鄧　哲，胡春波，劉林林，朱小飛，魏祥庚

(西北工業(yè)大學 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安　710072)

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Al基粉末燃料改性方法及點火燃燒特性

鄧哲，胡春波，劉林林，朱小飛，魏祥庚

(西北工業(yè)大學 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安710072)

鋁粉熱值高且密度大，是粉末火箭發(fā)動機及沖壓發(fā)動機的理想燃料。使用CO2激光點火結(jié)合燃燒光譜診斷方法，分析了不同粒度鋁粉在不同壓強下的點火燃燒特性，并研究了鎂鋁合金和使用HTPB將1 μm鋁粉團聚為大顆粒2種改性方法對鋁粉燃燒特性的影響。結(jié)果表明，鋁粉粒度減小和壓強提高都能夠提高點火燃燒性能；雖然鋁鎂合金和團聚鋁粉在常壓下的點火延遲大于1 μm鋁粉，但其成功點火后向均相反應(yīng)的轉(zhuǎn)換速度與燃燒強度都遠大于1 μm鋁粉，且其自然松裝密度也分別比1 μm鋁粉增大46%和47%。

粉末燃料；改性方法；激光點火；發(fā)射光譜

0　引言

金屬粉末燃料具有很高的質(zhì)量熱值和體積熱值，是固體推進劑的常用高能燃料。隨著推進技術(shù)的不斷發(fā)展，以純金屬粉末作為燃料的火箭發(fā)動機[1-2]、沖壓及水沖壓[3-4]發(fā)動機相繼問世，金屬燃料能量密度高，儲存時間長，維護成本低，并可實現(xiàn)脈沖啟動及推力調(diào)節(jié)[1，5]，幾乎同時具備固體推進劑和液體推進劑的優(yōu)勢。對金屬粉末燃料火箭發(fā)動機研究，由于應(yīng)用背景的不同，有幾個分支。在深空探測[1]動力系統(tǒng)方面，主要選取Mg粉作為燃料，這是因為Mg與CO2燃燒性能最好。而在常規(guī)航天推進動力系統(tǒng)研制上，則采用Al粉末作為燃料[2，6]。在粉末沖壓發(fā)動機領(lǐng)域，國外主要研究Al顆粒的燃燒性能[7]，而國內(nèi)偏重于Mg顆粒的研究[8]，在粉末水沖壓燃料的研究方面也展現(xiàn)出了相同的趨勢[3，9]。由于大部分金屬燃料都具備高能量密度，故燃料的選取原則主要是考慮到燃燒性能。硼雖然具有很高的能量性能，但硼在固體沖壓發(fā)動機這種預(yù)加熱燃燒模式中的燃燒效果尚不理想，且粉末燃料發(fā)動機以冷態(tài)噴注再點火燃燒的模式為主，故硼在目前研究現(xiàn)狀下并不是理想的粉末燃料。Al粉比Mg粉具有更高的密度及能量，但其缺點在于熔點和沸點均高于Mg，且高溫下易聚團，使其燃燒性能不如Mg理想。若能對Al粉末燃料進行改性，彌補燃燒性能方面存在的劣勢，Al粉將成為理想的粉末發(fā)動機燃料。

雖然小粒徑顆粒的點火延遲小，燃燒速度快，能大大提高燃燒性能，但小粒徑顆粒微觀斥力大，其裝填效率沒有大粒徑顆粒高，進而降低了粉末發(fā)動機的能量密度。如何在大粒徑粉末裝填的情況下，仍得到較好的點火燃燒特性，是粉末發(fā)動機需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。固體推進劑性能改進的工藝及方法十分成熟，如在添加鋁顆粒的情況下，添加一定的鎂顆粒或鎂鋁合金，以改善藥柱的燃燒特性，含硼富燃推進劑常將小顆粒硼粉團聚為大顆粒硼粉，進而改善硼粉的工藝性能。

純金屬粉末燃料在火箭發(fā)動機中的改性方法及燃燒特性研究尚存在不足，故本文參考借鑒固體推進劑相關(guān)改性工藝方法，使用激光點火器作為加熱源，用光譜儀和高速攝影儀采集圖像，研究鋁粉粒度及壓強對其燃燒性能的影響，并探索鎂鋁合金、鋁粉團聚等方式對粉末燃料燃燒性能的改進效果，以評估各種方案對粉末燃料性能的影響，為粉末燃料實際應(yīng)用提供參考。

1　實驗

1.1供粉裝置

實驗裝置實物如圖1所示，由燃燒器、點火模塊、采集模塊、觸發(fā)模塊、氣壓控制模塊等部分組成，燃燒器開設(shè)2扇石英玻璃窗同時進行光譜和圖像采集。

圖1　實驗裝置示意圖

點火模塊采用功率為150 W的CO2激光點火器加熱顆粒樣品，采集模塊使用光譜儀(Avaspec-2048)采集其燃燒過程中的發(fā)射光譜，光譜儀最小采集時間間隔為1.05 ms，并使用攝像機拍攝火焰形狀。觸發(fā)模塊使用NI公司的6008板卡結(jié)合Labview軟件編程，實現(xiàn)激光點火器和光譜儀的同時觸發(fā)，進而實現(xiàn)點火延遲的測量功能。氣體控制模塊使用空氣作為氧化劑，并使用壓強傳感器對燃燒器內(nèi)壓強進行控制。

1.2數(shù)據(jù)分析方法

1.2.1點火延遲

鋁顆粒的燃燒主要分為點火階段和燃燒階段。點火階段起始于外部熱源開始加熱到出現(xiàn)特征光譜為止，在鋁液滴燃燒過程中其主要的發(fā)射光譜為486、568 nm。國外研究認為，在鋁顆粒點火過程中，存在穿透Al2O3氧化物薄膜的擴散氧與Al固體表面之間的異相反應(yīng)，同時也可能存在Al蒸氣與氧之間的均相反應(yīng)，異相反應(yīng)與均相反應(yīng)均會發(fā)出568 nm特征光譜，故定義點火延遲為開始加熱至出現(xiàn)568 nm光譜的時間。

1.2.2特征光譜比

點火延遲的長短在一定程度上表征了反應(yīng)難度與速度，然而不同的點火狀態(tài)下，鋁顆粒開始反應(yīng)的機制是不同的。均相反應(yīng)的速率由擴散控制，異相反應(yīng)速率由動力學控制。故研究點火階段顆粒的反應(yīng)機制，對于顆?？偟娜紵龝r間及燃燒機理的判斷很有必要，鋁和氧的反應(yīng)[10]可用以下9步反應(yīng)機制表示：

(1)表面反應(yīng)：

Al+AlO(g)→Al2O(g)

(2)氣相反應(yīng)：

Al(g)+O2→AlO+O

AlO+O2→AlO2+O

O+O→O2

(3)離解反應(yīng)：

(4)冷凝反應(yīng)：

Al2O+O2→Al2O3(1)

AlO的生成有氣相反應(yīng)和離解反應(yīng)2種情況，而離解反應(yīng)產(chǎn)生的AlO光譜是液態(tài)Al2O3發(fā)出，液態(tài)Al2O3溫度已不低于2 300K。國內(nèi)外普遍認為，Al顆粒在2 100K以上已進入擴散控制的液滴燃燒階段，故Al2O3(1)離解反應(yīng)的AlO光譜強度與Al燃燒生成的AlO光譜強度相比可忽略，定義特征光譜強度比[11]RAlO=I486/I586，以此表征點火階段均相反應(yīng)的強度。

1.3實驗工況

國外粉末火箭發(fā)動機研究中，通過改變粒度級配的方法，實現(xiàn)裝填率最大化。在燃燒性能方面，小粒度顆粒擁有更大的比表面積，比大顆粒傳熱速度更快，擁有更好的點火燃燒性能。然而，顆粒之間微觀斥力的作用使得小粒徑顆粒在堆積密度方面并沒有優(yōu)勢。實驗工況如表1所示，統(tǒng)一稱取40mg試樣，置于φ4.8mm×3.4mm圓柱形氧化鋁坩堝中，激光光斑的能量密度統(tǒng)一設(shè)置為480～510W/cm2。

表1　實驗工況

先研究鋁粉顆粒在15 μm和1 μm 2種粒徑及1 μm鋁粉在高壓強情況下點火燃燒情況，然后研究鋁鎂合金(Al50%Mg50%)、1 μm鋁粉團聚為100 μm鋁粉(Al90%HTPB10%)2種改性方法對其點火燃燒特性的提升作用，鋁鎂合金(Al50%Mg50%)和團聚鋁粉(Al90%HTPB10%)的理論熱值分別為27.92 kJ/kg和32.16 kJ/kg，是純鋁粉熱值的89.9%和103.5%。所有金屬粉末購于上海水田材料科技公司，純度99.9%。所使用的樣品SEM照片如圖2所示。

(a)15 μm鋁粉　　(b)1 μm鋁粉

(c)MgAl合金　　(d)團聚鋁粉

除團聚鋁粉外，各個樣品的球形度都很高；30 μm MgAl合金的球形度最高；從團聚鋁粉放大照片可見，大顆粒表面的1 μm鋁粉被HTPB均勻包覆，包覆表面光滑無破損，且相比工況2～4樣品，其顆粒間隙被HTPB填充，故其松裝密度更大；MgAl合金的松裝密度較小，主要是Mg的密度較小造成的。

2　實驗結(jié)果與討論

2.1鋁粉

鋁顆粒的粒徑越小，則比表面積越小，受到外部熱源加熱時升溫速率越快，點火更加迅速，并且小粒徑鋁粉使單位質(zhì)量燃料接觸到的氧化劑更多，故其燃燒速率也更高。圖3為15、1 μm鋁粉在常壓、點火器啟動后100 ms時的點火燃燒情況。由圖3可見，15 μm鋁粉燃燒較為平緩，整個粉體呈現(xiàn)木炭樣紅斑，樣品周圍沒有明顯的火焰將其包圍，可清晰觀察到樣品輪廓，可判斷圖3(a)燃燒過程以動力學控制的異質(zhì)反應(yīng)為主。而1 μm鋁粉燃燒時，出現(xiàn)了強烈的光斑將樣品包圍，有很大一部分以蒸氣形態(tài)進行擴散燃燒。

(a)工況1(15 μm鋁粉)　(b)工況2(1 μm鋁粉)

光譜儀采集的工況2三維燃燒發(fā)射光譜數(shù)據(jù)如圖4所示，光譜的絕對強度與光纖探頭的位置及角度、樣品位置、樣品燃燒時是否飛濺等因素有關(guān)，能夠定性反映燃燒過程的劇烈程度。所有工況下，光纖探頭水平放置，并對準樣品坩堝軸線正上方1 mm處。點火延遲、相對光譜強度(光譜比)通過光譜分析軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后進一步處理得到。

鋁粉燃燒時486、568 nm特征光譜及其比值(RAlO)隨時間變化如圖5所示，圖中用虛線標出RAlO的零點位置及486 nm光譜的出現(xiàn)時刻。由于在某些工況下568 nm特征譜出現(xiàn)時間較晚，486、568 nm特征譜都呈現(xiàn)出接近于“零”的噪聲信號狀態(tài)，導(dǎo)致RAlO出現(xiàn)大幅振蕩，故486 nm特征譜開始明顯變大之前的RAlO沒有實際意義，不予繪出。

圖4　鋁燃燒三維發(fā)射光譜

由圖5(a)、(b)可見，常壓下，15、1 μm鋁顆粒的點火延遲分別為90、6 ms；在500 ms時刻，2個樣品的568 nm光譜絕對強度分別為35和780，在一定程度上表明1 μm鋁粉的燃速更高，而15 μm和1 μm鋁粉的AlO特征譜(486 nm)延遲分別達1 130、283 ms，說明1 μm鋁粉更快地進入了蒸發(fā)速率控制的均相反應(yīng)階段，這也與點火實驗錄像結(jié)果一致；15 μm鋁粉的RAlO在500 ms之前沒有出現(xiàn)，而1 μm鋁粉的RAlO在500 ms時刻已達0.21，故顆粒粒徑對顆粒點火延遲、燃速、燃燒模式轉(zhuǎn)換速度都存在巨大影響。

由圖5(c)、(d)可見，在1.0、2.0 MPa下，1 μm鋁粉的點火延遲分別達到了12、6.3 ms，AlO特征譜延遲較常壓下也縮短至121、102 ms，特征光譜的絕對強度也達到了上萬級別，充分說明環(huán)境壓強對于鋁顆粒的點火延遲、燃速、燃燒模式等都有較大影響，點火延遲縮短的原因是壓強增大導(dǎo)致了氧濃度的增大，進而加快了氧透過熔融Al2O3薄膜向Al表面擴散的速率，加劇了動力學控制的異相反應(yīng)速率及放熱量，導(dǎo)致鋁顆粒表面Al2O3更快揮發(fā)，促使Al更快進入熔化、蒸發(fā)階段，蒸發(fā)燃燒模式快速建立。

從圖5(c)、(d)還可看出，在AlO特征譜出現(xiàn)時刻，568 nm特征譜的出現(xiàn)拐點，其一階導(dǎo)數(shù)明顯變大，燃燒強度劇增，從而證明了蒸發(fā)燃燒的燃速遠大于表面異相反應(yīng)的燃速。在圖5(d)中，特征譜線在334 ms出現(xiàn)了下降，并不是燃燒強度降低，其原因在于樣品盛于圓筒狀A(yù)l2O3坩堝中，表層樣品的快速燃燒導(dǎo)致瞬間放熱量完全將燃燒產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，從坩堝中快速溢出，導(dǎo)致底層低溫樣品突然暴露出來，出現(xiàn)了燃燒強度降低的假象。工況1～4的RAlO最大值分別為0.15、0.21、0.31、0.35，表明減小粒徑及提高壓強，均有利于提高蒸發(fā)燃燒所占的比重。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

(d)工況4

2.2鎂鋁合金

圖6(a)為在常壓下、24 mg、粒徑20 μm純鎂粉的點火燃燒情況，可見，其火焰形態(tài)類似于氣體燃燒，說明鎂粉燃燒是蒸發(fā)擴散模式為主。圖6(b)為鋁鎂合金燃燒情況，對比純鎂粉燃燒，可見大量火星四射飛濺，說明鎂鋁合金在燃燒過程中，先是鎂的快速燃燒產(chǎn)生大量氣相燃燒產(chǎn)物，然后將剛剛點燃的高溫鋁顆粒吹撒出去，再與周圍氣體氧化劑快速摻混燃燒。

(a)鎂粉燃燒　　　(b)工況5在100～120 ms

(c)工況5在200～500 ms

鋁鎂合金發(fā)射光譜及光譜比隨時間變化見圖7。從圖7可見，鋁組分的點火延遲很短，且RAlO在初期接近于1。這是鎂燃燒的預(yù)熱作用造成的，100 ms左右有一個高強度光譜峰，從錄像觀察是因為點火后樣品呈現(xiàn)爆炸狀擴散所致，鋁粉燃燒特征光譜較弱，甚至出現(xiàn)了波動狀。原因可能是因為初期的“爆炸風”將坩堝上層鋁顆粒吹散至燃燒器周邊區(qū)域，坩堝底層樣品內(nèi)由于鎂蒸發(fā)快(圖6(c))，所以占據(jù)坩堝出口處并優(yōu)先消耗掉氧化劑，鋁蒸發(fā)難度大，故在坩堝底部熔融聚團，且只能是部分鋁蒸汽上浮后與氧化劑反應(yīng)，這是坩堝的構(gòu)型特征決定的。實際發(fā)動機工作中，并不會產(chǎn)生此種現(xiàn)象，被吹散至燃燒器周邊的鋁由于沒有正對于光纖探頭，其燃燒情況無法體現(xiàn)在光譜上，鎂燃燒對鋁顆粒的預(yù)熱作用，使鋁鎂合金的RAlO達到0.5以上，在顆粒粒徑較大的情況下，其均相燃燒所占比重仍大于純鋁粉?？梢姡V鋁合金在常壓燃燒性能上優(yōu)于1 μm鋁粉，且松裝密度比1 μm鋁粉高46%。

圖7　鋁鎂合金發(fā)射光譜及光譜比隨時間變化

2.3團聚鋁粉

團聚鋁粉的松裝密度比1 μm鋁粉高47%，圖8和圖9分別為團聚鋁粉點火燃燒錄像及光譜特性曲線。

(a)40.95 ms　　(b)59.85 ms

(c)100 ms

圖8(a)對應(yīng)568 nm光譜出現(xiàn)時刻(40.95 ms)。由于HTPB的分解及初步燃燒加熱，使坩堝內(nèi)氣相組分比例及動壓劇烈增加，白色鋁顆粒如火山噴發(fā)般被豎直向上吹起，這與鎂鋁合金的周向四散吹撒有很大區(qū)別。圖8(b)對應(yīng)圖9中59.85 ms的強烈光譜峰，其形成原因是被豎直吹起的高溫鋁顆粒與燃燒器內(nèi)的氧化性氣氛強烈摻混并快速高效燃燒，圖8(b)對應(yīng)時刻的RAlO高達0.78。之后，在圖8(c)100 ms攝像圖片觀察到的光強更加耀眼。然而，特征光譜的強度并不如圖8(b)時強。這是因為光纖探頭采集的是點光源強度且正對樣品坩堝正上方位置，圖8(b)時刻樣品正上方氧濃度最高，燃燒最劇烈，100 ms時作為反應(yīng)物的氧化劑已經(jīng)大量消耗、濃度偏低，而光纖探頭對應(yīng)位置生成物濃度卻變高，故燃燒強度降低。從圖9可見，180 ms之前的高速燃燒消耗了光纖探頭處大量氧化劑，故光譜強度不斷下降；而180 ms之后，由于外圍氧化劑向光纖探頭位置的緩慢擴散作用，燃燒反應(yīng)逐漸加強。由點火燃燒參數(shù)可知，團聚鋁粉能夠更快擴散摻混，在蒸發(fā)燃燒模式轉(zhuǎn)換速率及松裝密度上都比1 μm鋁粉更具優(yōu)勢。

所有工況實驗結(jié)果參數(shù)如表2所示。

圖9　團聚鋁粉發(fā)射光譜及光譜比隨時間變化

工況點火延遲/ms486nm光譜延遲/msRAlO最大值190.30112.350.15215.75283.500.21311.55120.750.3146.30101.850.35534.65185.851.29640.9563.000.22

雖然鎂鋁合金粉和團聚鋁粉(工況5、6)相比1 μm鋁粉(工況2)常壓下在點火延遲上不占優(yōu)勢，然而在燃燒模式的裝換速度與強度方面都占明顯優(yōu)勢，這種優(yōu)勢也可從特征光譜的絕對強度得到定性體現(xiàn)。

3　結(jié)論

(1)常壓燃燒時，1 μm比15 μm鋁粉的光譜強度更強，能夠更快進入均相反應(yīng)階段；兩者的點火延遲分別為16、90 ms，486 nm特征光譜出現(xiàn)延遲分別為112.35、283.5 ms，最大RAlO分別為0.21、0.15，故粒徑減小能縮短顆粒燃燒的點火延遲，促進燃燒模式轉(zhuǎn)換，提高燃燒強度。1 μm鋁粉在1.0、2.0 MPa下的燃燒實驗，證明了相同的趨勢。

(2)30 μm鋁鎂合金點火實驗表明，鎂燃燒使鋁預(yù)熱并更快進入蒸發(fā)裝態(tài)，鎂蒸氣及其燃燒產(chǎn)物的吹撒作用，加快了高溫鋁滴向周邊的擴散作用，對提高鋁組分的燃燒性能十分有益，點火延遲、486 nm特征光譜延遲及最大RAlO分別為34.65、185.85 ms、1.29。雖然鋁鎂合金的點火延遲比1 μm鋁粉長，但486 nm特征光譜更早出現(xiàn)，均相燃燒所占比重更大，且粒度更大，有利于裝填密度的提高。

(3)100 μm團聚鋁粉點火實驗表明，HTPB高溫分解產(chǎn)物能夠?qū)X顆粒與周圍氧化劑高效快速摻混，加速了氧化劑向鋁顆粒表面的擴散速率，使其比團聚之前的點火延遲更短，燃燒模式更快向均相反應(yīng)轉(zhuǎn)化，大粒徑使其同樣在裝填密度上具有優(yōu)勢。RAlO的變化并不明顯，結(jié)合30 μm鋁鎂合金點火實驗來看，可能是常壓條件下，加快預(yù)熱比加快擴散對RAlO的提高影響更大。

[1]Evgeny Shafirovich,Arvind Varma.Metal-CO2propulsion for mars missions:current status and opportunities[R].AIAA 2007-5126.

[2]Loftus H J,Montanino L N.Powder rocket feasibility evaluation[R].AIAA 72-1162.

[3]Daniel FWaters,Christopher P Cadou.Quantifying unmanned undersea vehicle range improvement enabled by aluminum-water power system[J].Journal of Propulsion and Power,2013,29(3):675-685.

[4]Linnell J A,Miller T F.A preliminary design of a magnesium fueled martian ramjet engine[R].AIAA 2002-3788.

[5]Evgeny Shafirovich,Arvind Varma.Metal-CO2propulsion for mars missions:current status and opportunities[J].Journal of Propulsion and Power,2008,24(3):385-394.[6]鄧哲,胡春波.Metal/N2O粉末火箭發(fā)動機實驗研究[J].固體火箭技術(shù),2015,38(2):220-224.

[7]Goroshin S,Higgins A J,Kamel M.Powdered metals as fuel for hypersonic ramjets[R].AIAA 2001-3919.

[8] 楊晉朝,夏智勛,胡建新.粉末燃料沖壓發(fā)動機內(nèi)鎂顆粒群著火模型[J].固體火箭技術(shù),2012,35(5):623-629.

[9]胡凡,張為華.金屬燃料/水沖壓發(fā)動機構(gòu)型試驗[J].推進技術(shù),2012,33(1):125-130.

[10]Liang Yong-jun,Merrill W Beckstead.Numerical simulation of unsteady,single aluminum particle combustion in air[R].AIAA 98-3825.

[11]Yasmine Aly,Vern K Hoffman,Mirko Schoenitz.Reactive,mechanically alloyed Al Mg powders with customized particle sizes and compositions[J].Journal of Propulsion and Power,2014,30(1):96-104.

(編輯：劉紅利)

Modification methods and ignition combustion characteristics of aluminum-based powder fuel

DENG Zhe，HU Chun-bo，LIU Lin-lin，ZHU Xiao-fei，WEI Xiang-geng

(Science and Technology on Combustion Internal Flow and Thermal-Structure Laboratory，Northwestern Polytechnical University，Xi’an710072，China)

Aluminium,which has high calorific value and high density,is an ideal fuel for powder propellant rocket engine and powder ramjet.In this paper,ignition and combustion characteristics of aluminum under different size and pressure were analyzed,using CO2laser as ignition source and spectrometer as diagnosis method.The effects of two modification methods as magnalium alloy and assembling 1 micro aluminium particles with HTPB on combustion characteristic were studied.The results show that decreasing particle size and increasing pressure can improve combustion behavior of aluminum particles. Although the ignition delay of magnalium alloy and reunion aluminium particles are longer than 1 micro aluminum particle,they have faster switching rate for homogeneous reaction and larger intensity of combustion after ignition.Their apparent density increase 46% and 47%, respectively.

powder fuel；modification method；laser ignition；emission spectrum

2015-06-13；

2015-07-06。

西北工業(yè)大學基礎(chǔ)研究基金(JC20110205)；國家自然科學基金(51266013)。

鄧哲(1987—)，男，博士生，研究領(lǐng)域為航空宇航推進。E-mail：mail_express@163.com

V512

A

1006-2793(2016)01-0017-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.01.003