋁液滴被Al2O3煙包裹成球形狀。圖4為實驗中拍攝到AP/Al/HTPB推進劑中鋁液滴燃燒圖像，其與圖3示意圖基本一致，可清楚地看到靠近燃面處的鋁液滴帶有長拖尾的Al2O3煙，下落的鋁液滴被Al2O3煙包裹成球形。從圖4還可看到，鋁從推進劑表面脫離后的粒徑是大小不一的，脫離燃面后燃燒。

圖3 空氣環境中的固體推進劑試樣和 鋁液滴燃燒結構示意圖Fig.3 Structure of the solid propellant specimen and schematic view of the Al droplet burning in ambient air

實驗拍攝獲得了一個大粒徑的鋁液滴和一個小粒徑的鋁液滴從推進劑燃燒表面處脫離后的動態隨流飛行過程。圖5為大粒徑的鋁液滴從推進劑表面脫離后，由于粒徑較大，其沒有上升過程，直接落向平臺。小尺寸粒徑則是從燃面脫離后先上升，如圖6所示。圖5的12幅圖是同一次實驗拍攝得到的，圈出的大團鋁液滴從燃面脫離后，直接落向平臺，無上升過程。圖5(a)中，鋁液滴在燃面處可團聚成較大尺寸；圖5(b)

中，從燃面處脫離，在空氣中燃燒。由于復合推進劑燃燒表面退移，在熔化態粘結劑中的鋁未被點燃，且開始在表面集中。熔融層的表面張力將鋁束縛。雖然燃面溫度超過鋁熔化溫度930 K，但低于2 300 K，鋁粒子被氧化物在外層包裹著。隨著溫度的升高，氧化層開始變薄，逐漸使粒子凝聚在一起，形成較大的團塊[11-13]，最終在燃氣的推動下從表面離開。經過一段隨流運動后，最終落在平臺上。同時，由于其具備一定的動能，與平臺表面碰撞后，一小粒徑的鋁液滴還上升了小段距離。

圖4 常壓空氣環境下AP/Al/HTPB推進劑燃燒圖像Fig.4 Under normal pressure air environment AP/Al/HTPB propellant burning image

(a)t(b)t+5 s (c)t+6 s (d)t+7 s (e)t+8 s (f)t+9 s

(g)t+10 s (h)t+11 s (i)t+12 s (j)t+13 s (k)t+14 s (l)t+15s

圖5 大粒徑鋁液滴從推進劑燃面脫離后的運動和燃燒情況

Fig.5 Movement and combustion of large diameter aluminum droplet from propellant burning surface

(a)t+5 s (b)t+6 s

圖6 小粒徑鋁液滴從推進劑燃面脫離后上升過程

Fig.6 Small particle size of aluminum droplet from propellant combustion surface after detaching process

圖6為小粒徑鋁滴從燃面脫離后隨流運動的圖像，由于其粒徑小，從燃面脫離后，受氣流的推動，存在一先上升的運動過程，圖6的兩幅圖像為連續拍攝得到。圖6與圖5為同一次實驗拍攝得到。

實驗還拍攝獲得了鋁球飛行的尾跡圖，如圖7所示。從圖7可清楚地看到，鋁球在脫離推進劑表面下落時，燃燒所產生的白色煙霧的尾跡是螺旋狀的，且螺旋線間隔很小。因此可推測，鋁球在下落過程中，由于燃燒使得鋁球高速旋轉。

2.2 0.3 MPa長焦顯微鏡頭與高速相機拍攝

本次實驗是探索長焦顯微鏡頭與高速相機在密閉實驗器內拍攝鋁粒子溢出后隨流運動過程的可行性。實驗壓強為0.3 MPa，實驗器內充填氮氣。密閉實驗器原理如圖1所示。長焦鏡頭與高速相機組合，通過實驗器壁上所開的光學觀察窗口進行拍攝。拍攝速率為每秒1 000張。

圖7 鋁球尾跡圖Fig.7 Aluminum trail

圖8(a)為拍攝過程中較大的鋁滴的圖像，其直徑約為400 μm，其隨流運動速率約為0.492 m/s左右；圖8(b)為較小的鋁團，其直徑約為250 μm，隨流運動速率約為0.998 m/s左右。粒徑大的鋁滴隨流運動慢，粒徑小的鋁滴隨流運動速度快。隨壓強的升高，推進劑的燃速和火焰溫度增高，推進劑中的鋁粒子被點燃難度降低，使得相互團聚成為附聚物的直徑減小。圖9為單個鋁滴在氣流中燃燒的燃燒示意圖[14]，拍攝到的鋁滴圖8與示意圖基本相一致。國外研究資料表明[14]，在0.5～1 MPa的壓強下，鋁在推進劑燃燒表面完成聚集的時間尺度在1 ms以內。由于本文拍攝所希望得到的是鋁從燃面溢出后的粒度以及運動過程，故高速相機拍攝速率沒有設置到更高去拍攝團聚過程。

(a)400 μm (b)250 μm

圖8 單個鋁滴燃燒圖像

Fig.8 Single aluminum droplet combustion

由圖8中可看到每個鋁滴都有一個較長的拖尾焰，為鋁滴燃燒生成的Al2O3煙霧，其形成一個煙霧膜包裹著鋁滴，與圖9單個鋁滴燃燒示意圖相一致。在鋁滴的表面是存在氧化物的，其中部分氧化物是在燃面表面團聚過程中形成氧化物殘留，在鋁滴的燃燒過程中，表面會不斷形成新的氧化物，表現為可伸縮的氧化葉，其主導鋁燃燒過程中液滴的燃燒行為[14]。圖8中所拍攝到的鋁滴發亮的區域應為圖9示意圖的氧化葉部分，與其周圍暗的區域形成對比。由于鋁滴燃燒火焰中很少有或幾乎沒有凈對流氣體，導致Al2O3聚集在所形成的煙霧膜內。圖9所示火焰煙霧膜內靠近鋁滴附近為異質的，中間部分為煙霧膜內部的對流區域，煙霧膜尾端為Al2O3煙霧與外部的對流區域，鋁滴表面燃燒形成的Al2O3，在煙霧膜內從靠近鋁滴表面的位置對流運動到尾端最后分離到周圍環境中。鋁滴的表面有熔融的氧化物，鋁蒸汽通常以小滴的形式(通常直徑<2 μm)從表面流出和反應生成Al2O3[14]。

圖9 單個鋁滴在氣流中燃燒示意圖Fig.9 General nature of the combustion zone of an aluminum droplet burning in a mild convective flow

在實驗準備過程中，采用了氙燈照射試件表面，使得長焦鏡頭成功對焦。實驗中，曾嘗試采用氙燈作為背景光源，照射試件來確定燃面位置，發現在對焦過程中，相機可成功捕捉到氙燈亮光，但在能清楚拍攝到鋁滴燃燒的情況下，相機無法捕捉到氙燈的亮光，氙燈不適合作為此實驗的背景光源。

3 結論

(1)Canon Mark Ⅲ單反相機與變焦鏡頭配合使用，其視野范圍大，分辨率高的優點可清楚地拍攝得到推進劑中鋁脫離燃面后，在隨流運動中燃燒過程，可用來拍攝研究鋁的隨流運動燃燒的宏觀過程。

(2)長焦顯微鏡頭和高速相機配合使用，其拍攝速率高，視野范圍小，圖像放大倍數大的優點，可拍攝含鋁推進劑中鋁在燃燒表面處溢出后的動態過程，可用來拍攝密閉實驗器中微觀區域燃燒圖像。所得圖像可估算出溢出燃面后的鋁滴直徑和隨流運動速率。宏觀過程與微觀過程研究相結合，為下一步開展高壓下的實驗研究提供手段。

(3)0.3 MPa下粒徑400 μm左右的鋁滴隨流運動速率約為0.492 m/s，250 μm左右的鋁滴隨流運動速率約為0.998 m/s。粒徑大的鋁滴隨流運動慢，粒徑小的鋁滴隨流運動快。

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(編輯：劉紅利)

Experiment research method of the aluminum in the composite propellant

LIU Xin,LIU Pei-jin,GUAN Yu,JIN Bing-ning,YANG Tian-hao

(Science and Technology on Combustion,Internal Flow and Thermal-Structure Laboratory,Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072,China)

For the research of the dynamic combustion process at the surface and out of the burning surface of aluminum in the AP/HTPB propellant,the optical imaging methods with the long focal distance microscope, SLR camera and high-speed camera were adopted.The movement and combustion of aluminum droplet from propellant burning surface were obtained with normal temperature and pressure experiment.In the 0.3 MPa closed experimental device,a single aluminum droplet combustion was photographed with long focal distance microscope and high-speed camera,and its diameter and the flow rate was calculated,which proves the feasibility of the method and lays the foundation for further experimental research at high pressure.

composite propellant;aluminum particle combustion;agglomeration;high-speed filming

2014-08-20；

：2014-10-22。

劉鑫(1988—)，男，博士生，研究方向為航空宇航推進理論與工程。E-mail:liuxin02030601@163.com

V512

A

1006-2793(2015)06-0833-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.015