复合推进剂中铝的燃烧实验研究方法

刘 鑫，刘佩进，关 昱，金秉宁，杨天昊

(西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072)



复合推进剂中铝的燃烧实验研究方法

刘 鑫，刘佩进，关 昱，金秉宁，杨天昊

(西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072)

为研究AP/Al/HTPB复合推进剂中铝粒子在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧过程，采用了长焦显微镜头、单反相机和高速相机组合的光学拍摄方法。通过常温常压实验拍摄，获得了铝在燃面处脱离及随流运动中铝液滴燃烧的宏观过程图像。在0.3 MPa密闭实验器中，使用长焦显微镜头和高速相机对单个铝滴进行了拍摄，通过标定计算得到了其直径和随流运动速率，确定了该方法是可行的，为下一步开展高压实验研究提供了手段。

复合推进剂；铝颗粒燃烧；团聚；高速拍摄

0 引言

近年来，随着战术导弹总体对固体火箭发动机性能要求的提高，国内研发的采用复合推进剂的固体火箭发动机出现较严重的燃烧不稳定[1]。铝燃烧产物的惰性粒子对不稳定燃烧有抑制作用[2]，且由于铝具有高密度、高燃烧热等优点，常作为添加剂以提高推进剂比冲。铝含量相同、粒径不同的推进剂燃烧产物的惰性粒子对同一频率振荡的衰减能力也不相同[3]。然而，国外研究表明，铝的分布燃烧可与燃烧室声场耦合，对燃烧不稳定起增益作用，铝的燃烧区域厚度和燃烧时释放的热量决定其不稳定程度[4-5]。从推进剂表面脱离后，铝粉在远离燃面的燃气中燃烧。铝的粒径会随其空间分布燃烧而产生变化[6]，不同粒径铝的燃烧可能会遵循不同的规律，这将对颗粒的阻尼效应产生很大的影响。同时，铝燃烧生成的凝相颗粒会对燃烧室绝热层和喷管材料产生较强的冲蚀作用，增强绝热层和喉衬的烧蚀；发动机承受横向过载的条件下，由于惯性作用，凝相粒子会定向聚集，导致推进剂燃烧速度和绝热层烧蚀率增大，影响发动机的工作安全[7]。因此，铝粉燃烧对固体火箭发动机稳定性的综合作用需要重新审视[8]。研究推进剂中铝燃烧过程对于如何有效地在推进剂中使用铝粉，选择适当的含量和粒度以及如何组织其燃烧过程，凝相燃烧产物对发动机性能有哪些不利影响的理解有重要意义。

为研究AP/Al/HTPB推进剂中铝在推进剂燃烧表面处燃烧的动态物理过程，本文采用了长焦显微镜头、单反相机和高速相机组合的光学拍摄方法，在常温常压条件和0.3 MPa密闭实验器中，对推进剂燃烧表面处铝的燃烧及逸出燃面后的过程进行拍摄，探索光学拍摄方法的可行性，为下一步开展高压下的实验研究提供手段。

1 实验

1.1 实验原理

本实验分别在常温常压敞口条件下和密闭燃烧器里进行了点火拍摄。密闭容器实验系统原理如图1所示，主要由拍摄系统、点火控制系统、气路控制系统、数据采集系统和密闭容器组成。镜头和高速相机及与相机相连的计算机组成拍摄记录系统。脉冲激励系统主要通过一脉冲器产生激励，使得实验器中激发出现一阶轴向声振。点火时序控制系统提供电源，通过点火头点燃推进剂和点燃脉冲器。气路控制系统主要控制进出气电磁阀的开关。数据采集系统主要采集密闭容器中推进剂燃烧过程中压力数据。实验容器4个方向呈90°夹角有4个光学观察窗，其直径为40 mm。实验中所使用的推进剂为含铝17%的AP/Al/HTPB复合推进剂，将其制成5 mm×5 mm×50 mm条状，并对其侧面进行了包覆，以保证其端面燃烧。

图1 实验系统原理图Fig.1 Schematic of the experiment system

实验器长度为1 m，在充满氮气条件下，一阶轴向声振频率约为200 Hz左右。其上端可增加脉冲激励系统，通过一脉冲器产生激励，使得实验器中激发出现一阶轴向声振，从而通过光学观察窗观测和拍摄在振荡条件下推进剂燃烧变化情况，研究振荡对推进剂燃烧行为的影响。点火时序控制系统可与脉冲激励系统配合，在点火后一定时间间隔内产生多次脉冲激励。本文旨在研究光学拍摄方法的可行性，所以实验中没有使用脉冲激励系统。

1.2 相机和镜头

实验中分别使用了Phantom高速相机与Lavision公司的Questar 系列的长焦显微镜头配合，佳能公司的Canon Mark Ⅲ单反相机与70～200 mm变焦镜头配合。Phantom高速摄影仪(v4.3)具有采样率高、存储空间大、可二次曝光以及任意点触发等优点。Canon Mark Ⅲ此款单反相机具有拍摄和摄影两种功能，可拍摄视野范围大，分辨率高。

由于发动机中推进剂燃烧环境压强高，导致火焰区域较小，光学拍摄需要放大；火焰温度高，导致镜头不能离火焰较近，使得镜头的焦距要长，Lavision公司的Questar系列长焦显微镜头具备以上要求。其镜头结构为马克苏托夫式卡塞格林望远镜，如图2所示。其物镜由2个反射面组成，主镜亦为抛物面，副镜为凸的双曲面镜，其作用是增大有效焦距[9]。其工作距离为150～350 mm，其景深随工作距离不同而不同，在28～77 μm之间。

图2 卡塞格林望远镜光路图Fig.2 Cassegrain telescope optical path

2 实验结果及分析

2.1 常温常压单反相机拍摄

由于Canon Mark Ⅲ 单反相机与70～200 mm变焦镜头配合具备可拍摄视野范围大、分辨率高的优点，本次实验在常温常压条件下，使用其来探索拍摄铝从推进剂燃烧表面处脱离后宏观动态过程的可行性。图3是在常温常压空气环境中含铝推进剂中铝滴燃烧示意图[10]，铝滴受燃面处气流推动，从燃面脱离。

从图3可看出，靠近燃面处的铝液滴有Al2O3烟的长拖尾，而远离燃面下落的铝液滴被Al2O3烟包裹成球形状。图4为实验中拍摄到AP/Al/HTPB推进剂中铝液滴燃烧图像，其与图3示意图基本一致，可清楚地看到靠近燃面处的铝液滴带有长拖尾的Al2O3烟，下落的铝液滴被Al2O3烟包裹成球形。从图4还可看到，铝从推进剂表面脱离后的粒径是大小不一的，脱离燃面后燃烧。

图3 空气环境中的固体推进剂试样和 铝液滴燃烧结构示意图Fig.3 Structure of the solid propellant specimen and schematic view of the Al droplet burning in ambient air

实验拍摄获得了一个大粒径的铝液滴和一个小粒径的铝液滴从推进剂燃烧表面处脱离后的动态随流飞行过程。图5为大粒径的铝液滴从推进剂表面脱离后，由于粒径较大，其没有上升过程，直接落向平台。小尺寸粒径则是从燃面脱离后先上升，如图6所示。图5的12幅图是同一次实验拍摄得到的，圈出的大团铝液滴从燃面脱离后，直接落向平台，无上升过程。图5(a)中，铝液滴在燃面处可团聚成较大尺寸；图5(b)

中，从燃面处脱离，在空气中燃烧。由于复合推进剂燃烧表面退移，在熔化态粘结剂中的铝未被点燃，且开始在表面集中。熔融层的表面张力将铝束缚。虽然燃面温度超过铝熔化温度930 K，但低于2 300 K，铝粒子被氧化物在外层包裹着。随着温度的升高，氧化层开始变薄，逐渐使粒子凝聚在一起，形成较大的团块[11-13]，最终在燃气的推动下从表面离开。经过一段随流运动后，最终落在平台上。同时，由于其具备一定的动能，与平台表面碰撞后，一小粒径的铝液滴还上升了小段距离。

图4 常压空气环境下AP/Al/HTPB推进剂燃烧图像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

图5 大粒径铝液滴从推进剂燃面脱离后的运动和燃烧情况

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

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

图6 小粒径铝液滴从推进剂燃面脱离后上升过程

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

图6为小粒径铝滴从燃面脱离后随流运动的图像，由于其粒径小，从燃面脱离后，受气流的推动，存在一先上升的运动过程，图6的两幅图像为连续拍摄得到。图6与图5为同一次实验拍摄得到。

实验还拍摄获得了铝球飞行的尾迹图，如图7所示。从图7可清楚地看到，铝球在脱离推进剂表面下落时，燃烧所产生的白色烟雾的尾迹是螺旋状的，且螺旋线间隔很小。因此可推测，铝球在下落过程中，由于燃烧使得铝球高速旋转。

2.2 0.3 MPa长焦显微镜头与高速相机拍摄

本次实验是探索长焦显微镜头与高速相机在密闭实验器内拍摄铝粒子溢出后随流运动过程的可行性。实验压强为0.3 MPa，实验器内充填氮气。密闭实验器原理如图1所示。长焦镜头与高速相机组合，通过实验器壁上所开的光学观察窗口进行拍摄。拍摄速率为每秒1 000张。

图7 铝球尾迹图Fig.7 Aluminum trail

图8(a)为拍摄过程中较大的铝滴的图像，其直径约为400 μm，其随流运动速率约为0.492 m/s左右；图8(b)为较小的铝团，其直径约为250 μm，随流运动速率约为0.998 m/s左右。粒径大的铝滴随流运动慢，粒径小的铝滴随流运动速度快。随压强的升高，推进剂的燃速和火焰温度增高，推进剂中的铝粒子被点燃难度降低，使得相互团聚成为附聚物的直径减小。图9为单个铝滴在气流中燃烧的燃烧示意图[14]，拍摄到的铝滴图8与示意图基本相一致。国外研究资料表明[14]，在0.5～1 MPa的压强下，铝在推进剂燃烧表面完成聚集的时间尺度在1 ms以内。由于本文拍摄所希望得到的是铝从燃面溢出后的粒度以及运动过程，故高速相机拍摄速率没有设置到更高去拍摄团聚过程。

(a)400 μm (b)250 μm

图8 单个铝滴燃烧图像

Fig.8 Single aluminum droplet combustion

由图8中可看到每个铝滴都有一个较长的拖尾焰，为铝滴燃烧生成的Al2O3烟雾，其形成一个烟雾膜包裹着铝滴，与图9单个铝滴燃烧示意图相一致。在铝滴的表面是存在氧化物的，其中部分氧化物是在燃面表面团聚过程中形成氧化物残留，在铝滴的燃烧过程中，表面会不断形成新的氧化物，表现为可伸缩的氧化叶，其主导铝燃烧过程中液滴的燃烧行为[14]。图8中所拍摄到的铝滴发亮的区域应为图9示意图的氧化叶部分，与其周围暗的区域形成对比。由于铝滴燃烧火焰中很少有或几乎没有净对流气体，导致Al2O3聚集在所形成的烟雾膜内。图9所示火焰烟雾膜内靠近铝滴附近为异质的，中间部分为烟雾膜内部的对流区域，烟雾膜尾端为Al2O3烟雾与外部的对流区域，铝滴表面燃烧形成的Al2O3，在烟雾膜内从靠近铝滴表面的位置对流运动到尾端最后分离到周围环境中。铝滴的表面有熔融的氧化物，铝蒸汽通常以小滴的形式(通常直径<2 μm)从表面流出和反应生成Al2O3[14]。

图9 单个铝滴在气流中燃烧示意图Fig.9 General nature of the combustion zone of an aluminum droplet burning in a mild convective flow

在实验准备过程中，采用了氙灯照射试件表面，使得长焦镜头成功对焦。实验中，曾尝试采用氙灯作为背景光源，照射试件来确定燃面位置，发现在对焦过程中，相机可成功捕捉到氙灯亮光，但在能清楚拍摄到铝滴燃烧的情况下，相机无法捕捉到氙灯的亮光，氙灯不适合作为此实验的背景光源。

3 结论

(1)Canon Mark Ⅲ单反相机与变焦镜头配合使用，其视野范围大，分辨率高的优点可清楚地拍摄得到推进剂中铝脱离燃面后，在随流运动中燃烧过程，可用来拍摄研究铝的随流运动燃烧的宏观过程。

(2)长焦显微镜头和高速相机配合使用，其拍摄速率高，视野范围小，图像放大倍数大的优点，可拍摄含铝推进剂中铝在燃烧表面处溢出后的动态过程，可用来拍摄密闭实验器中微观区域燃烧图像。所得图像可估算出溢出燃面后的铝滴直径和随流运动速率。宏观过程与微观过程研究相结合，为下一步开展高压下的实验研究提供手段。

(3)0.3 MPa下粒径400 μm左右的铝滴随流运动速率约为0.492 m/s，250 μm左右的铝滴随流运动速率约为0.998 m/s。粒径大的铝滴随流运动慢，粒径小的铝滴随流运动快。

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(编辑：刘红利)

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。

刘鑫(1988—)，男，博士生，研究方向为航空宇航推进理论与工程。E-mail:liuxin02030601@163.com

V512

A

1006-2793(2015)06-0833-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.015