基于含硼推进剂的微推进器燃烧特性及推进性能

李和平，席剑飞，罗淋旺，赵文敬，梁导伦，刘建忠

(1. 浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027；2. 南京师范大学 能源与机械工程学院，南京 210042；3. 杭州电子科技大学 能源研究所，杭州 310018)

0 引言

随着航天领域的卫星朝着体积更小、质量更轻的微卫星方向发展，结构简单、小体积、轻质量、易于集成的微推进器迎来良好的发展机遇。微卫星在运行过程中需要很小很精确的推力来完成轨道位置的保持或者更变，而传统的推进器因质量和体积较大，无法满足微卫星的要求，这就使得推进器必须朝着微型化方向发展。基于MEMS技术，可将化学推进器做的更小更轻，以便安装在微卫星上，在航天领域具有广泛的发展前景[1]。相比于传统推进器，微推进器的比表面积大，热损失大；燃烧室尺寸小，使燃料的停留时间减小；表面力、粘性力、摩擦力等微通道效应也显著增加，这使得燃料的燃烧效率低于传统燃烧室[2-3]。选用高热值的燃料是提升微推进器性能的关键[4]。固体燃料与气体、液体燃料相比，不需要泵、阀等复杂的系统，且不存在泄露等问题，结构较紧凑，利于整个系统的整合，特别适用于微推进器[5-8]。相比于传统的镁、铝、合金等金属燃料，硼的比体积和比质量的热值较高[9-10]，且硼燃料在燃烧过程中产物较为洁净，受到国内外学者的广泛关注。但硼点火燃烧性能差，因其表面覆盖的B2O3氧化膜需要很高的温度才能蒸发，阻碍了外界氧化剂与硼颗粒的接触和反应，导致硼的点火延迟时间长、燃烧效率低等问题[11-12]。国内有不少学者对硼的点火燃烧特性进行了研究[13-15]，但对含硼推进剂的推力测试还缺乏较全面的研究[6]。

本文在自行搭建的激光点火测试实验台上，进行不同含硼推进剂(B/AP、B/KNO3、B/AP/HTPB)在不同内径(2～6 mm)微燃烧室中的燃烧实验，研究对比各工况下微推进器的点火燃烧特性和推进性能，以期为现有微推进器的能量和性能提升提供可供选择的推进剂配方。

1 实验

1.1 实验设备

激光点火测试实验台主要由点火模块、燃烧诊断模块、推力测试模块和燃烧器模块构成，如图1所示。

点火模块主要控制点火的功率和时间，由功率为50～150 W的CO2激光发生器构成。试验时，点火功率设置为150 W，激光通过反射镜射入微燃烧室，当管口的燃料被点燃后，关闭激光器。

燃烧诊断模块主要由高速摄影仪、高速测温仪、光纤光谱仪构成，记录样品在微燃烧室中的火焰形貌、火焰温度、产物光谱的变化。其中，高速摄影仪的频率为200 Hz，最大拍摄张数为1500张，图片分辨率为2320×863。高速测温仪的温度测量范围为350～3000 ℃，频率设置为1000 Hz。将测温仪探头焦点对微燃烧室管口处，测量燃烧过程中管口火焰的温度。光纤光谱仪的可测量波长范围为200～1100 μm，频率为125 Hz。光谱仪具有外部触发功能，可实现与激光器同步，通过观测光谱产生的时刻，得到点火延迟时间。如图2所示，光谱开始有变化的时刻，即为样品被点燃时刻(前一张输出为杂波，后一张输出有变化)。样品c6的相关参数见表1。光谱强度表示燃烧的剧烈程度。

配方推进剂组分组分质量比在不同内径微推进器中的样品编号2．00mm2．76mm4．02mm4．92mm5．90mm配方aB/AP4/6a2a3a4a5a6配方bB/KNO34/6b2b3b4b5b6配方cB/AP/HTPB3．6/5．4/1c2c3c4c5c6

推力测试模块主要由压力传感器、MPS-010602采集卡、多功能信号记录仪软件、外接电源等构成，可实时记录微推进器产生的推力。其中，压力传感器用于检测微推进器产生的推力，量程为0～30 g，频率设置为500 Hz。采集卡将压力传感器产生的电信号传输到计算机，再通过多功能信号记录仪软件转换为模拟信号。外接电源为推力测试模块提供电源，外接电源电压为-12～12 V。

燃烧器模块由装填了含硼推进剂的微燃烧室构成，微燃烧室采用耐高温的石英玻璃制成便于观察。试验时将装有配方的燃烧器固定在压力传感器上，激光点燃配方从而产生推力。

1.2 实验配方

燃料：无定形硼[13](B)，粒径5 μm，纯度95%，为棕色粉末。

氧化剂：高氯酸铵(AP)，纯度99%，白色晶体；硝酸钾(KNO3)，纯度99%，白色粉末。

粘合剂：端羟基聚丁二烯(HTPB)，透明粘性液体，具有较好的固化、耐储存、耐老化性能[17]。

含硼推进剂配方[18-21]、样品的编号如表1所示。其中，装药长度为30 mm，配方a和配方b的平均密度分别为935、949 kg/m3，且不同管径之间的密度差别不大，可认为密度是相同的，对实验结果的影响不大[22]。配方c由于添加了粘合剂，平均密度高于其他配方，为1195 kg/m3，但不同管径之间的密度差别不大，可认为不同管径微燃烧室内的药柱密度是一致的。

1.3 数据处理方法

1.3.1 燃速计算

燃速是评价推进剂性能的重要指标，反映了燃烧的速度。定义为燃面随时间的移动速度，等于药柱长度/燃烧时间。

由于高速摄影仪的拍摄时间有限，如果燃烧时间大于高速摄影仪拍摄的上限时间，则需要改进燃速计算方法。通过GetData图像处理软件，得到时刻t1～t2燃面移动的图示距离和药柱的图示长度分别是(c-a)和(f-d)，如图3所示。

药柱实际长度用L表示，则燃速公式为

V={[(c-a)/(f-d)]L}/(t2-t1)

(1)

1.3.2 推力数据处理

1.3.2.1 压力传感器标定

压力传感器输出数值和推力之间的关系需要通过标定得到。将已知重量的标定物置于传感器上，记录下输出值的平均值，重复标定5次，用Excel软件进行线性拟合，得到如图4的曲线图，线性度较好，其关系式为

y=0.114x+0.020 8

(2)

式中y为标定物的重量；x为压力传感器的输出值。

Fig.4Relationshipbetweenthemassofthecalibratedobjectandtheoutputvalueofthepressuresensor

1.3.2.2 推力和比推力

图5所示为各样品燃烧过程中压力传感器的输出数值，发现压力传感器在燃烧开始前和燃烧结束后都有一段稳定的输出值，且燃烧后的输出值小于燃烧前的输出值。这是因为样品中的推进剂逐渐被点燃，样品的质量不断减小。这里认为样品匀速地被消耗，即样品自身重量的输出值匀速减小。样品c2、c3、c4燃烧时出现爆鸣现象，产生的推力大于压力传感器的最大量程，损坏了传感器，故只给出了样品c5、c6的输出结果。

在已知燃烧时间t的情况下，某一时刻推力为

y=ax+b，y1=ax1+b

(3)

F(x)=y-y1=a(x-x1)

(4)

x1=x0-[(x0-xn)/T](tx-tx0)

(5)

式中y为压力传感器受到的总压力；y1为样品自身重量作用于压力传感器的压力；x为对应时刻压力传感器输出数值；x1为样品自身重量的输出数值，F(x)为样品产生的推力；a、b均为压力传感器的标定系数；x0为燃烧前样品自身重量作用于压力传感器的输出数值；xn为样品燃烧结束后自身重量作用的输出数值；T为燃烧时间；tx为该时刻的时间；tx0为开始燃烧时刻的时间。

比推力，即单位质量样品产生的推力，为燃烧过程的平均推力与装药质量的比值:

Fm=F/M

(6)

式中Fm为比推力；F为燃烧过程的平均推力；M为装药质量。

1.3.2.3 推力方差

推力方差可反映燃烧过程产生推力的稳定情况，计算式为

D(f)=[(F(x0)-F)2+(F(x1)-F)2+…+(F(xn)-F)2]/n

(7)

式中D(f)为推力方差；F(x0)为燃烧开始时的推力值；F(xn)为燃烧结束时的推力值；F为推力平均值；n为推力数据个数。

1.3.2.4 总冲量和比冲量

经典力学中，冲量为

I=Ft

(8)

样品燃烧过程产生的总冲量为

I=[0.5(F(x0)+F(x1))t1]+[0.5(F(x1)+

F(x2))t2]+…+[0.5(F(xn1)+F(xn))tn]

(9)

t1=t2=…=tn=t

(10)

式中I为总冲量；F(x0)为t0时刻的推力；F(xn)为tn时刻的推力；t为两个推力的间隔时间。

比冲量是用来衡量燃料能量效率的标准，定义为单位质量燃料产生的冲量，计算式为

Im=I/M

(11)

式中Im为比冲量；I为总冲量；M为装药质量。

2 实验结果

2.1 燃速结果分析

燃速随配方、管径的变化曲线如图6所示。相同管径时，样品b(KNO3作为氧化剂)的燃速远大于样品a(AP作为氧化剂)的燃速；样品c的燃速小于样品a的，这是由于粘合剂的添加使样品具有一定的强度，使未燃燃料不会随高温高压气流喷出，从而降低了燃速。

相同样品的燃速随着燃烧室内径的增大而减小，当内径增大到一定值，燃速的变化不再明显。这是因为流体具有粘性，气体与燃烧室内壁存在摩擦力边界层。当燃烧室内径变小时，摩擦力边界层对喷出气体的影响变大，导致总摩擦力变大，使得气体无法及时喷出，大量气体积压在燃烧室内，燃烧室压强增大。压强越大，燃速越大，符合维耶里公式：

v=apn(0

(12)

式中v为燃速；a为燃速系数；p为压强。

当燃烧室内径变大，燃烧室压强变化减小，且趋于稳定，导致燃速减小，并趋于稳定。从热损失方面分析，当管径减小时，燃烧室内壁面积与燃烧体积的比值变大，导致热损失增加，从而减小燃速。但实际上燃速随着燃烧室内径的减小而增大，说明燃烧室内压强对燃速的影响起主导作用。

2.2 温度结果分析

由图7可知，相同管径时，燃烧室的平均温度关系为配方b>配方a>配方c，与燃速的关系是一致的。说明燃烧过程中平均温度越高，产生的热量可更充分地预热未燃烧的燃料，从而提高燃速。更快的燃速会在单位时间内产生更多热量，从而提高平均燃烧温度。说明燃速和燃烧平均温度是相互促进的关系。

2.3 光谱数据结果

2.3.1 点火延迟时间

配方a与配方c的点火延迟时间曲线如图8所示。管径相同时，配方c的点火延迟时间高于配方a，说明添加粘合剂以后，配方点燃需要更高的点火能。

配方相同，点火延迟时间随着管径的减小而增大，这就说明燃烧室内径越小，需要的点火能也就越高。因为管径越小，比表面积越大，散热损失越大，因此需要更高的能量实现点火。

2.3.2 特征光谱强度

由图9可知，相同内径样品a的光谱强度大于样品c，与温度的关系是一致的。说明样品a的燃烧过程较为剧烈。相同配方在不同管径微燃烧室中的光谱强度，随着管径的增大而增大。因为管径越小，热损失越严重，燃烧剧烈程度降低。

2.4 推力

2.4.1 平均推力

由图10可知，管径相同时，配方b的平均推力均大于其他样品，最大平均推力为0.028 56 N。这是因为样品b的燃速快，在单位时间内可产生更多的气体，因此可产生更大的推力。

相同样品的平均推力随燃烧室内径的增大，呈现先增大、后减小的趋势。说明不同含硼推进剂配方存在一个最佳内径，在该内径下，可产生最大平均推力值，样品a为4.92 mm，样品b为2.76 mm。因管径越大，装药量越多，单位长度样品的燃烧产物越多，对推力起增大作用。但同时管径越大，燃速越小(见2.1)，反而不利于推力的增加。可见，平均推力随管径的变化是上述两种因素共同作用的结果。因此，存在一个最佳管径。

2.4.2 推力稳定性

如图11所示，配方a、配方b、配方c燃烧过程的推力方差。可见，相同管径时，配方a普遍比配方b的推力方差要小。这是由于配方b燃烧过程更剧烈，导致燃烧过程不是很稳定。在燃烧室内径较大时，对比配方a、配方c可看出，配方c燃烧过程的方差最小，说明添加粘合剂后，含硼推进剂的燃烧过程更稳定。

2.4.3 比推力

如图12所示，管径相同时，比推力的关系为配方b>配方a>配方c。这是因为相同内径燃烧室中配方b的平均推力最大，其次为配方a，配方c的平均推力最小。

相同配方，比推力随着燃烧室内径的增大，呈现先增大、后减小的趋势。而平均推力随燃烧室内径的增大也是先增大、后减小，但装药质量随着燃烧室内径的增大而增大，说明平均推力的大小对比推力的大小起主导作用。

2.4.4 冲量

如图13所示，相同管径时配方a的冲量均高于其他样品(除配方c6外)。这是由于配方a燃烧过程产生的推力较大，且作用时间长。配方b虽然产生的推力大，但作用时间过短，导致冲量偏小。配方c虽然作用时间长，但推力太小，也导致冲量偏小。

配方a和配方b的冲量随燃烧室内径的增大，呈先增大、后减小的趋势。样品c由于数据有限，无法判断趋势。由于冲量是由推力和推力作用时间共同决定。通过对比燃速随燃烧室内径的变化及平均推力随燃烧室内径的变化，可看出冲量的变化趋势与平均推力的变化趋势是一样的，说明平均推力的变化对冲量的影响起主导作用。

2.4.5 比冲量

比冲量和配方、燃烧室内径的关系如图14所示。相同管径时配方a的比冲量均大于其他配方(除配方c6以外)。因为相同管径时，配方a的冲量均大于配方b的，所以配方a的比冲量也大于配方b的。

3 结论

(1)实验结果显示，三种含硼推进剂配方并无很明显的优劣性，不同的配方有不同的特点。配方B/KNO3的燃速快，平均推力、比推力大，在内径为2.76 mm燃烧室中，平均推力达到0.028 56 N。配方B/AP的推力作用时间长，冲量、比冲量大，在内径为4.92 mm的燃烧器中，最大冲量为0.042 28 N·s。配方B/AP/HTPB燃烧时间最长，最稳定。配方中添加粘合剂虽不能提高配方的推力、冲量等特性，但可明显减小燃速，增加燃料的强度、燃烧时间，改善燃烧特性。

(2)不同配方的点火燃烧特性和推进性能均和燃烧室内径有关，在本文研究工况范围内，均随管径的增大呈先增大、后减小趋势。所以，对于推力、比推力、冲量、比冲量，会有一个最佳内径。配方B/AP的推力最佳管径为4.02 mm，比推力最佳管径为2 mm，冲量最佳管径为4.92 mm，比冲量最佳管径为2 mm；配方B/KNO3的推力、比推力、冲量、比冲量最佳管径均为2.76 mm。配方B/AP可根据不同的实际需要选择燃烧室的内径，而配方B/KNO3各个燃烧性能的最佳管径均为2.76 mm。

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