铝镁贫氧推进剂激光点火特性

朱国强，薛谈顺，周长省，陈 雄，成红刚

（1.南京理工大学 机械工程学院，南京210094；2.淮海工业集团有限公司，山西 长治046012）

铝镁贫氧推进剂由于可以大幅度提高冲压发动机的性能，已经被广泛应用于固体燃料冲压发动机和固体火箭冲压发动机设计中[1]。这类推进剂氧化剂含量少而金属含量高，其燃烧性能和点火性能具有独特性。目前，关于铝镁贫氧推进剂的燃烧性能研究的报道较多[2－3]，已取得了较多成果。铝镁贫氧推进剂的点燃及向稳态燃烧的过渡是冲压发动机设计中需要考虑的重要环节，肖秀发等[4]以电热丝为点火源在固定输入能量的条件下研究了推进剂组分对铝镁贫氧推进剂点火性能的影响，而关于激光热流密度对铝镁贫氧推进剂点火性能影响的研究尚无相关报道。

激光器作为研究推进剂点火特性的点火源已经在国内外得到广泛应用。有采用CO2激光点火系统研究了PMMA（聚甲基丙烯酸酯）点火延迟时间与激光热流密度之间的关系[5]，有应用CO2激光点火系统研究气体发生器不同种推进剂的点火性能[6]。

本文应用CO2激光点火实验系统，针对铝镁贫氧推进剂的点火特性开展实验研究，着重研究点火延迟时间与激光热流密度之间的关系，同时揭示和分析铝镁贫氧推进剂点火过程中的物理化学现象，为研究其点火机理提供可靠的实验依据。

1 实验设备及方法

1.1 试件制备

铝美贫氧推进剂主要成分包括HTPB（端羟基聚丁二烯）、AP（高氯酸铵）、铝粉和镁粉，其中铝镁含量为35%。实验用试件均由同一个整装药切割而成，其尺寸为5mm×5mm×5mm（±0.5mm）。

1.2 实验系统

如图1所示，实验系统主要包括燃烧室、CO2激光器、激光控制器和测试系统，详见文献[5]。

图1 激光点火实验系统

1.3 实验方法

实 验 中 分 别 选 取 176 W/cm2，212 W/cm2，290 W/cm2，464 W/cm2，562 W/cm2，646 W/cm26种激光热流密度；为考察实验结果的可重复性，每种热流密度下做7次实验。

详细的实验方法及步骤见文献[5]。

2 实验结果及分析

2.1 点火延迟时间

图2为测得的铝镁贫氧推进剂点火过程的光电曲线（激光热流密度为464 W/cm2），其中横坐标表示时间t，纵坐标表示光电管测得的电压值U。由图可准确判读出激光开始加载和起始火焰的时间点，可得出在此激光热流密度下推进剂的点火延迟时间为75ms。

图2 点火过程的光电曲线（激光热流密度为464 W/cm2）

2.2 点火过程

图3为高速录像记录的铝镁贫氧推进剂点火过程中几个关键时刻（激光热流密度为464 W/cm2）。其中图3（a）为LED灯刚点亮，记录为激光加载初始时刻；图3（b）为铝镁贫氧推进剂试样表面开始析出混合气体；图3（c）和图3（d）为持续分解出的混合气体在空气中自然对流上升扩散；图3（e）为推进剂表面某个镁粉颗粒点燃并产生第一束火焰光；图3（f）为推进剂表面镁粉颗粒持续点燃并释放出热量；图3（g）为燃烧炽热颗粒引燃附近预混气体；图3（h）和图3（i）为推进剂表面预混气体火焰扩散传播，其中伴随着已燃颗粒的喷射；图3（j）为推进剂完成点火过程后持续稳态燃烧。

当铝镁贫氧推进剂受热后，表面热量快速积累，表面中各组分温度迅速升高，其中AP和HTPB开始分解并析出混合气体，随后混合气体在空气中自然对流上升逐渐形成椭球状气团。在这个过程中，激光能量一部分被混合气体吸收但不足以点燃混合气体，而另一部分能量被铝镁贫氧推进剂吸收从而使其维持分解反应并使表面处镁粉和铝粉温度快速上升。由于镁粉点火温度较低，推进剂表面处镁粉颗粒被点燃并释放出大量热量；随后推进剂分解出的混合气体被点燃，伴随着炽热颗粒的喷射，火焰由下而上扩散并形成稳定燃烧。由此可以认为该点火方式下，铝镁贫氧推进剂点火是由表面镁粉颗粒燃烧引起的，其点火机理为凝聚相点火。

图3 铝镁贫氧推进剂点火过程（激光热流密度为464 W/cm2）

2.3 热流密度对点火延迟时间的影响

不同激光热流密度q0下的铝镁贫氧推进剂点火延迟时间tig实验结果如表1所示。6组热流密度下点火延迟时间的相对标准偏差RSD在9%以下，说明实验结果的重复性较好。

表1 不同热流密度下铝镁贫氧推进剂试件的点火延迟时间

图4为点火延迟时间随激光热流密度的变化曲线。

图4 点火延迟时间随激光热流密度的变化

由图4可知，铝镁贫氧推进剂的点火延迟时间随着激光热流密度的增加而减小。激光热流密度的增加导致了推进剂试件表面温度升高速率加快，使得推进剂的热分解速率加快，而表面镁粉颗粒温度上升也加快，最终使得推进剂点火延迟时间减小。当激光热流密度较低时，热流密度对推进剂点火延迟时间的影响较大；而当激光热流密度较高时，热流密度对推进剂点火延迟时间的影响就变得很小。

3 点火延迟时间理论模型

点火延迟时间是表征推进剂点火特性的重要参数，依据实验结果可获得的激光热流密度与推进剂点火延迟时间之间的经验计算公式。

本文基于热理论做如下假设：①外界热源即激光辐射是试样表层点燃的唯一热源，不考虑试样内的相变；②试样的热物性参数如比热、热导率等均为常数；③只考虑试样内的传导，不考虑与外界的对流和辐射；④激光光强在整个光斑内分布均匀且光束能量只被试样表层吸收。

受激光辐射的推进剂一维瞬态热平衡方程为

初始条件：t＝0，T＝T0。边界条件：x＝0，∂T/∂x＝－q0/λs，x→∞，∂T/∂x→0。式中：ρs为密度；cs为比热容；λs为热导系数；T为温度；T0为初温；t为时间；q0为加载的激光热流密度；x为厚度方向坐标；δ（x）为引入的函数，表明激光作用时仅在推进剂表面存在唯一热源：

通过积分变换，可以得到推进剂内的温度分布：

令x＝0，则推进剂表面温度T（0，t）的数学表达式为

由前面分析可知，铝镁贫氧推进剂点火机理为凝聚相点火，点火准则为推进剂表面温度达到点火温度，即T（0，t）＝Tig，因此点火延迟时间为

由式（5）可知，点火延迟时间与推进剂热物性、推进剂初温和加载热流密度有关。

引入实验误差项后，根据式（5），点火延迟时间与激光热流密度的数学关系式为

式中：A和B为常数，其中A表达了点火延迟时间与推进剂热物性和初温的关系，B表达了实验误差项。

从式（6）可知，当热流密度较大时，热流密度变化对点火延迟时间的影响较小，这与实验结果反映的规律一致。依据上述实验测得的数据，通过最小二乘法来拟合点火延迟时间与热流密度的数学关系式，拟合得A＝3.411 42×107，B＝－52.299 85，拟合相关系数大于99%。

本文拟合曲线与实验结果的比较如图4所示，可见拟合得的经验公式具有一定的可靠性。所拟合的经验公式可计算铝镁贫氧推进剂激光热流密度在176～646 W/cm2范围内的点火延迟时间。

4 结论

本文采用CO2激光点火系统，针对铝镁贫氧推进剂的点火特性开展了实验研究，结论如下：

①铝镁贫氧推进剂点火机理为凝聚相点火，其点火准则为推进剂表面温度达到点火温度，而激光热流密度在整个点火过程中都起着主导作用。

②铝镁贫氧推进剂的点火延迟时间随着热流密度的增加而递减，且点火延迟时间的变化趋缓。

③所拟合的经验公式可计算激光热流密度在176～646 W/cm2范围内铝镁贫氧推进剂的点火延迟时间。

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