不同粘合剂改性硼基粉末燃料点火燃烧特性

2021-09-08杨建刚胡春波张力锋魏晓琳

固体火箭技术 2021年4期

邓哲，杨建刚，胡春波，张力锋，李超，魏晓琳

(1.西安近代化学研究所，西安 710065；2.西北工业大学燃烧、热结构和内流场重点实验室，西安 710072；3.陆装驻西安地区第七军代室，西安 710065；4.西安交通大学化学工程与技术学院，西安 710049；5.山西北方兴安化学工业有限公司，太原 030038)

0 引言

粉末燃料冲压发动机是以高能金属或硼等粉末为燃料，以冲压空气为氧化剂和工质的一类新型冲压发动机[1]。粉末燃料在流化气作用下，以气固两相形式流动，因此具有较强的流率调控性，使粉末燃料冲压发动机具备多次启动和推力调节功能。

在众多粉末燃料中，硼由于自身较高的能量特性以及两相流损失小等优异性能，被认为是具有很大应用潜力的粉末燃料[2]。目前，粉末冲压发动机的研制中已经突破了气压驱动式供粉技术、发动机多次点火技术、发动机时序控制技术，并实现了推力调节功能[3]。但还存在燃烧效率不高、燃烧组织方案有待优化等问题[3-4]。分析原因，主要是由于硼点火燃烧过程中存在点火性能较差和燃烧效率较低两大难题。虽然通过采用小粒径的无定型硼粉有利于点火延迟时间的缩短和燃烧效率的提高，但对粉末燃料冲压发动机来说，使用小粒径的硼粉会降低颗粒堆积密度[5-6]，不利于发动机能量性能的提升。因此，不同于传统的硼颗粒改性[7-20]，硼基粉末燃料改性需要同时兼顾粉末燃料的储存输运性能和点火燃烧性能。

1 实验

1.1 原料及样品制备

首先，使用GAP对硼粉进行包覆团聚处理。研究中，使用的硼粉是辽滨化工生产的纯度为96%的无定型硼粉。由于粘合剂含量越多，硼颗粒包覆团聚效果越好，获得的颗粒形状越规则，对提升硼颗粒的堆积密度与流化输送性能越有利。但粘合剂含量太高会带来比冲降低的问题，因而粘合剂的用量必须有一定的范围限制。为此，本文分别使用质量分数5%、10%、18%和30%的GAP对硼粉进行预处理。作为对比，采用HTPB对硼粉进行包覆团聚，具体工况参数如表1所示。采用较为常用的重结晶法对硼基粉末燃料进行包覆处理，并采用挤出滚圆法对包覆后的颗粒进行团聚。具体步骤如下：利用选定的有机溶剂及添加剂按一定配比配制溶液溶解粘合剂；按一定配比称量硼粉；将硼粉加入到配置好的溶液中搅拌使其分散均匀；放入带有加热器的搅拌器中持续搅拌；待溶液蒸发至一定程度，得到的膏体状的粉末燃料，利用挤出滚圆法对其进行团聚造粒；对得到的粉末燃料颗粒进行固化干燥处理，然后用不同目数的筛分网进行筛分，分选出不同粒径范围的团聚处理后的粉末燃料颗粒。采用GAP预处理的各样本宏观形貌与微观形貌分别如图1所示。

表1 不同硼基粉末燃料样本配方

由图1可知，1#包覆团聚硼粉的宏观形貌与微观形貌和纯硼粉类似，说明5%含量的GAP并不能将硼粉完全包覆，导致1#样品的粒径很小，形状十分不规则，粘聚现象明显。2#样品和3#样品的宏观形貌和微观形貌类似，颗粒形状也不规则，颗粒之间具有一定的粘聚性。4#样品的颗粒粒径较大，流化性能好，形状较规则。

HTPB包覆团聚硼粉的宏观形貌与微观形貌分别如图2所示(5#样本)。点火燃烧实验研究中，考虑到1#样本粘合剂含量太低，导致硼颗粒并不能完全包覆，因此只针对2#～5#样本开展研究。研究中，为保证激光点火实验结果的可靠性，每个样品均进行多次重复实验，在进行点火延迟时间和燃烧时间的定量分析时，也选择重复性较好的实验结果进行统计分析。

(a)Sample 1# (b)Sample 2#

(c)Sample 3# (d)Sample 4#

图2 采用HTPB预处理的样本宏观形貌与微观形貌

1.2 燃烧性能测试

1.2.1 实验装置

基于光纤光谱仪测量技术，对硼基粉末燃料的点火燃烧性能进行实验研究。实验装置如图3所示，由密闭燃烧器、点火模块、采集模块、触发模块、气压控制模块等部分组成。燃烧器开设两扇石英玻璃窗，同时进行光谱和高速摄影图像采集。实验时，统一称取20 mg试样均匀搅拌，置于圆柱形Al2O3坩埚中。

点火模块采用功率为150 W的CO2激光点火器加热颗粒样品，激光光斑的能量经过锗玻璃凸镜聚焦后调节为480～510 W/cm2。采集模块使用型号Avaspec-2048的AVANTES光纤光谱仪，采集样本燃烧过程中的可见光光谱，光谱仪最小采集时间间隔为1.05 ms，并使用M340高速摄像机拍摄燃烧现象。实验中，通过触发模块实现激光点火器、光谱仪和高速摄像机同时触发。研究中，实验压强均保持0.1 MPa。

图3 CO2激光点火-光纤光谱诊断实验装置示意图

1.2.2 数据分析方法

事实上，由于硼基粉末燃料中添加了粘结剂，而粘结剂属于易燃组分，在相同条件下，其点火性能要优于硼。因此，在进行点火实验时，这类物质会先于硼粉被点燃，其燃烧产生的火焰会对硼的气相火焰产生干扰，导致使用高速相机的分析方法难以准确判断硼的真正点火时刻。因此，将通过光谱仪采集光谱信号来判断硼的点火延迟时间。高速摄影则用于记录硼基粉末燃料的点火燃烧过程和火焰形貌等。硼颗粒作为硼基粉末燃料的主要组成物质，硼基粉末燃料的点火燃烧性能主要由硼来决定。硼在点火和燃烧过程中均会生成气相产物BO2，由于该物质的发射光谱非常强，且发光颜色为绿色，因此可采用光谱仪监测该物质的光谱信号出现时间来判断点火延迟时间与燃烧时间。由于BO2是气相产物，所以其发射光谱是不连续的，表2给出了BO2光谱信号的特征波长[21]。

一是顶层设计，寻求整合的体制支持。在体制机制的层面，着力解决以下问题：让制度有保障。目前体制和机制下，文化礼堂、成校归口不同部门，平时虽有联系，有互动，但停留在“接触性”而非“整合性”的层面，组织化程度不高。虽然，成校校长、教师和村居文化礼堂的管理部门彼此之间也在进行互动和联系，但这种接触性的努力，更多的还是依靠个人人脉、人情。这种非制度性的模式，往往是不可靠和不可持续的，要发挥政府“自上而下”的顶层设计与制度保障，以实现资源的整合与统筹管理。

表2 BO2光谱信号的特征波长

研究中，点火延迟时间的定义为激光器启动时刻到光谱仪接收到BO2光谱信号的时间。当光谱仪不再接收到BO2光谱信号，或者高速相机不再记录到明显火焰，则认为硼颗粒燃烧过程结束，这一区间认为是燃烧时间。这里的燃烧时间与文献[12]中单颗粒硼燃烧时间的物理意义存在一定差异，此处硼颗粒的燃烧是颗粒群的燃烧，而且通常实验工况中颗粒群处于贫氧条件。因此，文中定义的燃烧时间本质上描述的是硼颗粒自维持燃烧的时间。

2 实验结果分析

通过对比2#GAP团聚硼粉与5#HTPB团聚硼粉的点火燃烧试验结果，来研究粘结剂类型对硼基粉末燃料点火燃烧性能的影响。实验所用两种硼基粉末燃料样本的粒径范围均在80～90 μm范围内。以下选取两组样本的典型实验结果进行分析，图4给出了两组典型工况的硼基粉末燃料点火燃烧过程光谱图。

实验结果表明，激光点火触发后110.5 ms，GAP团聚硼粉的光谱曲线即出现明显的五指峰状BO2光谱信号，直到251.1 ms，光谱强度达到最大，如图4(a)所示。相比之下，HTPB团聚硼粉直至t=1230.1 ms时刻才出现BO2特征光谱信号，到1680.3 ms时，光谱强度达到最大，如图4(b)所示。这说明相比于HTPB，GAP对硼的点火提升作用非常明显。这是由于GAP的分解产物包含大量的H2(约32%)[22]，继而会生成大量H2O蒸汽，而H2O蒸汽对硼的点火有明显的促进作用。与此同时，GAP分解过程产生的叠氮化物会具有正的生成焓和独立燃烧的特点，从而有助于硼粉温度的快速提升，加速了硼的点火燃烧过程。

(a)10% GAP (b)10% HTPB

图5和图6分别给出了GAP与HTPB团聚硼粉的点火燃烧过程高速摄影拍摄结果。其中，(a)为样本发出明显光亮时刻的图像，认为此时样本点火成功；(b)为样本燃烧过程录像截图。

从图5和图6的对比中也能明显看出，GAP团聚硼粉的火焰较大，燃烧强度很高，火焰中能够明显观察到BO2的绿色火焰分布在火焰外层，而HTPB团聚硼粉中硼的燃烧强度较为微弱，绿色火焰信号不明显。

图7给出了不同粘结剂类型下硼基粉末燃料平均点火延迟时间的统计结果，其中10% GAP团聚硼颗粒的平均点火延迟时间为100.7 ms，远低于10% HTPB团聚的硼粉样本。可见，相比于HTPB预处理，GAP对硼的点火过程提升非常明显。

(a)Ignition moment (b)Combustion process

图7 不同粘结剂类型下硼基粉末燃料点火延迟时间

通过2#、3#、4#GAP含量10%、18%和30%的团聚硼粉样本，来研究粘结剂含量对硼基粉末燃料点火燃烧性能的影响。研究中，所用硼基粉末燃料的粒径范围依然在80～90 μm范围内。以下对各组样本的典型实验结果进行分析，图8为18%和30% GAP含量硼基粉末燃料的点火时刻与燃烧时刻光谱。从图8中可看出，两个样品的点火延迟时间分别为80.9 ms与47.2 ms。结合10% GAP含量的粉末燃料样本实验结果可知，硼基粉末燃料的点火时间随着GAP含量的增加而减小。这是因为GAP含量越多，在激光加热条件下的分解放热也越多，样本内硼颗粒的升温速率更快，硼表面的氧化膜蒸发速率也越快。因此，硼的点火延迟时间越短。从图4(a)、图8中光谱信号的强度对比还可看出，随着GAP含量的增加，硼基粉末燃料燃烧过程的强度也越大。

图9和图10分别为18% GAP、30% GAP含量团聚硼点火成功时刻和燃烧时刻的图像。

(a)18% GAP pretreatment boron powder (b)30% GAP pretreatment boron powder

(a)Ignition moment (b)Combustion process

结合图5中10%GAP含量团聚硼的点火成功时刻和燃烧时刻图像，由图9和图10可看出，三者所表现出来的点火燃烧现象基本一致，即都表现出较大的火焰和很高的燃烧强度，并且火焰中能够明显观察到BO2的绿色火焰，而30% GAP含量团聚硼的火焰分布区域则更大，这主要是由于点火成功后GAP热解产生的大量燃气会导致硼颗粒分布在更大的空间范围内。与10%和18% GAP含量样本堆积在坩埚内完成燃烧过程不同，此时30% GAP含量样本颗粒在空间的离散情况更好，分散在空间内的硼颗粒与氧气有着更好的接触，因而能够在更短的时间内快速燃尽。

图11为不同GAP粘结剂含量下硼基粉末燃料点火延迟时间和自持燃烧时间的统计结果。可见，随着GAP含量由10%提升到30%，硼基粉末燃料的平均点火延迟时间由100.7 ms缩短至45.1 ms。