微小圆管中B/AP混合物燃料的传热和燃速研究①

李和平，汪 洋，周俊虎，刘建忠，敖 文，杨卫娟，岑可法

(1.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027;2.浙江大学 先进技术研究院，杭州 310027)

0 引言

随着航空航天技术的微型化发展，未来航天器的发展目标可能由很多飞行成编队的微型航天器组成，而不是单一的较大的航天器。微推进系统作为微型航天器的核心部件，为其提供方位保持、姿态控制、重力补偿和轨道调整等。因为液态和气体燃料的泄露、高压储存和技术复杂性、污染等问题，且伴随MEMS的集成技术，固体推进剂微推进器体积可以更小，结构可更简单，特别适合微飞行器整合和小型化高层次的应用［1］。国内外［2－9］主要针对微推力器和微推进系统的推力测试和结构设计展开研究，对推进剂燃料在微小尺度环境下的燃烧性能研究及改造方案报道很少［10－11］。因此，研究固体推进剂在微小尺度下的燃烧性能，对固体推进剂燃料的高效稳定燃烧和在微推进系统中的应用有重要意义。

硼具有较高的质量热值和体积热值，且硼燃烧产物洁净、分散性好，可以显著减小二相流损失、提高喷射效率［12］，使硼富燃料推进剂成为固体火箭冲压发动机的首选燃料。但同时硼的熔点和沸点较高，难以熔化和汽化，实际应用中存在点火温度高、点火延迟时间长、燃烧效率低等问题［13］，因此如何实现硼颗粒的顺利点火和高效燃烧尤为重要。AP是推进剂的主要添加剂之一，作为强氧化剂，易于分解产生大量的氧气。因此，本文选取无定形硼和AP制成的混合物作为研究对象。

对于小尺度燃烧系统，大的比表面积导致严重的散热损失，表面力、粘性力、摩擦力等微通道效应也越显著。另外，由于燃烧室尺度空间的减小，传统的温度测量方法，如布置热电偶和燃速测试方法，如靶线法、光靶法等无法适用。因此，本文借助红外热像仪拍摄记录了微小圆管内样品的点火燃烧过程，避免了测量对火焰流场的干扰。通过微小圆管壁面温度图，分析其内部热量的传递过程，并借助GRAFULA软件算得燃面的移动速度(热量的传播速度)，研究了管径尺寸、燃料配比等因素对燃速的影响，为硼富燃料推进剂在微推进系统中的高效稳定燃烧提供理论资料。

1 实验

1.1 药剂配方和样品的制备

粒径为 1.5 ～2.0 μm 的无定形硼粉(B)，纯度为95%;AP，分析纯。

壁厚1 mm，内径分别为2、3、4、5 mm 的石英玻璃圆管做切面处理，上底长90 mm、下底长100 mm。

用高精度电子天平分别量取适量的无定形硼粉和AP，放入称量瓶，在磁力搅拌机上充分机械振荡混合，制成无定形B/AP质量配比分别为1∶1、1∶2、1∶3的混合物样品。

分别将上述3种样品采用分段压装法装入上述4种微小圆管。其中的药柱上底长 30 mm，下底长40 mm，药柱密度为1 200 kg/m3±10%。

1.2 实验仪器和方法

FLIR ThermaCAM S65红外热像仪，拍摄频率设定为60 Hz，温度区间选取300～1 200℃，因石英玻璃的表面辐射率为0.86，因此仪器的比辐射率设定为0.86。图1是实验系统图。

用电点火枪加热微小圆管做切面处理一端的混合物燃料，加热到300℃左右时，AP开始热分解，释放出大量的热量和氧气，为硼粉的氧化提供热源和氧化剂。当混合物燃料实现燃烧自维持时，停止对其加热，微小圆管内自入口往下游的燃料依次被预热、点燃，可观测到燃面的移动。为了研究整个点火燃烧过程，实验开始前即开启红外热像仪的录像功能，实时记录红外图片，进而可得到微小圆管壁面上每个点每个时刻的温度值。

图1 实验系统图Fig.1 Diagram of the experimental system

图2 混合物燃料稳定、同步燃烧阶段的红外图像Fig.2 Infrared images of the mixture fuel in the stage of stable and simultaneous combustion

1.3 燃速分析方法

推进剂燃速是一极为重要的性能参数，对提高发动机推力和稳定发动机运行具有重要作用。这里的燃速指燃料的燃面在管道内的移动速度，是判别燃烧稳定性和性能的重要参数。由于微小圆管中燃烧室尺度空间的减小，传统的燃速测试方法如靶线法、光靶法等无法适用，且固体药剂在微小细圆管中的燃烧现象比较复杂。本文借助图表取点GRAFULA软件对从红外录像中导出的实时红外图片进行数据处理，计算得到样品在微小圆管中的燃速［10］，且能够直观地分析火焰形貌，并避免了测量对火焰流场的干扰。下面以内径5 mm微小圆管装填B/AP配比为1∶2的混合物为例，说明燃速的计算方法。

鉴于从第540幅红外图开始，燃面平稳地移动，取图2所示6幅图导入Grafula软件中画坐标、取点、读取坐标值。

红外热像仪拍摄视窗总长155 mm，定义最右侧断面上的某点为坐标原点，微小圆管的中轴线为X轴，如图3所示。则可以读出燃面与X轴交点的X坐标。定义第540张高速图片的相对时间为0，相对位移为0，可以得到6组不同时刻对应的位移，进而得到燃速。

图3 在Grafula软件中画坐标、取点、读取坐标值示意图Fig.3 The schematic diagram of paiting the coordinate，taking points and reading coordinate values in Grafula software

2 实验结果

2.1 不同因素对微小圆管内B/AP混合物燃料燃速的影响

本文用红外热像仪记录了B/AP配比为1∶1、1∶2和1∶3的3种混合物燃料分别在壁厚1 mm，内径5、4、3、2 mm微小圆管中点火燃烧的红外录像，研究管径尺寸和B/AP配比对燃速的影响，见图4和图5。

2.2 管径尺寸对燃速的影响

由图4可见，微小圆管中B/AP配比1∶1样品的燃速随管径减小而增大。因为微小圆管中燃料的燃烧稳定性由壁面热损失和微管道效应共同耦合作用［10］。其中，圆管的热损失率:

式中 q1为单位面积热损失，J/m2;F为圆管反应区内表面积，m2;qc为单位质量反应热，J/kg1;ρ为药剂密度，kg/m3;V为药剂体积，m3;r为圆管的内半径，m;l为反应区长度，m。

因圆管和燃料一定，q1和ρ不变，热损失率η与管径r和单位质量反应热qc成反比。因B/AP配比1∶1样品的反应热比较大，热力学计算值是605.63 kJ/mol，管径在5.0 ～2.0 mm 之间的微小变化对热损失率的影响不大，可忽略不计。

图4 燃速随圆管管径不同的变化趋势Fig.4 Trend charts of the burning rate with different diameters of tubes

此外，混合物样品燃烧产生大量的固体颗粒，会堆积滞留在微小圆管内，阻碍气体产物的流出。因为管径越小，表面力、粘性力、摩擦力等微管道效应越明显，堆积滞留在管道内的固态和气态产物也越多，这样有更多的热量可供给上游未燃燃料，预热温度升高，因此燃速也就越大。实验得到的红外录像也直观显示，管径越小，固体颗粒喷出的越少，滞留在管内的产物也越多。另外，管径越小，装样越少，预热未燃样品所需的时间越少，燃速越大。

由此可见，对于反应热较大的B/AP配比1∶1的混合物样品，微管道效应是不同管径微小圆管中燃速变化的主导因素。管径越小，滞留产物越多，预热温度越高，燃速越大。

B/AP配比1∶2的样品在5.0～2.0 mm管径圆管中的燃速整体小于配比1∶1的，且燃速在3.5 mm/s左右波动不大。因为B/AP配比1∶2样品的反应热较小，热力学计算值是580.00 kJ/mol，此时管径变化对壁面热损失的影响不能忽略，即管径越小，壁面损失越大，燃速越小;而微管道效应随着管径的减小而增大，对燃速起增大作用。因此，由于两者的相互耦合作用，燃速上下浮动不大。

因B/AP配比1∶3样品中硼含量的减少，反应热只有558.07 kJ/mol，燃料产热量急剧下降，燃烧中心温度降低不利于未燃燃料的预热和点燃，使其在5.0～4.0 mm管径圆管中的燃速明显小于上述2种样品。且当微小圆管内径减小到3 mm和2 mm时，因为较小的产热量和较大比表面积引起的较大散热损失，导致燃烧无法自维持，产生热熄火现象。

综上所述，对B/AP配比1∶1的混合物燃料，微管道效应是引起燃速变化的主导因素;对B/AP配比1∶3的混合物燃料，壁面热损失是引起微燃烧不稳定的主要因素;对B/AP配比1∶2的混合物燃料，燃速变化是壁面热损失和微管道效应两者的耦合作用。

2.3 B/AP不同配比对燃速的影响

从图5可看出，样品在不同管径大小微小圆管中的燃速均随B/AP配比的减小而减小。因为相同管径圆管中的装样质量一定，B/AP配比越小的样品，B的含量越少;而B与AP分解的氧化剂反应的产热量远远大于AP自身分解的所释放的热量。因此B含量的减少导致燃烧中心区域温度的降低，预热管内相同质量的未燃样品需要更长的时间，燃速也就越小。

图5 燃速随B/AP配比不同的变化趋势图Fig.5 Trend charts of the burning rate with different B/AP ratio

另外，AP控制着混合物燃料在微小圆管中的点火燃烧进程。AP要实现分解放热，首先要吸收足够的热量以达到分解温度。热力学计算得到AP从室温25℃升到分解温度300℃的单位吸热量为53.010 37 kJ/mol。随着B/AP混合物燃料中B/AP比值的减小，AP含量增大，单位混合物燃料要达到分解温度需要吸收的热量也越大，降低了燃烧中心的温度，即降低了预热温度，使燃速减小。

不同管径圆管中燃速随B/AP配比变化的对比见表1。由表1可得，5 mm管径圆管中，B/AP配比是1∶1、1∶2、1∶3 的样品的燃速分别是 4.19、3.67、2.22 mm/s，最大相差 1.97 mm/s。在 4 mm 管径圆管中，B/AP配比是1∶1、1∶2、1∶3的样品的燃速分别是4.55、3.72 、1.94 mm/s，最大相差 2.61 mm/s。当管径减小到3 mm和2 mm时，有熄火现象出现，表明燃速差值更大。可见，管径越小，B/AP配比变化对燃速的影响越大。因为随管径减小，圆管比表面积增大，热损失增加，表面力、粘性力、摩擦力等微通道效应也越显著，这些都将影响样品在微小圆管中的燃烧特性和燃烧稳定性。因此可通过选取填充反应热较大的燃料来弥补较高的热损失，实现微小圆管中燃料的稳定燃烧，但也不能过高，以防止击穿现象的产生。总之，应当根据微推进器燃烧室尺寸选配反应热合理的燃料作为填充燃料，以防止因为散热引起的热熄火现象和反应过于剧烈引起的击穿现象。

表1 不同管径圆管中燃速随B/AP配比变化的对比Table 1 The correlation table of the burning rate with different B/AP ratio in mini-tubes of different diameters

2.4 微小圆管的壁面温度和内部传热规律

红外录像实时记录所拍视窗内各点的温度值。通过分析填有B/AP配比1∶1的混合物样品、内径5 mm微小圆管的壁面温度，研究其内部传热。取微小圆管中轴线上距离入口分别为 4.5 、6.0 、7.5、9.0、10.5 mm的5个点为研究对象，绘制出5处壁面温度随时间的变化曲线，如图6所示。因红外热像仪检测温度区间为300～2 000℃，所以300℃以下的温度，图6中记为300℃。热像仪开始检测到300℃以上温度的时刻定义为0 s，整个观测时间为12.33 s。

图6显示，中轴线上5个点的温度均呈现先升高，到达最高点，再降低的趋势。可知，位于该5处的燃料均经历了一个先预热，燃烧，再熄灭的过程。对比5条曲线可知，红外热像仪最先捕捉到离入口4.5 mm点的温度，再依次是离入口 6.0、7.5、9.0 mm 点，最后是离入口10.5 mm点。且5处的温度依次达到最高值970℃，并保持1～2 s。说明微小圆管入口处的燃料先被点燃，随着燃烧的进行，从入口到尾端的燃料也依次被预热、点燃。可见微小圆管内的燃料在轴线方向存在热传导，火焰中心燃烧释放的热量传递给相邻未燃的燃料，随着热量的累加，该处的燃料达到着火点燃烧，释放的热量再传递给下游的未燃样品。红外录像也显示燃面沿轴线从入口向尾端移动。另外，离入口最近4.5 mm点的燃料并没有因为先被点燃而先熄灭，5点的温度几乎同时有下降的趋势。因为下游燃料中的B被氧化前，AP先分解，产生的O2扩散到达上游，未燃尽的B继续被氧化。

图6 微小圆管中轴线上离入口不同距离点的壁面温度随时间的变化曲线Fig.6 Change curves of the wall temperature in the central axis of microtubes with different distances from the entrance

图7 不同时刻微小圆管中轴线上的壁面温度分布Fig.7 Distribution maps of the wall temperature in the central axis of microtubes at different time

图7给出了不同时刻，微小圆管中轴线上的壁面温度分布。根据壁温的分布规律，微小圆管内的混合物燃料从右到左可划分为4个区域:入口高温区，扩散火焰区，预混火焰区和未反应区［14］。其中预混火焰区是AP分解产物与B之间发生燃烧反应的区域;扩散火焰区在AP晶粒表面较远处，AP分解产物中过剩的氧气使B不断氧化。另外，因入口处的燃料暴露在外界空气中，有足够的氧化剂，使样品中的B持续燃烧，保持较高的温度。图中温度小于300℃的区域为未反应区。对比6条曲线可知，随着时间的推移，扩散火焰区的温度不断升高。因为随着反应的进行，热量传递到未反应区，其中的AP先被加热分解，产生的氧气往上游传递，不断为扩散火焰区提供氧化剂，使燃烧更剧烈，温度升高。可见，混合物中AP的分解反应控制着整个燃烧过程。

3 结论

(1)微小圆管内B/AP混合物燃料的燃烧稳定性由壁面热损失和微管道效应共同耦合作用。对反应热大的燃料，管径变化引起的微管道效应变化是引起微燃烧不稳定的主要因素，例如B/AP配比1∶1样品的燃速随管径减小而增大，因为管径越小，微管道效应越明显，滞留在管内的产物越多，预热温度越高;对反应热小的燃料，管径变化导致的壁面热损失变化占主导因素，例如B/AP配比1∶3样品的燃速随管径减小而减小，因为管径越小，比表面积越大，壁面损失越大。

(2)管径越小，B/AP配比变化对燃速的影响越大。因为随管径减小，热损失增大，表面力、粘性力、摩擦力等微通道效应越显著，对燃烧的稳定性不利。通过选取填充反应热较大的燃料可防止因散热过大引起的热熄火，但也不能过高，以防止击穿现象的产生。

(3)微小圆管内的燃料在轴线方向存在热传导，在燃燃料释放的热量传递给相邻未燃的燃料，随热量累加，到达着火点后被点燃，其燃烧释放的热量继续传递给下游的未燃样品，依次进行。同时样品中的AP先分解产生的O2扩散到上游，为未燃尽的B提供氧化剂，促进其进一步氧化。

(4)微小圆管的壁面温度图可划分为4个区域:入口高温区、扩散火焰区、预混火焰区和未反应区，且混合物中AP的分解反应控制着整个燃烧过程。

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