李和平，席劍飛，羅淋旺，趙文敬，梁導(dǎo)倫，劉建忠

(1. 浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；2. 南京師范大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院，南京 210042；3. 杭州電子科技大學(xué) 能源研究所，杭州 310018)

0 引言

隨著航天領(lǐng)域的衛(wèi)星朝著體積更小、質(zhì)量更輕的微衛(wèi)星方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)簡單、小體積、輕質(zhì)量、易于集成的微推進(jìn)器迎來良好的發(fā)展機(jī)遇。微衛(wèi)星在運(yùn)行過程中需要很小很精確的推力來完成軌道位置的保持或者更變，而傳統(tǒng)的推進(jìn)器因質(zhì)量和體積較大，無法滿足微衛(wèi)星的要求，這就使得推進(jìn)器必須朝著微型化方向發(fā)展?；贛EMS技術(shù)，可將化學(xué)推進(jìn)器做的更小更輕，以便安裝在微衛(wèi)星上，在航天領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景[1]。相比于傳統(tǒng)推進(jìn)器，微推進(jìn)器的比表面積大，熱損失大；燃燒室尺寸小，使燃料的停留時間減?。槐砻媪?、粘性力、摩擦力等微通道效應(yīng)也顯著增加，這使得燃料的燃燒效率低于傳統(tǒng)燃燒室[2-3]。選用高熱值的燃料是提升微推進(jìn)器性能的關(guān)鍵[4]。固體燃料與氣體、液體燃料相比，不需要泵、閥等復(fù)雜的系統(tǒng)，且不存在泄露等問題，結(jié)構(gòu)較緊湊，利于整個系統(tǒng)的整合，特別適用于微推進(jìn)器[5-8]。相比于傳統(tǒng)的鎂、鋁、合金等金屬燃料，硼的比體積和比質(zhì)量的熱值較高[9-10]，且硼燃料在燃燒過程中產(chǎn)物較為潔凈，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但硼點(diǎn)火燃燒性能差，因其表面覆蓋的B2O3氧化膜需要很高的溫度才能蒸發(fā)，阻礙了外界氧化劑與硼顆粒的接觸和反應(yīng)，導(dǎo)致硼的點(diǎn)火延遲時間長、燃燒效率低等問題[11-12]。國內(nèi)有不少學(xué)者對硼的點(diǎn)火燃燒特性進(jìn)行了研究[13-15]，但對含硼推進(jìn)劑的推力測試還缺乏較全面的研究[6]。

本文在自行搭建的激光點(diǎn)火測試實(shí)驗(yàn)臺上，進(jìn)行不同含硼推進(jìn)劑(B/AP、B/KNO3、B/AP/HTPB)在不同內(nèi)徑(2～6 mm)微燃燒室中的燃燒實(shí)驗(yàn)，研究對比各工況下微推進(jìn)器的點(diǎn)火燃燒特性和推進(jìn)性能，以期為現(xiàn)有微推進(jìn)器的能量和性能提升提供可供選擇的推進(jìn)劑配方。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激光點(diǎn)火測試實(shí)驗(yàn)臺主要由點(diǎn)火模塊、燃燒診斷模塊、推力測試模塊和燃燒器模塊構(gòu)成，如圖1所示。

點(diǎn)火模塊主要控制點(diǎn)火的功率和時間，由功率為50～150 W的CO2激光發(fā)生器構(gòu)成。試驗(yàn)時，點(diǎn)火功率設(shè)置為150 W，激光通過反射鏡射入微燃燒室，當(dāng)管口的燃料被點(diǎn)燃后，關(guān)閉激光器。

燃燒診斷模塊主要由高速攝影儀、高速測溫儀、光纖光譜儀構(gòu)成，記錄樣品在微燃燒室中的火焰形貌、火焰溫度、產(chǎn)物光譜的變化。其中，高速攝影儀的頻率為200 Hz，最大拍攝張數(shù)為1500張，圖片分辨率為2320×863。高速測溫儀的溫度測量范圍為350～3000 ℃，頻率設(shè)置為1000 Hz。將測溫儀探頭焦點(diǎn)對微燃燒室管口處，測量燃燒過程中管口火焰的溫度。光纖光譜儀的可測量波長范圍為200～1100 μm，頻率為125 Hz。光譜儀具有外部觸發(fā)功能，可實(shí)現(xiàn)與激光器同步，通過觀測光譜產(chǎn)生的時刻，得到點(diǎn)火延遲時間。如圖2所示，光譜開始有變化的時刻，即為樣品被點(diǎn)燃時刻(前一張輸出為雜波，后一張輸出有變化)。樣品c6的相關(guān)參數(shù)見表1。光譜強(qiáng)度表示燃燒的劇烈程度。

配方推進(jìn)劑組分組分質(zhì)量比在不同內(nèi)徑微推進(jìn)器中的樣品編號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

推力測試模塊主要由壓力傳感器、MPS-010602采集卡、多功能信號記錄儀軟件、外接電源等構(gòu)成，可實(shí)時記錄微推進(jìn)器產(chǎn)生的推力。其中，壓力傳感器用于檢測微推進(jìn)器產(chǎn)生的推力，量程為0～30 g，頻率設(shè)置為500 Hz。采集卡將壓力傳感器產(chǎn)生的電信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再通過多功能信號記錄儀軟件轉(zhuǎn)換為模擬信號。外接電源為推力測試模塊提供電源，外接電源電壓為-12～12 V。

燃燒器模塊由裝填了含硼推進(jìn)劑的微燃燒室構(gòu)成，微燃燒室采用耐高溫的石英玻璃制成便于觀察。試驗(yàn)時將裝有配方的燃燒器固定在壓力傳感器上，激光點(diǎn)燃配方從而產(chǎn)生推力。

1.2 實(shí)驗(yàn)配方

燃料：無定形硼[13](B)，粒徑5 μm，純度95%，為棕色粉末。

氧化劑：高氯酸銨(AP)，純度99%，白色晶體；硝酸鉀(KNO3)，純度99%，白色粉末。

粘合劑：端羥基聚丁二烯(HTPB)，透明粘性液體，具有較好的固化、耐儲存、耐老化性能[17]。

含硼推進(jìn)劑配方[18-21]、樣品的編號如表1所示。其中，裝藥長度為30 mm，配方a和配方b的平均密度分別為935、949 kg/m3，且不同管徑之間的密度差別不大，可認(rèn)為密度是相同的，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不大[22]。配方c由于添加了粘合劑，平均密度高于其他配方，為1195 kg/m3，但不同管徑之間的密度差別不大，可認(rèn)為不同管徑微燃燒室內(nèi)的藥柱密度是一致的。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 燃速計(jì)算

燃速是評價推進(jìn)劑性能的重要指標(biāo)，反映了燃燒的速度。定義為燃面隨時間的移動速度，等于藥柱長度/燃燒時間。

由于高速攝影儀的拍攝時間有限，如果燃燒時間大于高速攝影儀拍攝的上限時間，則需要改進(jìn)燃速計(jì)算方法。通過GetData圖像處理軟件，得到時刻t1～t2燃面移動的圖示距離和藥柱的圖示長度分別是(c-a)和(f-d)，如圖3所示。

藥柱實(shí)際長度用L表示，則燃速公式為

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

(1)

1.3.2 推力數(shù)據(jù)處理

1.3.2.1 壓力傳感器標(biāo)定

壓力傳感器輸出數(shù)值和推力之間的關(guān)系需要通過標(biāo)定得到。將已知重量的標(biāo)定物置于傳感器上，記錄下輸出值的平均值，重復(fù)標(biāo)定5次，用Excel軟件進(jìn)行線性擬合，得到如圖4的曲線圖，線性度較好，其關(guān)系式為

y=0.114x+0.020 8

(2)

式中y為標(biāo)定物的重量；x為壓力傳感器的輸出值。

Fig.4Relationshipbetweenthemassofthecalibratedobjectandtheoutputvalueofthepressuresensor

1.3.2.2 推力和比推力

圖5所示為各樣品燃燒過程中壓力傳感器的輸出數(shù)值，發(fā)現(xiàn)壓力傳感器在燃燒開始前和燃燒結(jié)束后都有一段穩(wěn)定的輸出值，且燃燒后的輸出值小于燃燒前的輸出值。這是因?yàn)闃悠分械耐七M(jìn)劑逐漸被點(diǎn)燃，樣品的質(zhì)量不斷減小。這里認(rèn)為樣品勻速地被消耗，即樣品自身重量的輸出值勻速減小。樣品c2、c3、c4燃燒時出現(xiàn)爆鳴現(xiàn)象，產(chǎn)生的推力大于壓力傳感器的最大量程，損壞了傳感器，故只給出了樣品c5、c6的輸出結(jié)果。

在已知燃燒時間t的情況下，某一時刻推力為

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為壓力傳感器受到的總壓力；y1為樣品自身重量作用于壓力傳感器的壓力；x為對應(yīng)時刻壓力傳感器輸出數(shù)值；x1為樣品自身重量的輸出數(shù)值，F(xiàn)(x)為樣品產(chǎn)生的推力；a、b均為壓力傳感器的標(biāo)定系數(shù)；x0為燃燒前樣品自身重量作用于壓力傳感器的輸出數(shù)值；xn為樣品燃燒結(jié)束后自身重量作用的輸出數(shù)值；T為燃燒時間；tx為該時刻的時間；tx0為開始燃燒時刻的時間。

比推力，即單位質(zhì)量樣品產(chǎn)生的推力，為燃燒過程的平均推力與裝藥質(zhì)量的比值:

Fm=F/M

(6)

式中Fm為比推力；F為燃燒過程的平均推力；M為裝藥質(zhì)量。

1.3.2.3 推力方差

推力方差可反映燃燒過程產(chǎn)生推力的穩(wěn)定情況，計(jì)算式為

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

(7)

式中D(f)為推力方差；F(x0)為燃燒開始時的推力值；F(xn)為燃燒結(jié)束時的推力值；F為推力平均值；n為推力數(shù)據(jù)個數(shù)。

1.3.2.4 總沖量和比沖量

經(jīng)典力學(xué)中，沖量為

I=Ft

(8)

樣品燃燒過程產(chǎn)生的總沖量為

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為總沖量；F(x0)為t0時刻的推力；F(xn)為tn時刻的推力；t為兩個推力的間隔時間。

比沖量是用來衡量燃料能量效率的標(biāo)準(zhǔn)，定義為單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的沖量，計(jì)算式為

Im=I/M

(11)

式中Im為比沖量；I為總沖量；M為裝藥質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 燃速結(jié)果分析

燃速隨配方、管徑的變化曲線如圖6所示。相同管徑時，樣品b(KNO3作為氧化劑)的燃速遠(yuǎn)大于樣品a(AP作為氧化劑)的燃速；樣品c的燃速小于樣品a的，這是由于粘合劑的添加使樣品具有一定的強(qiáng)度，使未燃燃料不會隨高溫高壓氣流噴出，從而降低了燃速。

相同樣品的燃速隨著燃燒室內(nèi)徑的增大而減小，當(dāng)內(nèi)徑增大到一定值，燃速的變化不再明顯。這是因?yàn)榱黧w具有粘性，氣體與燃燒室內(nèi)壁存在摩擦力邊界層。當(dāng)燃燒室內(nèi)徑變小時，摩擦力邊界層對噴出氣體的影響變大，導(dǎo)致總摩擦力變大，使得氣體無法及時噴出，大量氣體積壓在燃燒室內(nèi)，燃燒室壓強(qiáng)增大。壓強(qiáng)越大，燃速越大，符合維耶里公式：

v=apn(0

(12)

式中v為燃速；a為燃速系數(shù)；p為壓強(qiáng)。

當(dāng)燃燒室內(nèi)徑變大，燃燒室壓強(qiáng)變化減小，且趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致燃速減小，并趨于穩(wěn)定。從熱損失方面分析，當(dāng)管徑減小時，燃燒室內(nèi)壁面積與燃燒體積的比值變大，導(dǎo)致熱損失增加，從而減小燃速。但實(shí)際上燃速隨著燃燒室內(nèi)徑的減小而增大，說明燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)對燃速的影響起主導(dǎo)作用。

2.2 溫度結(jié)果分析

由圖7可知，相同管徑時，燃燒室的平均溫度關(guān)系為配方b>配方a>配方c，與燃速的關(guān)系是一致的。說明燃燒過程中平均溫度越高，產(chǎn)生的熱量可更充分地預(yù)熱未燃燒的燃料，從而提高燃速。更快的燃速會在單位時間內(nèi)產(chǎn)生更多熱量，從而提高平均燃燒溫度。說明燃速和燃燒平均溫度是相互促進(jìn)的關(guān)系。

2.3 光譜數(shù)據(jù)結(jié)果

2.3.1 點(diǎn)火延遲時間

配方a與配方c的點(diǎn)火延遲時間曲線如圖8所示。管徑相同時，配方c的點(diǎn)火延遲時間高于配方a，說明添加粘合劑以后，配方點(diǎn)燃需要更高的點(diǎn)火能。

配方相同，點(diǎn)火延遲時間隨著管徑的減小而增大，這就說明燃燒室內(nèi)徑越小，需要的點(diǎn)火能也就越高。因?yàn)楣軓皆叫?，比表面積越大，散熱損失越大，因此需要更高的能量實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。

2.3.2 特征光譜強(qiáng)度

由圖9可知，相同內(nèi)徑樣品a的光譜強(qiáng)度大于樣品c，與溫度的關(guān)系是一致的。說明樣品a的燃燒過程較為劇烈。相同配方在不同管徑微燃燒室中的光譜強(qiáng)度，隨著管徑的增大而增大。因?yàn)楣軓皆叫?，熱損失越嚴(yán)重，燃燒劇烈程度降低。

2.4 推力

2.4.1 平均推力

由圖10可知，管徑相同時，配方b的平均推力均大于其他樣品，最大平均推力為0.028 56 N。這是因?yàn)闃悠穊的燃速快，在單位時間內(nèi)可產(chǎn)生更多的氣體，因此可產(chǎn)生更大的推力。

相同樣品的平均推力隨燃燒室內(nèi)徑的增大，呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢。說明不同含硼推進(jìn)劑配方存在一個最佳內(nèi)徑，在該內(nèi)徑下，可產(chǎn)生最大平均推力值，樣品a為4.92 mm，樣品b為2.76 mm。因管徑越大，裝藥量越多，單位長度樣品的燃燒產(chǎn)物越多，對推力起增大作用。但同時管徑越大，燃速越小(見2.1)，反而不利于推力的增加?？梢?，平均推力隨管徑的變化是上述兩種因素共同作用的結(jié)果。因此，存在一個最佳管徑。

2.4.2 推力穩(wěn)定性

如圖11所示，配方a、配方b、配方c燃燒過程的推力方差?？梢?，相同管徑時，配方a普遍比配方b的推力方差要小。這是由于配方b燃燒過程更劇烈，導(dǎo)致燃燒過程不是很穩(wěn)定。在燃燒室內(nèi)徑較大時，對比配方a、配方c可看出，配方c燃燒過程的方差最小，說明添加粘合劑后，含硼推進(jìn)劑的燃燒過程更穩(wěn)定。

2.4.3 比推力

如圖12所示，管徑相同時，比推力的關(guān)系為配方b>配方a>配方c。這是因?yàn)橄嗤瑑?nèi)徑燃燒室中配方b的平均推力最大，其次為配方a，配方c的平均推力最小。

相同配方，比推力隨著燃燒室內(nèi)徑的增大，呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢。而平均推力隨燃燒室內(nèi)徑的增大也是先增大、后減小，但裝藥質(zhì)量隨著燃燒室內(nèi)徑的增大而增大，說明平均推力的大小對比推力的大小起主導(dǎo)作用。

2.4.4 沖量

如圖13所示，相同管徑時配方a的沖量均高于其他樣品(除配方c6外)。這是由于配方a燃燒過程產(chǎn)生的推力較大，且作用時間長。配方b雖然產(chǎn)生的推力大，但作用時間過短，導(dǎo)致沖量偏小。配方c雖然作用時間長，但推力太小，也導(dǎo)致沖量偏小。

配方a和配方b的沖量隨燃燒室內(nèi)徑的增大，呈先增大、后減小的趨勢。樣品c由于數(shù)據(jù)有限，無法判斷趨勢。由于沖量是由推力和推力作用時間共同決定。通過對比燃速隨燃燒室內(nèi)徑的變化及平均推力隨燃燒室內(nèi)徑的變化，可看出沖量的變化趨勢與平均推力的變化趨勢是一樣的，說明平均推力的變化對沖量的影響起主導(dǎo)作用。

2.4.5 比沖量

比沖量和配方、燃燒室內(nèi)徑的關(guān)系如圖14所示。相同管徑時配方a的比沖量均大于其他配方(除配方c6以外)。因?yàn)橄嗤軓綍r，配方a的沖量均大于配方b的，所以配方a的比沖量也大于配方b的。

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三種含硼推進(jìn)劑配方并無很明顯的優(yōu)劣性，不同的配方有不同的特點(diǎn)。配方B/KNO3的燃速快，平均推力、比推力大，在內(nèi)徑為2.76 mm燃燒室中，平均推力達(dá)到0.028 56 N。配方B/AP的推力作用時間長，沖量、比沖量大，在內(nèi)徑為4.92 mm的燃燒器中，最大沖量為0.042 28 N·s。配方B/AP/HTPB燃燒時間最長，最穩(wěn)定。配方中添加粘合劑雖不能提高配方的推力、沖量等特性，但可明顯減小燃速，增加燃料的強(qiáng)度、燃燒時間，改善燃燒特性。

(2)不同配方的點(diǎn)火燃燒特性和推進(jìn)性能均和燃燒室內(nèi)徑有關(guān)，在本文研究工況范圍內(nèi)，均隨管徑的增大呈先增大、后減小趨勢。所以，對于推力、比推力、沖量、比沖量，會有一個最佳內(nèi)徑。配方B/AP的推力最佳管徑為4.02 mm，比推力最佳管徑為2 mm，沖量最佳管徑為4.92 mm，比沖量最佳管徑為2 mm；配方B/KNO3的推力、比推力、沖量、比沖量最佳管徑均為2.76 mm。配方B/AP可根據(jù)不同的實(shí)際需要選擇燃燒室的內(nèi)徑，而配方B/KNO3各個燃燒性能的最佳管徑均為2.76 mm。

[1] 尤政,張高飛.基于MEMS的微推進(jìn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J].微細(xì)加工技術(shù),2004(1)：1-8.

[2] 劉建.微尺度下含能材料的燃燒與推進(jìn)器原理研究[D].北京理工大學(xué),2010.

[3] 張永生,周俊虎,楊衛(wèi)娟,等．微燃燒穩(wěn)定性分析和微細(xì)管道燃燒實(shí)驗(yàn)研究[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2006,40(7)：1178-1182.

[4] 龐愛民,吳京漢.GAP/B貧氧富燃潔凈推進(jìn)劑用于固體火箭沖壓發(fā)動機(jī)的前景分析[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料,1998(3):17-20.

[5] Sathiyanathan K,Lee R,Chesser H.Solid propellant microthruster design for nanosatellite applications[J].Journal of Propulsion and Power,2011,27(6):1288-1294.

[6] Teasdale D,Milanovic V,Chang P,et al.Microrockets for smart dust[J].Smart Materials and Structures,2001,10(6):1145.

[7] Zhang K,Chou S,Ang S,et al.A MEMS-based solid propellant microthruster with Au/Ti igniter[J].Sensors and Actuators A:Physical,2005,122(1):113-123.

[8] Rossi C,Larangot B,Lagrange D,et al.Final characterizations of MEMS-based pyrotechnical microthrusters[J].Sensors and Actuators A:Physical,2005,121(2):508-514.

[9] 龐維強(qiáng),樊學(xué)忠.金屬燃料在固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用進(jìn)展[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料,2009,7(2):1-14.

[10] 李和平,汪洋,楊衛(wèi)娟,等.草酸對微小圓管中B/AP混合物燃料點(diǎn)火特性的影響[J].固體火箭技術(shù),2013,36(6):780-785.

[11] 李疏芬.含硼的固體燃料[J].含能材料,1995,6(2):1-7.

[12] 高豐,楊坤.高氯酸銨基復(fù)鹽包覆硼粉的制備與表征[J].四川兵工學(xué)報,2015,36(9):142-144.

[13] 敖文.硼顆粒點(diǎn)火燃燒機(jī)理研究[D].浙江大學(xué),2014.

[14] 李和平,楊衛(wèi)娟,汪洋,等.含硼燃料在微小圓管中的點(diǎn)火燃燒特性研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2014,48(5)：917-922.

[15] Li He-ping,Ao Wen,Wang Yang,et al.Effect of carbon dioxide on the reactivity of the oxidation of boron particles[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2014,39(4)：617-623.

[16] 李兆澤.MEMS固體推進(jìn)器的設(shè)計(jì)與制作[D].國防科技大學(xué),2006.

[17] 俞國星,范曉東,張翔宇,等.高能固體推進(jìn)劑用粘合劑的研究進(jìn)展[J].中國膠粘劑,2006,15(8)：37-50.

[18] Liang Dao-lun,Liu Jian-zhong,Zhou Jun-hu,et al.Combustion characteristics and propulsive performance of boron/Ammonium perchlorate mixtures in microtubes[J].Journal of Energetic Materials,2016(34):297-317.

[19] 劉建忠,梁導(dǎo)倫,汪洋,等.基于MEMS的固體燃料微推進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展[J].納米技術(shù)與精密工程,2016,14(1):48-54.

[20] 王子庚．激光點(diǎn)火過程中介質(zhì)效應(yīng)研究[D].南京理工大學(xué),2007.

[21] 王恒生,張國軍,程艷婷,等.固體推進(jìn)劑中新型含能材料研究進(jìn)展[J].化工科技,2012,20(1)：76-80.

[22] 祝明水,何碧,蔣明,等.B/KNO3藥柱燃燒速度的初步研究[J].含能材料,2008,12(2)：205-206.