汝承博, 王 飛, 許建兵, 代 驥, 沈 云, 葉迎華, 朱 朋, 沈瑞琪

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

隨著微納衛(wèi)星的迅猛發(fā)展,用于完成姿態(tài)控制、重力補償?shù)染_空間任務(wù)的固體化學(xué)微推進器成為研究熱點。固體化學(xué)微推進器的工作原理是基于貯存在微燃燒室內(nèi)推進劑的燃燒。與傳統(tǒng)的固體火箭發(fā)動機不同的是,微尺度效應(yīng)下,熱損失和不完全燃燒容易導(dǎo)致推進劑在微燃燒室內(nèi)猝熄。

比沖Isp是評價推進劑優(yōu)劣的一項重要指標(biāo),與推進劑的燃燒生成熱的關(guān)系[1]為

(1)

式中,ηth理論燃燒熱效率;H為推進劑的燃燒熱。理論比沖值與氣相產(chǎn)物的平均相對分子質(zhì)量Wg和氣體產(chǎn)物的最高溫度Tmax的關(guān)系[1]為:

(2)

從上述公式可以看出,提高復(fù)合推進劑的反應(yīng)熱和降低氣態(tài)產(chǎn)物的相對分子量是提高比沖值的有效途徑。

在前期的研究中,固體化學(xué)微推進器裝藥主要使用了傳統(tǒng)的復(fù)合推進劑如端羥基聚丁二烯/高氯酸銨(HTPB/AP)[2]、聚疊氮縮水甘油醚/高氯酸銨(GAP/AP)[3-4],起爆藥如斯蒂芬酸鉛(LTNR)[5-6],點火藥如黑火藥[7]、鋯/高氯酸鉀(ZPP)[4],實驗比沖值均低于196 m·s-1。為了提高裝藥的比沖值,C. Staley[8-10]、S. Apperson[11-12]、I. Puchades[13]分別使用機械混合的Al/CuO、Al/Bi2O3等高燃燒熱的納米鋁熱劑,同時使用含能粘結(jié)劑硝化棉(NC)作為添加劑進一步提高其推進性能,測得最大實驗比沖值為60 s(588 m·s-1)。S. Fut′k[1, 14]通過推進劑的熱力學(xué)參數(shù)計算對其推進性能進行理論預(yù)測,發(fā)現(xiàn)GAP/AP中加入不高于20%的黑索金(RDX)時,可以提高推進劑的燃燒熱和降低燃燒產(chǎn)物的平均相對分子質(zhì)量,進而提高其比沖。H. Wang[15-18]使用T-jump和密閉爆發(fā)器裝置測試了靜電噴射混合組裝的Al/CuO/NC微米顆粒的燃燒性能,實驗表明相對于機械混合的鋁熱劑,靜電噴射組裝的微米顆粒點火延遲時間短、壓力上升速率高,表現(xiàn)出更好的燃燒性能。R. Jacobe[19]使用靜電噴射制備由納米鋁粉和硝化棉組成的微米量級鋁粉顆粒,并在火焰燃燒器中對比組裝微米鋁粉顆粒與納米鋁粉顆粒的燃燒性能,實驗發(fā)現(xiàn)在組裝微米顆粒中,硝化棉低溫時分解成小分子氣體產(chǎn)物可以有效地防止納米鋁粉團聚,降低燃燒反應(yīng)時間。G. Young[20]發(fā)現(xiàn),組裝微米鋁粉顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)微米鋁粉可以將AP/HTPB/Al復(fù)合推進劑的燃速提高35%,并且可以減少推進劑燃燒過程中表面顆粒的團聚。

本研究使用靜電噴射技術(shù)制備了納米Al/CuO固體推進劑,并加入了NC和聚偏二氟乙烯(PVDF)作為粘結(jié)劑,以期增加反應(yīng)體系的燃燒熱,提高比沖值。對納米鋁熱劑的推進性能分別進行了理論計算和實驗測試,并與相同條件下機械混合納米鋁熱劑的推進性能進行了比較。

2 實驗部分

2.1 材料

納米鋁粉(nAl),標(biāo)稱粒徑為100 nm,皓田納米科技有限公司; 納米氧化銅(nCuO),標(biāo)稱粒徑為40 nm,皓田納米科技有限公司; PVDF,相對分子量為534000,Sigma-Aldrich Co.; NC,含氮量為12.5%。

2.2 納米鋁粉有效含量測試

納米鋁粉顆粒的外殼是由厚度為3～5 nm的氧化鋁層組成,氧化鋁在燃燒過程中不參與化學(xué)反應(yīng),屬于無效成分。氧化鋁的含量無法準(zhǔn)確預(yù)測或計算,因此實驗采用熱重分析(TG)確定納米鋁粉的有效含量。TG測試的升溫速率為10 K·min-1,氧氣氣氛,氣體流量為20.0 mL·min-1,溫度范圍為30～900 ℃,并在900 ℃時保溫10 min,保證鋁與氧氣完全反應(yīng)。納米鋁粉的TG曲線如圖1所示,在升溫初始階段,樣品質(zhì)量有略微下降,這是由于氧化鋁鈍化層中含有約3%的吸附水[21],隨后隨著活性鋁與氧氣反應(yīng),質(zhì)量不斷增加。按照化學(xué)反應(yīng)方程式,經(jīng)三次平行試驗,測得鋁粉的平均有效含量為68.2%。

圖1 納米鋁粉的TG曲線

Fig.1 Thermogravity curve of nano-Al

納米鋁熱劑的性能與其燃料/氧化劑配比密切相關(guān),常用的評估參數(shù)為平衡配比φ:

(3)

式中,(F/O)a為實際燃料與氧化劑的質(zhì)量比; (F/O)s為燃料與氧化劑的化學(xué)計量平衡比。當(dāng)φ<1時,氧化劑過量,為正氧平衡; 當(dāng)φ>1時,燃料過量,為負(fù)氧平衡; 當(dāng)φ=1時,為零氧平衡,即為化學(xué)計量平衡比。由于氧化鋁鈍化層的存在,納米鋁熱劑的化學(xué)計量比對應(yīng)的配比要大于1.0。

2.3 機械混合制備納米鋁熱劑

按照表1所示推進劑配方,稱取一定量的粘結(jié)劑,NC溶于乙醇/乙醚混合溶劑(體積比為3∶1),PVDF溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。在粘結(jié)劑溶液中加入納米鋁粉和納米氧化銅顆粒,超聲分散40 min,然后磁力攪拌24 h。將混合均勻的前驅(qū)液置于烘箱中,待溶劑完全揮發(fā),即為機械混合的納米鋁熱劑。

2.4 靜電噴射混合納米鋁熱劑

靜電噴射是利用電場對液滴形變而產(chǎn)生射流的過程。當(dāng)對儲存在毛細(xì)管內(nèi)的液體施加一定電壓時,噴口處的液滴會因為電荷在表面聚集而變形,由半圓形拉長為圓錐狀,即為泰勒錐,繼而從噴口噴出射流。射流在電荷相互排斥力的作用下分散形成微小液滴,液滴的粒徑分布為幾百納米到幾百微米。微小液滴在靜電場的作用下,飛向?qū)щ娀?。在飛行的過程中,液滴中的溶劑不斷揮發(fā),到達基底時,溶劑基本完全揮發(fā)。靜電噴射裝置,主要包括三部分,噴口、直流高壓電源及流速控制系統(tǒng),如圖2所示。將前驅(qū)液轉(zhuǎn)移至注射器中,使用平頭注射器針頭作為噴口,內(nèi)徑為0.43 mm,外徑為0.61 mm,長度為1.25 mm。調(diào)節(jié)噴口與基底之間的距離D為8～10 cm,在針頭上施加+18 kV的高壓,基底接地,流速為1.5～3.0 mL·h-1。待靜電噴射結(jié)束,收集基底上干燥的混合物。

圖2 靜電噴射過程示意圖

Fig.2 Schematic diagram of electrospray process

表1 不同粘結(jié)劑含量的推進劑配比(φ=1.8)

Table 1 Formula of nanothermites based propellant (φ=1.8) with different binder content

sampleNC/mgnAl/mgnCuO/mgsamplePVDF/mgnAl/mgnCuO/mg1#0.028.871.27#5.025.369.72#2.528.169.48#10.026.663.43#5.027.467.69#15.028.057.04#10.025.964.110#20.029.350.75#15.024.560.511#25.030.644.46#20.023.057.0

3 推進性能理論計算

微推進器的性能參數(shù)主要包括推力F、工作時間tb、以及總沖量I,而特征速度C*和比沖值Isp用來衡量固體推進劑的優(yōu)劣。參數(shù)之間的關(guān)系可由下列公式計算。

(4)

Isp=I/m

(5)

(6)

Isp=CFC*

(7)

Chemical Equilibrium and Application(NASA-CEA)軟件是基于最小自由能的熱力學(xué)計算軟件,可以計算推進劑的推進性能參數(shù)[22]。選擇無限面積燃燒室(Infinite-area combustion chamber,ICA)模塊對納米鋁熱劑平衡流狀態(tài)下的比沖值和特征速度進行計算,為推進劑的配方設(shè)計提供參考。粘結(jié)劑和鋁熱劑的熱力學(xué)參數(shù)如表2和表3所示。PVDF、NC以及Al/CuO的化學(xué)反應(yīng)式如式(8)～(11)所示。硝化棉與鋁熱劑不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而PVDF與鋁粉可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)[23],因此在計算中需要考慮到PVDF消耗納米鋁粉的質(zhì)量[24],PVDF與鋁粉的質(zhì)量比設(shè)定為60∶40,計算條件如表4所示。

表2 粘結(jié)劑的熱力學(xué)參數(shù)

Table 2 Thermophysical properties of binders

binderformulastandardheatofformation/kJ·mol-1combustionheat/J·g-1density/g·cm-3solventsNC[25]C24H30O10(ONO2)10-727.210066.71.65ethanol/ether(3∶1)PVDF[26](—CH2—CF2—)n-375.6214900.01.77N,N-dimethylformamide

表3 Al/CuO的熱力學(xué)參數(shù)

Table 3 Thermophysical properties of nanothermites

reactantsdensity/g·cm-3heatofreaction/J·g-1gasproduction/g·g-1adiabaticreactiontemperature/KAl/CuO[27]5.104073.70.342843Al/Cu2O[27]5.282405.60.082843

表4 CEA軟件計算條件

Table 4 CEA calculation conditions

temperatureofpropellant/Kpc/MPaAe/Athalfdivergenceangle/(°)pa/Pa298.156.871.001.01325×105

2Al+3(—CH2—CF2—)n→3H2(g)+AlF3(g)+6C

(8)

2Al+3O2+3(—CH2—CF2—)n→3H2O(g)+

Al2O3(l)+2AlF3(g)+6C

(9)

C24H30O10(ONO2)10→10CO2(g)+14CO(g)+

9H2(g)+5N2(g)+6H2O(g)

(10)

2Al+3CuO→Al2O3(l)+3Cu(l, g)

(11)

3.1 平衡配比對Al/CuO推進性能的影響

平衡配比φ決定了鋁熱劑的反應(yīng)程度,影響其燃燒性能表現(xiàn)。φ的計算范圍是0.6到3.0,計算結(jié)果如圖3所示。圖3顯示,Al/CuO的最佳配比為0.9,處于正氧平衡,此時比沖Isp=722.6 m·s-1,特征速度C*=1126.6 m·s-1。當(dāng)φ<0.9時,性能參數(shù)隨著φ的增加而增加,但增長趨勢比較緩慢,增長比例僅為0.9%。當(dāng)φ>0.9時,隨著φ的增加,性能參數(shù)開始下降,φ=3.0時Isp僅為585.5 m·s-1,減少比例達到18.9%。當(dāng)反應(yīng)體系中鋁粉不足時(φ<1.0),鋁粉可以和氧化銅完全反應(yīng)。隨著鋁粉含量的增加,其燃燒生成熱越大,推進性能越好。當(dāng)φ=1.0時,Isp=721.4 m·s-1,C*=1124.8 m·s-1,略低于最佳值。這是因為除反應(yīng)方程式(11)外,還發(fā)生了以下的反應(yīng)

2Al+3Cu2O→Al2O3(l)+6Cu(l, g)

(12)

4CuO→2Cu2O+O2

(13)

部分氧化銅可以分解為氧化亞銅和氧氣,繼而與鋁粉反應(yīng),提高混合體系的反應(yīng)熱。當(dāng)反應(yīng)體系中氧化劑不足時(φ>1.0),有部分鋁粉未參加反應(yīng),且會吸熱熔化,減少復(fù)合推進劑的燃燒熱,逐漸降低推進性能。

圖3 納米Al/CuO的理論推進參數(shù)C*與平衡配比φ的關(guān)系

Fig.3 Theoretic prediction of propulsion parametersC*of nano-Al/CuOvsequivalence ratioφ

3.2 PVDF含量對Al/CuO性能參數(shù)的影響

從計算結(jié)果可以看出,如圖4所示,當(dāng)PVDF的含量為7.5%時,比沖值達到最大(Isp=758.4 m·s-1),與無粘結(jié)劑的推進劑(Isp=721.4 m·s-1)相比增加比例為5.1%。當(dāng)PVDF的含量低于7.5%時,Isp和C*隨著粘結(jié)劑含量的增加而增加。當(dāng)PVDF的含量高于7.5%時,理論推進參數(shù)開始隨之下降。PVDF的加入雖然可以提高推進劑的燃燒熱,但燃燒不完全,反應(yīng)產(chǎn)物中大分子量的氣態(tài)產(chǎn)物和固體產(chǎn)物隨之增多,降低了推進性能表現(xiàn)。

圖4 理論推進參數(shù)與粘結(jié)劑PVDF質(zhì)量含量的關(guān)系(φ=1.0)

Fig.4 Theoretic prediction of propulsion parameters vs the mass content of PVDF (φ=1.0)

3.3 NC含量對Al/CuO性能參數(shù)的影響

與PVDF的反應(yīng)不同,硝化棉的分解產(chǎn)物均為小分子量的氣態(tài)產(chǎn)物。推進劑的性能參數(shù)會隨著硝化棉含量的增加而增加,計算結(jié)果如圖5所示。隨著NC含量的增加,Isp和C*均近似線性增加。當(dāng)NC含量為7.5%時,Isp=759.5m·s-1,增長比例為5.3%;C*=1181.7 m·s-1,增長比例為5.5%。當(dāng)NC含量增加到30%時,Isp=847.5 m·s-1,增長比例為17.5%;C*=1301.2 m·s-1,增長比例為15.7%。NC對納米鋁熱劑推進性能的增益效果要強于PVDF。

圖5 理論推進參數(shù)與NC含量的關(guān)系(φ=1.0)

Fig.5 Theoretic prediction of propulsion parametersvsthe content of NC (φ=1.0)

4 實驗測試及表征

4.1 納米鋁熱劑形貌

不同混合方法制備的納米鋁熱劑掃描電子顯微鏡(SEM)圖像如圖6所示,靜電噴射混合的納米鋁熱劑呈微米量級的顆粒,在微米顆粒中鋁粉和氧化銅均勻地分布在硝化棉上,而機械混合的納米鋁熱劑中分布著不規(guī)則片狀顆粒,硝化棉分布不均勻。

4.2 裝藥測試單元

圓柱形微燃燒室單元的結(jié)構(gòu)如圖7所示,直徑為1.00 mm,高度為1.50 mm,在藥室的底部用載玻片進行封底,形成一個半密閉的燃燒室。燃燒室材料為FR-4環(huán)氧樹脂板,采用精密機械加工方法制作。將靜電噴射混合的納米鋁熱劑壓裝到微藥室內(nèi),平均裝填密度為1.10 g·cm-3,單元裝藥量為1.3 mg。

4.3 微沖量測試系統(tǒng)

納米鋁熱劑推進性能測試由基于扭擺的微沖量測試系統(tǒng)完成。測試系統(tǒng)如圖8所示,主要包括阻尼器、配重、撓性軸、激光位移傳感器和扭擺。激光器的焦距為6～10 mm,需要用載玻片防護,避免鋁熱劑燃燒產(chǎn)物燒蝕激光器。測試過程為,半導(dǎo)體激光器發(fā)射脈沖激光引燃裝藥,復(fù)合推進劑燃燒產(chǎn)物沖出燃燒室,產(chǎn)生推力推動扭擺圍繞撓性軸旋轉(zhuǎn),激光位移傳感器記錄扭擺的移動軌跡; 同時用高速攝影記錄燃燒過程,統(tǒng)計燃燒持續(xù)時間。扭擺最大位移A0(μm)與沖量I(μN·s)的關(guān)系為

I=1.20×A0

(14)

a. Al/CuO/NC 2.5%(MM)×5.0 K

b. Al/CuO/NC 2.5%(MM)×20.0 K

c. Al/CuO/NC 2.5%(ES)×5.0 K

d. Al/CuO/NC 2.5%(ES)×20.0 K

圖6 不同方法制備納米鋁熱劑SEM圖

Fig.6 SEM images of nanothermite prepared by different processes

圖7 微燃燒室單元

Fig.7 Dimensions of micro combustion chamber

圖8 微沖量測試系統(tǒng)

Fig.8 Diagram of micro impulse testing stand

5 測試結(jié)果與討論

5.1 納米鋁熱劑的燃燒過程

納米鋁熱劑的燃燒過程如圖9所示,高速攝影機的記錄幀率為20000 fps。當(dāng)NC含量超過10%時,鋁熱劑混合物在微藥室內(nèi)無法自持燃燒,不能獲得有效實驗數(shù)據(jù)。在初始階段,燃燒并不穩(wěn)定,火焰長度逐漸變長,隨后火焰趨于穩(wěn)定,持續(xù)一段時間后熄滅。裝藥的燃燒持續(xù)時間tb定義為從噴口處出現(xiàn)火焰開始,到火焰消失停止。無粘結(jié)劑Al/CuO的燃燒時間最短(圖9a),在前期燃燒比較劇烈,尾焰明亮且區(qū)域較大,燃燒不穩(wěn)定; 燃燒時間為1.05 ms時,尾焰區(qū)域逐漸縮小; 加入粘結(jié)劑后,燃燒持續(xù)時間明顯增加。靜電噴射混合Al/CuO/NC 2.5%的尾焰亮度最高(圖9b),且在燃燒過程中尾焰形狀變化不大,可以定性地判斷其達到了穩(wěn)定燃燒。靜電噴射混合Al/CuO/PVDF 5.0%的燃燒情況相似(圖9c),但尾焰亮度較低,燃燒時間較長,說明其燃燒反應(yīng)速率較慢。

因沖量產(chǎn)生的扭擺位移軌跡如圖10所示,第一個最大幅值與基線之間的差值即為扭擺的最大位移A0。橫坐標(biāo)對應(yīng)的是位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)點,其位移曲線的周期與系統(tǒng)本身特性相關(guān),與產(chǎn)生的推力脈沖無對應(yīng)關(guān)系。

a. Al/CuO(MM)

b. Al/CuO/NC 2.5%(ES)

c. Al/CuO/PVDF 5.0%(ES)

圖9 納米鋁熱劑的燃燒過程

Fig.9 Combustion process of nanothermites

圖10 激光位移傳感器記錄的扭擺位移曲線

Fig.10 The displacement curve of pendulum recorded by laser displacement sensor

5.2 混合方式對推進性能的影響

圖11顯示了機械混合和靜電噴射制備鋁熱劑的實驗測試結(jié)果,從圖中可以看出,靜電噴射鋁熱劑的實驗比沖要明顯高于機械混合的,而燃燒時間隨著粘結(jié)劑含量的增加而增加。當(dāng)NC含量為2.5%時,機械混合鋁熱劑的燃燒持續(xù)時間為14.0 ms,實驗比沖值為86.7 m·s-1; 靜電噴射混合物的燃燒時間為7.5 ms,實驗比沖值達到最大值為250.2 m·s-1,而機械混合物的最大實驗比沖值僅為119.0 m·s-1。隨著NC含量增加至10.0%時,機械混合的燃燒持續(xù)時間增加至49.4 ms,且在點火初期火焰并不穩(wěn)定,實驗比沖值下降至42.4 m·s-1,僅為靜電噴射混合物的一半左右。由此可見,靜電噴射混合鋁熱劑具有更優(yōu)異的燃燒性能和比沖值。

圖11 不同混合方法制備的納米鋁熱劑的推進性能(φ=1.8)

Fig.11 The propulsion performances of nanothermites prepared by different mixing methods (φ=1.8)

靜電噴射得到的納米鋁熱劑是微米量級的固體顆粒,納米鋁粉和氧化銅均勻地分布在硝化棉上。NC在低溫時即分解為小分子量氣體產(chǎn)物,減少了納米顆粒團聚的現(xiàn)象,提高燃燒利用率[16]。而機械混合的鋁熱劑中,粘結(jié)劑分布不均勻,容易造成局部鋁粉的燃燒利用率低,推進性能下降。同時粘結(jié)劑的分解產(chǎn)物會阻礙Al和CuO的傳質(zhì)傳熱過程,進而降低反應(yīng)速率,增加燃燒持續(xù)時間。

5.3 平衡配比對推進性能的影響

不同平衡配比鋁熱劑的測試結(jié)果如圖12所示,φ的變化范圍為0.6～3.0。為了混合均勻,在前驅(qū)液中加入了5%的NC作為粘結(jié)劑。從圖中可以看出,當(dāng)φ=1.8時,鋁熱劑的推進性能參數(shù)達到最佳,Isp=156.6 m·s-1,但僅為理論計算值(747.2 m·s-1)的21%; 燃燒持續(xù)時間為15.8 ms。φ=0.6時,混合物在微藥室內(nèi)無法自持燃燒,沒有獲得有效實驗數(shù)據(jù)。當(dāng)φ=2.2時,工作時間最短為12.1 ms,但比沖值降至128.1 m·s-1。當(dāng)φ繼續(xù)增大時,鋁粉過量,混合物的工作性能逐步下降。通過TG測得納米鋁粉的有效含量為68.2%,化學(xué)計量比對應(yīng)的平衡配比為1.47; 實驗得到的最佳平衡配比為1.8,處于負(fù)氧平衡。在負(fù)氧平衡體系中,過量的鋁粉可以和大氣環(huán)境中的氧氣反應(yīng),提高性能表現(xiàn)。因此,后續(xù)實驗中鋁熱劑的平衡配比均為1.8。

圖12φ值對推進性能的影響

Fig.12 The effect ofφon the propulsion performances

5.4 粘結(jié)劑含量對推進性能參數(shù)的影響

Al/CuO/PVDF混合物的實驗測試結(jié)果如圖13所示,PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～25%。從圖13中可以看出,實驗結(jié)果與CEA計算結(jié)果的變化趨勢相同,比沖值隨著PVDF含量的增加先升高后下降。當(dāng)PVDF的含量為10.0%時,比沖值最大為77.1 m·s-1,僅為理論值(753.8 m·s-1)的10.2%。PVDF含量增加至25%時,實驗比沖值降至34.2 m·s-1。與無粘結(jié)劑的混合物(231.7 m·s-1)相比,推進性能并沒有增加,反而嚴(yán)重下降。

圖13 PVDF質(zhì)量含量對推力性能的影響

Fig.13 The effect of PVDF mass content on the propulsion performances

粘結(jié)劑的分解產(chǎn)物會阻礙Al和CuO之間的傳質(zhì)傳熱過程,增加凝聚相反應(yīng)的特征傳質(zhì)長度,導(dǎo)致反應(yīng)速率降低,燃燒持續(xù)時間顯著增加。隨著PVDF的含量增加,燃燒時間從22.3 ms增加至87.8 ms; 在NC體系中,燃燒時間從7.5 ms提高到48.5 ms,均高于無粘結(jié)劑Al/CuO的工作時間(2.9 ms)。

NC對納米鋁熱劑推進性能的增強效果(最大比沖值為250.2 m·s-1)要優(yōu)于PVDF (最大比沖值為77.1 m·s-1),且燃燒持續(xù)時間較短。原因在于,盡管PVDF的燃燒熱要高于NC,但NC的燃燒產(chǎn)物均為小分子量的氣態(tài)產(chǎn)物,而PVDF的燃燒產(chǎn)物中主要包括固態(tài)產(chǎn)物碳和大分子量的氣態(tài)產(chǎn)物,降低實驗比沖值。

CEA計算是以推進劑的完全、絕熱燃燒,產(chǎn)物在噴管中等熵膨脹并保持平衡流動,氣態(tài)產(chǎn)物滿足理想氣體狀態(tài)方程等假設(shè)條件為前提。但在實際燃燒過程中,特別是在微小尺度下,藥室壁的熱傳導(dǎo)效應(yīng)造成的熱損失不能忽略; 推進劑在藥室內(nèi)不能充分燃燒,圖9中明亮的火焰說明在藥室外的劇烈燃燒; 在燃燒產(chǎn)物中存在著較大比重的固相、液相顆粒,不能達到平衡流動,同時燃燒產(chǎn)物并未經(jīng)過噴管的膨脹過程,造成實驗比沖值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論計算值,僅達到理論計算水平的10.2%～33.5%。

6 結(jié) 論

(1)CEA計算結(jié)果表明,Al/CuO的特征速度和理論比沖隨著PVDF含量的增加先升高然后降低,而隨著NC含量的增加而增加,PVDF的最佳質(zhì)量含量為7.5%。

(2)實驗測試結(jié)果表明,由于納米鋁粉中鈍化層的存在,Al/CuO的最佳平衡配比φ=1.8,而不是CEA軟件計算得到的φ=0.9.

(3)靜電噴射混合可以得到固體顆粒分布均勻的納米鋁熱劑,混合效率高于機械混合,具有更高的比沖值,當(dāng)硝化棉含量為2.5%時,比沖可以達到250.2 m·s-1,增加比例為8.0%; 當(dāng)加入PVDF作為粘結(jié)劑時,降低了實驗比沖值。

(4)粘結(jié)劑的分解產(chǎn)物會阻礙Al和CuO之間的傳質(zhì)傳熱過程,增加凝聚相反應(yīng)的特征傳質(zhì)長度,導(dǎo)致反應(yīng)速率降低,燃燒持續(xù)時間從2.9 ms顯著地增加到87.8 ms。

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