硼颗粒点火燃烧特性研究进展

刘建忠，梁导伦，周禹男，周俊虎

(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)

2017-05-08；

2017-05-25。

国家自然科学基金项目(51106135)。

刘建忠(1965—)，男，教授/博士，研究方向为能源清洁利用与高效转化。E-mailjzliu@zju.edu.cn

硼颗粒点火燃烧特性研究进展

刘建忠，梁导伦，周禹男，周俊虎

(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)

硼的质量热值和体积热值极高，作为金属燃料使用具有显著的能量优势。如何充分释放硼氧化的高热量成为其应用推广的关键问题。基于半个世纪以来国内外的相关研究成果，论述了硼颗粒点火燃烧的主要过程与机理，分析了硼点火燃烧特性的影响因素与促进方法，评述了硼点火燃烧模型和数值计算的研究进展。对目前研究中存在的问题与不足进行了归纳总结，并对未来研究的重点及改进方向进行展望。

硼颗粒；点火燃烧；促进方法；模型；含硼推进剂；冲压发动机

0 引言

为配合固体火箭冲压发动机的高比冲、高飞行速度等性能要求，贫氧固体推进剂的相关研究在全球范围内广泛开展[1]。由于金属燃料具有高燃烧热，并能缓解高频燃烧不稳定现象，在贫氧固体推进剂配方中添加金属燃料已逐渐成为常态[2]。常用的金属燃料包括Be、B、Mg、Al和Zr等，其理化特性如表1所示[3]。虽然Be具有极高的质量热值，但因其被国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer)认定为致癌物，不具备近地应用的前景[4]。因此，B作为贫氧固体推进剂的金属燃料具有无可替代的能量优势。

尽管如此，要充分释放B中蕴含的高热量并非易事。由于自身熔、沸点高，需氧量大，表面存在初始氧化层等因素，B的点火十分困难，且在燃烧过程中难以蒸发[5]。此外，B的完全氧化物B2O3熔点低而沸点高(熔点450 ℃，沸点1860 ℃[3])，在燃烧过程中会以液膜形式包裹在B颗粒表面，阻碍外界氧的渗入[6]。因此，自20世纪60年代始，国内外学者围绕B颗粒的点火燃烧特性及其促进方法进行了大量研究[7]。

本文从B的点火燃烧机理、影响因素与促进方法、模型与数值计算三方面对其中部分研究工作的成果进行综述，并分析现阶段研究中存在的问题和未来的发展方向。

1 点火燃烧机理

1969年，美国学者Macek等[8]首次在试验中观察

到B颗粒的两阶段燃烧过程，奠定了B点火燃烧理论的基础。随后，美国普林斯顿大学的Li等[9]，美国马里兰大学的Young等[10]，国内浙江大学的敖文等[11]和韩国忠南大学的Shin等[12]分别观察到了类似的分段燃烧现象。根据他们的观察，B颗粒在首次着火后会出现短暂的发亮现象，随后熄灭，此为燃烧的第一阶段。当温度继续升高，B颗粒复又开始发亮，且与第一阶段相比更为明亮和持久，此为燃烧的第二阶段。为便于区别，通常也将B燃烧的第一阶段称为点火阶段，第二阶段称为燃烧阶段[13]。

表1 常用金属燃料理化特性[3]

点火阶段实际上是B颗粒表面氧化层的消除阶段[14]。在干燥空气中，此阶段B同时与B2O3和外界的O2发生反应，其异相反应方程如式(1)和(2)所示。若燃烧环境含水蒸汽、HF或F，则还会发生反应式(3)～式(5)[15]。因此，氧化层的消除一方面是通过受热蒸发，另一方面也能通过与B和H2O反应进行。当B颗粒表面的氧化层完全消除，点火阶段即告结束。

2B(s)+2B2O3(l)→3B2O2(g)

(1)

B(s)+O2(g)→BO2(g)

(2)

2B(s)+2B2O3(l)+3H2O(g)+

3/2O2(g)→6HBO2(g)

(3)

B(s)+B2O3(l)+2HF(g)+1/2O2(g)→

OBF(g)+FBOH (g)+ HBO2(g)

(4)

B(s)+B2O3(l)+3F(g)→3OBF(g)

(5)

然而，点火阶段最复杂的问题并非氧化硼的消除机理，而是B与O2在氧化层存在下的扩散与反应机理。历史上，对B颗粒点火阶段表面扩散与反应机理的认识主要经历了三个阶段。20世纪70年代，以美国大西洋研究公司的King[13，16-17]为代表，提出了O扩散至B-B2O3表面与B反应的观点。此后，该观点受到了Li等[18]的质疑，他们在90年代提出B会率先溶解在B2O3中生成BO并扩散至B2O3-O2表面，并在此表面上与O反应(图 1[14]，图中(d)指溶解在液相中)。随后，美国宾州州立大学帕克分校的Yeh和Kuo[19-21]通过试验对这一观点进行了修正，提出B在B2O3层中的扩散应是由聚合物(BO)n的形式进行的。至2014年，敖文等[22]基于聚合物(BO)n的存在，提出了B和O的双向扩散是同时存在的观点。最近，浙江大学的梁导伦等[23]通过对不同氧化程度的B颗粒进行微纳尺度切片观测，证实了B颗粒表面确实存在双向扩散。

相对而言，B燃烧阶段的扩散与反应机理较为简单。由于氧化层完全消除，B得以直接与环境中的O2、H2O、HF和F(若存在)发生反应，其异相反应方程如式(6)～式(9)所示[15，24]。由于B的熔、沸点高，一般认为此异相反应始终贯穿其燃烧过程。

2B(s)+O2(g)→B2O2(g)

(6)

2B(s)+H2O(g)→BH(g)+HBO(g)

(7)

2B(s)+HF(g)+3/2O2(g)→OBF(g)+HBO2(g)

(8)

B(s)+3F(g)→BF3(g)

(9)

值得注意的是，并非在所有条件下B颗粒均会呈现分段形式燃烧。当环境温度较低时，由于氧化层蒸发速率慢，B自然无法进入燃烧阶段[23，25-26]。而在高温高压或是低氧浓度等特殊条件下，B的点火燃烧也将以单阶段形式进行[8，27-28]。此外，浙江大学的李和平[29]等对微尺度下B的点火燃烧机理展开了研究，发现其亦有别与常规尺度。由于B在微尺度燃烧的应用背景不同[30]，此处不作详细探讨。

经历近半个世纪的研究，人们对常规条件下B颗粒点火燃烧机理的认知体系已逐渐形成。但B在点火燃烧过程中具体的基元反应路径及质能扩散迁移规律尚不明确。此外，对于特殊环境下B点火燃烧机理的研究还相当匮乏。未来需要在这两方面进行更深入和广泛的探索。

2 影响因素与促进方法

B的点火困难，燃烧效率低，是其在实际应用中面临的主要问题[31]。在了解B点火燃烧机理的基础上，分析各类因素对其点火燃烧特性的影响，并寻找促进其点火燃烧的方法，已成为各国学者共同关心的热点问题[32]。

2.1 自身特性影响

与其他金属燃料类似，B的粒径和初始氧化层厚度等自身特性是影响其点火燃烧特性的重要因素。特别地，B具有两种同素异形体，不同形态的B，其点火燃烧特性也不相同。

B的两种同素异形体分别为无定形B和晶体B。一般来说，无定形B粉末常温下呈棕色，晶体B粉末则呈黑色。图 2所示为两种形态B的扫描电镜照片[33]。对比可知，无定形B外形不规则且表面粗糙，晶体B则更接近球形，表面也光滑的多。国内外的研究结果[34-37]均表明，无定形B比晶体B更活泼，点火温度更低，点火阶段持续时间更短。因此，无定形B更适合作为固体推进剂的金属燃料。

粒径对B的点火燃烧特性也具有显著影响。前苏联科学家Gurevich等[38]的研究结果表明70～250 μm范围内B点火温度随粒径增加而降低。Macek等[8]研究了粒径为37～124 μm的硼颗粒在激光点火装置实验中的燃烧时间，测得的燃烧时间与粒径的平方成正比。敖文等[37]研究了25～65 μm范围内粒径的影响，发现B燃烧效率均随粒径增加而增加。中国工程物理研究院核物理与化学研究所的杨宇川等[39]和南京理工大学的杨毅等[40]则分别研究了0.3～3 μm和0.3～3.4 μm范围内粒径的影响，发现此时粒径减小反而能够提高B的燃烧效率，且点火时间与粒径成正比。Young等[10]研究了纳米B(约200 nm)的点火燃烧特性，发现其点火温度明显低于微米级的B，但受团聚(自然团聚)作用影响，此时样品燃烧时间与粒径的相关性大大减弱。综上所述，在大粒径范围(几十到几百微米)内，粒径增大对B的点火燃烧是有利的。但当粒径减小到纳米、亚微米或几个微米级别时，则呈现相反规律。微米尺度下B的燃烧时间随粒径减小而缩短，但在纳米尺度下，两者的相关性很小。总体而言，纳米B的点火燃烧特性优于微米B。但是，由于团聚、表面氧化、吸水等问题尚未得到有效解决，纳米B作为金属燃料的应用还存在较大困难[41]，目前的研究仍以微米B为主。

B的点火燃烧机理表明其表面氧化层的存在对其点火十分不利。事实上，B点火燃烧的理论研究中大多考虑了初始氧化层厚度的影响[13-22，42-43]。试验方面，敖文等[44]通过在管式炉中加热B颗粒获得了不同初始氧化层厚度的B颗粒，并比较了它们的点火燃烧特性。结果表明，随着初始氧化层厚度的增大，B点火延迟时间延长，燃烧强度降低，但起始反应温度和氧化反应活化能变化不大。在早期研究中，B初始氧化层厚度的试验测量十分困难，人们只能根据点火时间的测试结果对其进行假设[17]。对于微米B，一般取10～20 nm。随着显微技术的发展，人们开始使用透射电镜对B初始氧化层进行测量[22-23，26]。从测量结果看，不同B样品初始氧化层厚度差别很大，从几纳米到百余纳米不等。此外，单个B颗粒不同位置的初始氧化层厚度也存在一定差别，特别是无定形B。因此，需提高B的制备工艺和储存技术，尽量减小其初始氧化层厚度。

至此，人们在选择固体推进剂含B燃料时有了较为明确的原则。优先选择无定形、初始氧化层厚度小的颗粒。在粒径的选择上，需要综合考虑B的点火燃烧特性和燃烧时间。一般来说，粒径1 μm左右的B颗粒已能够较好的满足实际应用需求[45]。若能通过预处理、配方或制药工艺有效抑制团聚等现象的发生，纳米和亚微米B或将成为更优的选择。

2.2 燃烧环境影响

燃烧环境的影响主要包括温度、压力、氧和水蒸汽等气体浓度等因素。

温度升高无疑有利于B的点火燃烧[27-28]。当燃烧温度升高到B2O3的沸点以上时，能极大地促进氧化层的蒸发消除[46]。但受到冲压发动机补燃室结构和材料等因素的限制，B燃烧的环境温度不能无限制地升高。实际上，补燃室内的燃烧组织是一个复杂的过程[42]。根据俄罗斯科学院Rashkovskii等[47]及国防科技大学胡建新、刘道平等[43，48]的研究，B颗粒在补燃室中燃烧的环境温度在1200～1500 ℃左右，这一温度对B燃烧来说并不算高。此外，为提高能量利用率，通常希望B2O3等产物的汽化潜热能在补燃室尾部充分释放[49]，也需要适当地限制环境温度。

压力升高同样会对B的点火燃烧产生积极影响。美国伊利诺伊大学香槟分校的Foelsche等[27-28]研究了B在30～150 atm的压力范围内的点火燃烧特性，发现B的点火延迟和燃烧时间均随压力升高而降低。Uda等[50]研究了压力对B点火温度的影响，结果表明当压力从1 atm增大到20 atm，样品的点火温度降低了500 ℃。敖文等[11]研究了B在1～10 atm下B的点火和燃烧时间，发现压力对B燃烧阶段持续时间的影响要明显大于点火阶段。以上研究基本涵盖了目前冲压发动机工作压力范围。因此，在实际应用中应尽量提高B点火燃烧的环境压力。

早期研究曾将氧浓度和总压力视作同一个变量，直到1974年King在改进B点火模型才将两者分开考虑[16]。在贫氧条件下，氧浓度增大能缩短B颗粒的点火和燃烧时间，且温度越低两者相关性越高[13，48]。当O2过量时，结果将有所不同。Foelsche等[27-28]研究了氧过量系数5%、11%和20%时B的点火与燃烧。结果表明，当气氛中氧过量系数增加时，点火延迟时间和燃烧时间呈现先减小后增加的趋势。这可能是由于过量的氧使得B2O3积累过快，反而阻碍了后续反应进行[42]。此外，对于纳米B颗粒来说，氧浓度对点火延迟时间的影响不大，而燃烧时间则随氧浓度升高显著减小[10]。

除O2外，环境中适当浓度的H2O、SF6和CO2等气体也能促进B的点火燃烧[51]。Macek等[8]对比了混合气氛中H2O和CO2等气体浓度变化对B点火燃烧特性的影响，发现在一定范围内增大H2O和CO2的浓度能缩短B的点火时间，且H2O的作用更加明显。美国伊利诺伊大学香槟分校的Krier等[52]将1%、2%和3%的SF6气体混入O2，结果发现在34 atm的高压环境下SF6能缩短B的点火延迟时间并降低点火温度，但在8.5 atm的低压环境下并无效果。李和平等[53]研究了不同CO2/O2浓度比对B反应活性的影响。结果表明，当CO2浓度为10%时，B的起始反应温度最低，表观活化能最小。

总体而言，温度和压力的升高对B点火燃烧是有利的，但在实际应用中需要综合考虑发动机材料、结构等外界因素的限制。除氧气外，水蒸汽等其他一些气体对B的点火燃烧也有促进作用，但需注意控制在适当的浓度范围。

2.3 添加剂的使用

通过使用添加剂针对性地对B点火燃烧过程中的各种限制因素进行改善，能有效促进B的能量释放[45，54]。依据其作用机理，可将添加剂分为以下几类：(1)放热型，即通过自身反应放热，提高B点火和燃烧的环境温度；(2)氧化型，即通过自身反应释放氧化性气体，参与并促进B的氧化；(3)除膜型，即通过与B2O3发生反应，消除B表面的氧化膜；(4)破膜型，即通过自身反应释放气体，破坏B表面氧化膜结构；(5)催化型，即通过催化作用，提高B氧化反应的速率；(6)改造型，即通过改造优化B的表面结构或形成团簇，重塑并改善B的理化特性。一种添加剂可同时具备多种作用机理。

放热型添加剂的应用十分广泛，其通常是一些热值低于B，但比B点火温度低、反应活性高的材料。包括GAP、HMX、RDX、CL-20等高能燃料，Mg、Al、Ti、Mg-Al合金等活泼金属，LiH、CaH2、TiH2等金属氢化物等[6，55-62]。金属Mg熔、沸点低，具有良好的点火特性。将其与B化合成为MgxBy复合粉，兼顾了点火性能与能量密度，是目前研究的热点之一[60，62]。通过添加Mg-Al合金，不仅能促进B的初次点火，对B一次燃烧产物的二次燃烧过程也有良好的改性作用[57]。在众多金属氢化物中，LiH不仅能产生H2放热，还能转化为LiO2催化B的氧化，因而也具有较好的应用前景[46]。但需要注意金属氢化物的稳定性目前尚存在一定缺陷[63]。

氧化型添加剂的种类虽然不如放热型添加剂丰富，但仍有较多研究。氧化型添加剂的材料主要是一些强氧化剂。具有代表性的包括NH4ClO4(AP)、KNO3(KN)、KClO4(KP)、LiClO4(LP)等[56，64-65]。氧化型添加剂的使用能使B燃烧时可较多地转化成B2O3，从而放出较多的能量，并有效地抑制B与N2化合生成BN[66]。

除膜型添加剂主要包括两类物质。一是LiF及氟橡胶等氟化物，二是固体有机酸等碳水化合物。台湾省中山科学研究院的刘康泰[67]等使用LiF及氟橡胶(VitonA)对B进行包覆，发现LiF和氟橡胶分解生成的HF能够与B2O3发生反应从而消除B表面的氧化膜，如式(10)～式(12)所示。浙江大学的席剑飞等[68]研究了多种固体有机酸对B点火燃烧特性的影响，结果发现草酸作用效果最优。草酸分解产生的H2O能直接与B2O3发生反应，CO2等产物也具有良好的改性效果。此外，HTPB等固体推进剂粘合剂燃烧也能产生大量的水蒸汽和CO2。

2LiF+B2O3→Li2O+2BOF

(10)

HF+B2O3→BOF+HOBO

(11)

6HF+B2O3→2BF3+3H2O

(12)

破膜型添加剂囊括了所有具有气体产物的添加剂。上述的各种高能材料、金属氢化物、氧化剂、氟橡胶、固体有机酸、粘合剂等添加剂无不兼具破模型添加剂的功效。除此之外，梁导伦等[6，55]还研究了C和B4C等燃料对B的改性作用，发现它们燃烧产生的CO2及CO等气体也有助于B2O3氧化膜的破除。

催化型添加剂主要是一些金属氧化物。席剑飞等[69]通过试验研究发现Fe2O3和Bi2O3等多种金属氧化物均能与B2O3混溶，从而提高B的反应速率。结果表明Bi2O3的催化性能最优。

改造型添加剂的应用，通常需要将添加剂与B进行钝化、包覆或团聚(人为的预处理团聚，注意与自然团聚区分)等预处理来重塑B的理化特性[4，70]。美国大西洋研究公司的Macri[71]使用醇对B颗粒表面进行钝化，使B表面生成稳定的硼酸盐包覆层，从而达到阻止杂质与粘合剂反应的目的。包覆使添加剂与B颗粒的接触更紧密，同时能增大B颗粒的比表面积。常用的包覆剂包括金属、氧化剂、粘合剂、氟化物等[54，56，66，72]。图 3为使用AP包覆的B颗粒与两者机械混合样品的扫描电镜对照[56]。

对比可知，包覆处理后AP能均匀地覆盖在B颗粒表面，而机械混合样品中AP散落在B颗粒表面或间隙中。西安近代化工研究所的庞维强等[73]利用干法对B颗粒进行团聚，制得了球形度良好，粒径0.105～0.190 mm的HTPB团聚B。

综上所述，国内外的研究学者对B燃料添加剂进行了大量试验和理论研究，因篇幅所限无法一一罗列。未来，在进一步拓展、加深相关研究工作的同时，还需注重研究成果向工程实际应用的转化。

3 模型与数值计算

实际应用中，B的点火燃烧是在高温、高压、高速状态下进行。受到研究成本和安全性的限制，如此严苛的条件在实验室研究中很难实现。因此，B在实验室中的燃烧环境往往与实际环境存在一定偏差。通过模型与数值计算研究则可很好地规避这些问题，从而建立起实验室研究向工程实际应用转化的桥梁。

3.1 点火燃烧模型

根据建模原理的不同，B的点火燃烧模型研究可分为半经验模型和化学机理模型[14]，两种模型本质上都属于化学动力学模型。

半经验模型是较早发展和广泛研究的一类模型。建模过程需要考虑质量守恒、能量守恒、反应速率三大因素。其中质量守恒和能量守恒取决于反应物种类、比例和外界环境的温度、压力等，其建模过程相对简单。而反应速率的建模较为复杂，首先需要根据B的点火燃烧机理，将其反应分为若干个模块，再分别考虑各个模块的速率控制机理(受扩散或反应动力学控制)，最后还需要分析各模块的影响权重，将其进行耦合。半经验模型的发展与B点火燃烧机理的研究一脉相承，因此通常也将B的点火过程和燃烧过程分开考虑。相对于燃烧过程，点火过程的建模需要同时考虑B2O3的生成和蒸发以及B和O在氧化层中的扩散和反应，因此更为复杂。

1972年，King等[13]率先对B颗粒的点火过程进行了建模分析。模型针对B在干燥空气中的点火，并考虑了颗粒与环境的热交换。随后，King等[16]又对模型进行了改进，加入了H2O对氧化层消除过程的影响，并修正了氧化层蒸发过程的控制机理。King模型认为点火阶段B与O的反应是由O2的扩散主导的。基于这种观点，又发展起来一些相似的数学模型[74-76]。其中美国普渡大学的Meese等[74]通过考虑颗粒间的辐射传热及颗粒间充斥的有限气体等因素，将B点火的单颗粒模型扩展成为颗粒云模型，得到了B颗粒云的总体燃烧速率。

1991年，Li等[18]基于点火阶段B在B2O3中溶解并扩散的观点提出了一种新的点火模型。该模型假设B溶解于B2O3生成的BO能在氧化层中轻易扩散，氧化层表面O2分子与BO的碰撞概率才是控制两者反应速率的主导因素。1996年，随着聚合物(BO)n概念的提出，Yeh等[19]也建立了相应的B点火模型。2001年，Kuo及其同事Ulas等[15]对上述模型进行了完善，补充了含氟气氛对B点火的影响。2010年，德国慕尼黑国防军大学的Hussmann和Pfitzner[77-78]又对该模型进行了扩展，使其能够运用到三维CFD计算中。2014年，敖文等[22]基于(BO)n物质的存在，提出了B点火的双向扩散(Bi-Direction，BD)模型。BD模型包含两个不同的亚模型，亚模型I颗粒结构依次为B-B2O3-(BO)n-B2O3四层，为双向扩散，亚模型II颗粒结构为B-(BO)n-B2O3三层，为(BO)n单向扩散。以上三个模型均为单颗粒模型，并考虑了水蒸汽的影响。

Li[18]、Yeh[19]和Ulas[15]等还分别针对B颗粒燃烧过程进行了建模。两种模型均认为B的燃烧过程主要以B和O2间的反应为主导，而B和H2O的反应是次要的。Li模型同时考虑扩散和反应动力学控制，认为B燃烧时间等于O2分子扩散至颗粒表面所用时间和O2与B反应生成B2O2所用时间之和。Yeh模型进一步依据压力和粒径不同对B燃烧过程控制机理进行划分，提出了Damkohler(Da)数的概念。Da=pd0/75，其中p为压力，d0为B初始粒径。当Da≫1时，说明B颗粒燃烧受扩散控制；Da≪1时，说明B颗粒燃烧受化学动力学控制；若Da接近于1，则B颗粒燃烧同时受扩散和化学动力学控制。Ulas模型在Yeh模型的基础上对H2O、F2和HF气体的影响进行了补充。

化学机理模型起步较晚，但更为基础和本质。它是根据B点火燃烧过程中分子扩散和基元反应的路径来进行建模。通过化学机理模型的计算，能够揭示B点火燃烧过程中各反应物、中间产物及最终生成物浓度随时间的变化。

1991年，美国普林斯顿大学的Yetter等[79]率先提出了一种B/O/H/C体系下的气态均相化学反应模型。模型包含19种化学组分和59个正向和逆向反应。并通过敏感性分析确定了主导反应。在此基础上，他们联合美国重航空器研究公司的Brown等进行了一系列改进和完善工作[80-83]。至1999年， 他们已经将模型的化学组分扩大至36种，反应的种类也从最初的纯气相反应扩展到同时包含392种元素气相反应、75种点火阶段表面反应和6三种燃烧阶段表面反应的复杂多相反应体系(图 4)[83]。

经过40余年的发展，B颗粒点火燃烧半经验模型已经相对成熟。未来的研究重点集中在B颗粒云和考虑推进剂其他组分的多组分模型上。另一方面，由于缺乏相应的实验数据，化学机理模型的多数基元反应的速率常数及活化能只能采取预估的方式获得，实际在模型的预测精度上反而不如半经验模型准确。但化学机理模型能真实反映B点火燃烧过程中各化学组分的变化规律，是半经验模型无法实现的。因此，未来B点火燃烧的模型研究仍应以化学机理模型为发展趋势。

此外，国内在B点火燃烧模型和机理方面的研究成果较为匮乏[14，84]。多数数值计算研究都在沿用国外已有模型的基础上进行[85-86]。未来需要大力补充开展相关的研究工作。

3.2 燃烧流场计算

由于固体火箭冲压发动机的燃气发生室与补燃室分离，含B推进剂的燃烧被分为两个阶段[87]。含B推进剂在燃气发生室的燃烧称为一次燃烧。随后一次燃烧产生的含B燃气通过进气道被喷入补燃室进行二次燃烧[88]。同时，外部压缩空气喷入补燃室，与燃气混合，进行掺混燃烧[89]。B颗粒及含B推进剂的燃烧流场计算主要是针对其在补燃室二次燃烧过程中的掺混燃烧和湍流流动现象进行仿真研究。国外相关研究报道较少，但国内学者已开展了较多的研究工作。

国防科大的胡建新等[43，86]对含B推进剂在固体火箭冲压发动机补燃室中的工作过程进行了细致的研究。他们开发了适用于含B推进剂在补燃室内三维两相湍流燃烧流动数值模拟的计算程序，并重点计算了发动机工作状态及燃气发生器喷管和进气道结构参数对发动机性能的影响。相应地，西北工业大学的许超等[90]则着重研究了补燃室结构对含B推进剂二次燃烧特性的影响。他们首先提出了含B富燃燃气的燃烧模型，进而利用Fluent软件对补燃室内三维反应流场进行了纯气相和两相流数值研究。随后，西北工业大学的冯喜平等[85]基于其搭建的二次燃烧试验装置建立了简化的物理模型。以King模型为点火燃烧模型，并以有限速率/涡耗散模型为气相燃烧模型进行数值模拟，较好地预测了B颗粒在补燃室中的点火距离、流场压力等参数。

受发动机各部分结构和工作状态的影响，B颗粒及含B推进剂在固冲发动机补燃室中燃烧和流动过程十分复杂，试验研究不仅成本高，且安全性难以保证。数值计算无疑是对其进行研究的有力工具。目前，在对仿真过程中化学反应和流动模型及模型参数进行选择时缺乏可靠的理论和试验依据，导致仿真结果难以推广。未来应加强仿真计算与基础理论和实验研究的结合，进一步提高计算精度、扩大适用范围。

4 存在问题及发展方向

通过以上分析可知，现阶段B颗粒点火燃烧特性研究主要存在以下问题：

(1)B颗粒点火燃烧过程基元反应路径及质能扩散迁移规律尚不明确；

(2)B颗粒在高温高压或低氧浓度等特殊环境条件下的点火燃烧机理研究不足；

(3)有效抑制纳米和亚微米B团聚现象的预处理技术有待开发；

(4)B颗粒在冲压发动机中点火燃烧的温度、压力上限待突破；

(5)B改性添加剂实际应用的转化技术开发需加强；

(6)B点火燃烧半经验模型需向颗粒云及多组分模型进行推广；

(7)化学机理模型的发展还缺乏大量基元反应速率常数等方面的实验数据依据；

(8)仿真计算研究与基础理论和实验研究的结合有待加强。

除上述问题需要解决外，B颗粒点火燃烧特性研究还有一些新兴的研究方向，主要包括：

(1)团聚(预处理)或包覆B的点火燃烧机理；

(2)B颗粒表面氧化层生成与演化机理；

(3)纳米团簇、高氢复合等适用于纳米B颗粒的预处理技术；

(4)纳米硝化纤维、金属、合金及金属氧化物等纳米添加剂对B颗粒的改性技术；

(5)B颗粒云及含B燃气多相流与动态点火燃烧特性及反应动力学理论；

(6)含B燃料一次燃烧产物特性及其二次燃烧性能等。

5 结束语

综述了B颗粒点火燃烧特性研究进展，包括B颗粒点火燃烧机理、影响因素及促进方法、模型与数值计算三方面。半个世纪以来，人们已经逐渐建立起常规条件下B点火燃烧机理的认知体系，明确了选取固体推进剂中B燃料的基本原则，掌握了环境因素对B点火燃烧的基本影响规律，并能够通过适用不同类型的添加剂改善B的点火燃烧特性。此外，还从两种不同角度建立了B点火燃烧模型，并将模型应用到B颗粒及含B推进剂在补燃室燃烧、流场的数值计算中。

通过总结目前研究中存在的问题并梳理未来研究方向，可以发现为充分掌握B的能量释放特性，充分释放B的氧化热能并将其转化为航天推进动力还需要进行大量的研究工作。希望本综述工作能为相关领域研究学者的工作和学习提供参考。随着固体火箭冲压发动机技术乃至航天推进技术的迅速发展，B燃料的应用前景将愈加广泛。相关研究工作成果将会为人类航天事业的发展发挥更大的价值。

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Reviewonignitionandcombustioncharacteristicsofboronparticles

LIU Jian-zhong，LIANG Dao-lun，ZHOU Yu-nan，ZHOU Jun-hu

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Boron(B)has high gravimetric and volumetric calorific values,which brings significant energy advantage for its use as a metal fuel.The exhaustive releasing of the high density energy in B particles becomes the key issue during its application and promotion.On the basis of the related research results,the main process and mechanism of B ignition and combustion were introduced.The influence factors and promotion methods on the ignition and combustion characteristics of B particles were analyzed as well.In addition,the research progress on B ignition and combustion models were discussed with relevant numerical calculations.After summarizing the existing problems and shortcomings in the reported results,the perspectives in further works were also proposed.

boron particles；ignition and combustion；promotion method；model；boron-based propellant；ramjet engine

V512

A

1006-2793(2017)05-0573-10

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.05.007

(编辑：吕耀辉)