胡松啟，韓進(jìn)朝，劉林林

(西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

引 言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、可小型化以及能長(zhǎng)期貯存的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈武器中。隨著導(dǎo)彈武器向遠(yuǎn)射程、高速度、高突防能力方向發(fā)展，提高比沖成為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最為重要的研制目標(biāo)[1-2]。提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)，不僅可以減小膨脹壓強(qiáng)比，增強(qiáng)燃?xì)馀蛎涀鞴δ芰?，而且能夠加快燃燒反?yīng)速率，提高推進(jìn)劑燃燒效率，這些均對(duì)比沖有增益效果。理論計(jì)算表明[3]，當(dāng)工作壓強(qiáng)從7 MPa提高至20 MPa時(shí)，丁羥三組元推進(jìn)劑理論比沖可提高8%左右。目前，國(guó)外部分導(dǎo)彈已經(jīng)使用了高壓強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，如美國(guó)反坦克先進(jìn)動(dòng)能導(dǎo)彈(ADKEM)和超高速導(dǎo)彈(HVM)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓強(qiáng)分別為23.4 MPa和28.32 MPa[4]。

推進(jìn)劑燃速通常采用維耶里經(jīng)驗(yàn)公式r=apn來(lái)表示，其中n為燃速壓強(qiáng)指數(shù)，反映燃速對(duì)壓強(qiáng)變化的敏感程度。由固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理可知，當(dāng)n<1時(shí)，即使某些偶然因素導(dǎo)致燃速增大，燃燒室壓強(qiáng)總能恢復(fù)到平衡狀態(tài)；而當(dāng)n>1時(shí)，燃速的增大往往會(huì)導(dǎo)致燃燒室壓強(qiáng)偏離平衡狀態(tài)。因此，燃速既是表征推進(jìn)劑燃燒性能的重要參數(shù)，也是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的核心參數(shù)。通常情況下，推進(jìn)劑n值要求低于0.5。

丁羥推進(jìn)劑是以端羥基聚丁二烯(HTPB)為基體、高氯酸銨(AP)為氧化劑、并添加鋁粉和高能硝胺炸藥等組成的固體推進(jìn)劑，燃速壓強(qiáng)指數(shù)一般在0.3～0.4左右。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，丁羥推進(jìn)劑在高壓強(qiáng)下會(huì)發(fā)生燃速突變，導(dǎo)致燃速壓強(qiáng)指數(shù)大于1，此時(shí)，燃速的微小變化都可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定工作。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在固體推進(jìn)劑高壓燃燒方面已開(kāi)展了大量研究，但對(duì)于推進(jìn)劑高壓燃燒機(jī)理及燃速突增的認(rèn)識(shí)不充分，因此迫切需要開(kāi)展丁羥推進(jìn)劑高壓燃燒性能的研究，解決其在高壓下的燃速突增問(wèn)題。

本文針對(duì)丁羥推進(jìn)劑高壓燃速突增的問(wèn)題，從推進(jìn)劑燃燒波結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了高低壓下推進(jìn)劑火焰結(jié)構(gòu)和燃面結(jié)構(gòu)的變化，并闡明了氣固兩相的傳熱傳質(zhì)對(duì)燃速的影響。綜述了黏合劑、氧化劑、高能硝胺炸藥和鋁粉對(duì)推進(jìn)劑高壓燃速的影響，總結(jié)了燃速突增的原因，并介紹了燃速調(diào)節(jié)劑的調(diào)控作用，以期為后續(xù)丁羥推進(jìn)劑高壓燃燒性能的研究及高壓發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用提供參考。

1 丁羥推進(jìn)劑在高壓下氣固兩相的傳熱傳質(zhì)過(guò)程

固體推進(jìn)劑的燃燒波結(jié)構(gòu)是指包含預(yù)熱區(qū)、凝聚相反應(yīng)區(qū)和氣相反應(yīng)區(qū)在內(nèi)的整個(gè)推進(jìn)劑燃燒區(qū)域，圖1為典型的燃燒波結(jié)構(gòu)示意圖[5]。推進(jìn)劑各組分在燃面上發(fā)生熱分解，一旦氧化劑熱分解產(chǎn)物與燃料熱分解產(chǎn)物在燃面上方相遇就會(huì)發(fā)生劇烈的放熱化學(xué)反應(yīng)，形成氣相反應(yīng)區(qū)。在氣相反應(yīng)區(qū)，熱分解產(chǎn)物之間的氧化還原反應(yīng)完全，生成最終反應(yīng)物，并形成燃燒火焰?；鹧娴牟糠譄崃糠答伒饺济嫔暇S持各組分的熱分解，并在熱分解放熱與火焰熱反饋的共同作用下，燃面下方部分推進(jìn)劑的溫度從初始溫度升高到熔融或熱分解溫度，形成凝聚相區(qū)，推進(jìn)劑中各組分的熔融、相變等均發(fā)生在凝聚相區(qū)。

低壓下，由于氣相中氧化劑與黏合劑熱分解產(chǎn)物間的化學(xué)反應(yīng)速率與擴(kuò)散速率接近，并且擴(kuò)散發(fā)生在微米尺度范圍內(nèi)，熱分解產(chǎn)物更易發(fā)生擴(kuò)散，故而燃燒過(guò)程由化學(xué)反應(yīng)速率控制。當(dāng)壓強(qiáng)升高時(shí)，丁羥推進(jìn)劑氣相化學(xué)反應(yīng)速率加快，而擴(kuò)散速率變化并不顯著，使得高壓下火焰更加靠近燃面，對(duì)燃面的熱反饋增強(qiáng)。同時(shí)，由于各組分的熱分解特性本身存在差異，高壓下氣相熱反饋的增強(qiáng)對(duì)組分熱分解速率的影響也不同，因此造成燃面微觀結(jié)構(gòu)的差異，同時(shí)也使得火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而改變氣固兩相的傳熱傳質(zhì)機(jī)制。

Hedman等[6]通過(guò)高速(5kHz)平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)技術(shù)研究了高低壓下AP/HTPB推進(jìn)劑的火焰結(jié)構(gòu)及燃面形貌。圖2為高低壓下火焰結(jié)構(gòu)及燃面形貌變化示意圖[6]，其中A代表常壓，B代表高壓。

由圖2可知，常壓下粗AP顆粒與細(xì)AP/黏合劑基體之間的熱分解速率接近，因此形成射流狀擴(kuò)散火焰，且燃面較為平整。而當(dāng)壓強(qiáng)提高時(shí)，粗AP顆粒的熱分解速率大于細(xì)AP/黏合劑基體，導(dǎo)致粗AP顆粒上方出現(xiàn)局部富氧區(qū)域，相鄰AP顆粒的熱分解產(chǎn)物與基體熱分解產(chǎn)物混合后形成“V”形擴(kuò)散火焰。推進(jìn)劑中AP顆粒粗細(xì)比越高，“V”形擴(kuò)散火焰更容易形成，反之，則形成射流狀擴(kuò)散火焰[7]。此外，Gross等[8]的研究表明，隨著壓強(qiáng)的增大，AP顆粒發(fā)生預(yù)混火焰的尺寸降低，細(xì)AP顆粒與黏合劑形成擴(kuò)散火焰，而粗AP顆粒的火焰更接近于AP單組元推進(jìn)劑。

推進(jìn)劑火焰結(jié)構(gòu)的變化直接影響氣相對(duì)凝聚相的傳熱，高壓下氣相熱反饋的增強(qiáng)對(duì)推進(jìn)劑組分熱分解速率的影響不同，導(dǎo)致高低壓下氧化劑和黏合劑在燃面上相對(duì)位置的變化，組分熱分解產(chǎn)物在氣相中的擴(kuò)散過(guò)程受到影響，從而導(dǎo)致氣相火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。因此，氣相和凝聚相反應(yīng)之間存在很強(qiáng)的耦合關(guān)系，火焰與燃面之間的傳熱、傳質(zhì)及耦合關(guān)系示意圖如圖3所示[9]。

由圖3可知，推進(jìn)劑燃面是氣相和凝聚相的界面，凝聚相區(qū)域包含預(yù)熱區(qū)和AP/HTPB的熔融層。推進(jìn)劑的燃面溫度由火焰對(duì)燃面的熱反饋和凝聚相區(qū)反應(yīng)放熱共同決定，當(dāng)壓強(qiáng)升高時(shí)，火焰離燃面更近，對(duì)燃面的熱反饋增強(qiáng)，導(dǎo)致燃面溫度提高。同時(shí)，凝聚相區(qū)各組分的熱分解速率加快，放熱量增大，導(dǎo)致凝聚相區(qū)的溫度梯度增大。Li等[10]通過(guò)一步反應(yīng)模型計(jì)算了凝聚相區(qū)域的厚度，結(jié)果表明，隨著壓強(qiáng)升高，推進(jìn)劑燃速及燃面溫度均提高，而預(yù)熱區(qū)及熔融層厚度降低。對(duì)于丁羥推進(jìn)劑而言，在燃燒過(guò)程中黏合劑熔融流動(dòng)會(huì)覆蓋AP顆粒，可能導(dǎo)致推進(jìn)劑熄火，而提高壓強(qiáng)可以降低熔融層厚度，有利于提高推進(jìn)劑的自持燃燒性能。

由燃面上方的能量守恒方程可以獲得HTPB/AP雙組元推進(jìn)劑的燃速表達(dá)式[11]：

(1)

式中：r為推進(jìn)劑燃速；kg為燃?xì)獾臒釋?dǎo)率；ρp為推進(jìn)劑密度；Qs為推進(jìn)劑燃面單位質(zhì)量反應(yīng)熱；Qg為單位質(zhì)量反應(yīng)熱；Δn為生成物和反應(yīng)物之間化學(xué)計(jì)量系數(shù)之差；XF和XO為燃料和氧化劑的摩爾分?jǐn)?shù)；Ag為指前因子；Ea,g為活化能；Ru為氣體常數(shù)；Tg為氣相溫度；Cpg為氣體比熱容；Cc為凝相比熱容；Ts為燃面溫度；T0為初始溫度。

由式(1)可知，除壓強(qiáng)外，Tg、Ts、Qs等的變化均會(huì)影響推進(jìn)劑的燃速。氣相熱反饋和燃面分解放熱共同決定了燃面溫度，因而氣相溫度Tg和燃面單位質(zhì)量反應(yīng)熱Qs提高，燃面溫度Ts也會(huì)隨之增大，導(dǎo)致燃速增大。

然而，式(1)未考慮添加高能硝胺組分、鋁粉及鋁燃燒輻射對(duì)燃速的影響，而丁羥推進(jìn)劑中通常都會(huì)通過(guò)加入高能硝胺炸藥和鋁粉來(lái)提高能量水平。鋁粉的燃燒熱值及熱導(dǎo)率均較高，并且高能硝胺炸藥的爆熱也高于AP，因此對(duì)Tg、Ts、Qs等影響更大。特別是在高壓條件下，火焰離燃面更近，使得大量鋁顆粒在近燃面處點(diǎn)火燃燒，進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)燃面的熱反饋，導(dǎo)致推進(jìn)劑燃速大幅提高。

丁羥推進(jìn)劑主要由黏合劑、氧化劑、固體填料等組成，并且各組分之間的相互作用導(dǎo)致推進(jìn)劑的燃燒過(guò)程非常復(fù)雜，受普通燃燒器承壓能力以及推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生大量煙塵的限制，國(guó)內(nèi)外對(duì)于丁羥推進(jìn)劑高壓燃燒機(jī)理的研究較少。此外，推進(jìn)劑配方也較為復(fù)雜，調(diào)整推進(jìn)劑中黏合劑種類(lèi)與含量、固體填料的含量、粒度及粒度級(jí)配等可以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)不同燃速的需求，因而配方變化會(huì)對(duì)推進(jìn)劑的高壓燃速產(chǎn)生較大影響。因此，下文主要從丁羥推進(jìn)劑中各組元對(duì)其高壓燃速的影響方面進(jìn)行綜述，并介紹燃速調(diào)節(jié)劑的調(diào)控作用。

2 丁羥推進(jìn)劑高壓燃速研究進(jìn)展

2.1 HTPB對(duì)推進(jìn)劑高壓燃速的影響

HTPB具有黏度低、與其他組分相容性好、低溫力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，常作為黏合劑廣泛應(yīng)用于推進(jìn)劑中。HTPB熱分解一般分為兩個(gè)階段：在低溫?zé)岱纸怆A段，聚合物發(fā)生吸熱的解聚反應(yīng)、放熱的環(huán)化以及交聯(lián)反應(yīng)；而在高溫?zé)岱纸怆A段，隨著溫度升高，交聯(lián)和環(huán)化反應(yīng)生成的產(chǎn)物殘?jiān)l(fā)生吸熱解聚[12]。研究表明[13]，在高溫高壓的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒環(huán)境中，HTPB以吸熱解聚反應(yīng)為主。

高壓強(qiáng)下，推進(jìn)劑熱分解產(chǎn)物化學(xué)反應(yīng)速率加快，擴(kuò)散速率受到抑制，使得火焰離燃面更近，對(duì)燃面的熱反饋增強(qiáng)，導(dǎo)致燃面溫度提高。Chiaverini等[14]的研究表明，HTPB熱分解產(chǎn)物的濃度對(duì)溫度有很強(qiáng)的依賴(lài)性。在770K以下，HTPB的熱分解產(chǎn)物主要為1,3-丁二烯；當(dāng)溫度升高至1170K時(shí)，1,3-丁二烯與丙烯、3-戊烯-1-炔、苯、甲苯和乙烯共存；隨著溫度繼續(xù)升高，熱分解產(chǎn)物主要為乙烯。此外，隨著壓強(qiáng)的升高，HTPB熱分解產(chǎn)物中單體生成率降低，二聚體、三聚體等的比例增加[15]。高溫高壓不僅會(huì)影響HTPB熱分解產(chǎn)物，使得氣相化學(xué)反應(yīng)速率加快，而且會(huì)影響火焰對(duì)燃面的傳熱以及燃燒表面的熱平衡，導(dǎo)致推進(jìn)劑的高壓燃速及壓強(qiáng)指數(shù)發(fā)生改變[16-17]。

丁羥推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中，HTPB會(huì)發(fā)生熔化并在燃面形成一層具有流動(dòng)性的熔融層。該熔融層會(huì)覆蓋在氧化劑、金屬燃料以及固體填料等物質(zhì)表面，影響其熱分解過(guò)程。含不同黏合劑的推進(jìn)劑燃速如圖4所示。

圖4 含不同黏合劑的推進(jìn)劑燃速[18]Fig.4 Burning rate of propellants containing different binders[18]

由圖4可知，在較低壓強(qiáng)下，黏合劑熔融層較厚，熱分解產(chǎn)物不易進(jìn)入氣相反應(yīng)，而隨著壓強(qiáng)升高，熔融層厚度減小，熱分解產(chǎn)生的氣體直接進(jìn)入氣相發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致對(duì)壓強(qiáng)的敏感性提高；并且高壓強(qiáng)會(huì)改變熱分解產(chǎn)物在氣相中的擴(kuò)散過(guò)程，導(dǎo)致燃面上方的火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而影響推進(jìn)劑的燃速。孫曉飛等[18]研究表明，端羧基聚丁二烯(CTPB)、HTPB熔融層流動(dòng)性差，熱分解產(chǎn)生的氣體直接進(jìn)入氣相發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致對(duì)壓強(qiáng)變化敏感，而環(huán)氧乙烷-四氫呋喃共聚醚(PET)黏合劑熔融層流動(dòng)性強(qiáng)，對(duì)燃面的覆蓋阻礙了氣體擴(kuò)散，使得氣相反應(yīng)對(duì)壓強(qiáng)敏感程度降低，同時(shí)反饋到凝聚相的熱量也較低，因此，在15～25MPa范圍內(nèi)，當(dāng)黏合劑為CTPB與HTPB時(shí)，推進(jìn)劑燃速的增幅比黏合劑為PET時(shí)的高，前者的燃速壓強(qiáng)指數(shù)分別為1.217和1.301，而后者的壓強(qiáng)指數(shù)為0.818。

Dillier等[19]將AP/HTPB與AP/CTPB推進(jìn)劑的燃速進(jìn)行了對(duì)比，燃速結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，兩種推進(jìn)劑燃速在高壓下均出現(xiàn)了燃速突增，且CTPB推進(jìn)劑燃速突增的拐點(diǎn)壓強(qiáng)大于HTPB推進(jìn)劑。另外，兩種推進(jìn)劑在高低壓下的燃速壓強(qiáng)指數(shù)也存在較大差異，這與HTPB和CTPB的燃燒特性相關(guān)。

圖5 AP/HTPB與AP/CTPB推進(jìn)劑燃速對(duì)比[19]Fig.5 Comparison of burning rate for AP/HTPB and AP/CTPB propellants[19]

2.2 AP對(duì)推進(jìn)劑高壓燃速的影響

AP是固體推進(jìn)劑中最常用的氧化劑，同時(shí)也是推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中氧的主要來(lái)源，在推進(jìn)劑中約占70%，因此AP的燃燒特性對(duì)推進(jìn)劑的燃燒性能起著至關(guān)重要的作用。隨著壓強(qiáng)升高，AP的爆燃特性可分為4個(gè)特征階段，AP爆燃速率與壓強(qiáng)的關(guān)系如圖6所示[20]。

圖6 氮?dú)鈿夥障翧P爆燃速率與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線[20]Fig.6 The relationship curve between AP deflagration rate and pressure in nitrogen atmosphere[20]

高壓下AP燃燒會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，導(dǎo)致AP高壓燃燒機(jī)理研究較為困難，因此目前關(guān)于純AP高壓燃燒性能的研究主要集中在其燃速特性方面[21-23]。

由圖6可知，當(dāng)壓強(qiáng)超過(guò)13.78MPa后，AP燃速隨壓強(qiáng)升高而急劇減小，這可能與氣相和凝聚相的能量損失有關(guān)。然而，AP/HTPB推進(jìn)劑燃速在高壓下并沒(méi)有急劇下降，相反卻出現(xiàn)了燃速突增現(xiàn)象，且AP含量、粒度和粒度級(jí)配等均會(huì)對(duì)AP/HTPB推進(jìn)劑的高壓燃速和壓強(qiáng)指數(shù)產(chǎn)生影響[24-27]。

Stephens等[28]研究表明，在4～34.5MPa范圍內(nèi)，隨著粒度級(jí)配(粗/細(xì))中細(xì)AP比例的逐漸提高，推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)均增大；當(dāng)粗/細(xì)比例為80/20時(shí)，若將200μm AP替換為400μm，壓強(qiáng)指數(shù)能夠從0.75降至0.57。Thomas等[29]指出，在0.7～20.7MPa范圍內(nèi)，AP/HTPB推進(jìn)劑燃速隨AP含量增大和AP粒度減小而增大。此外，AP顆粒形貌也會(huì)對(duì)推進(jìn)劑的高壓燃速產(chǎn)生影響。朱立勛等[30]研究表明，在12～20MPa范圍內(nèi)，粗AP形貌的缺陷使得氣相反應(yīng)程度更加劇烈，導(dǎo)致推進(jìn)劑燃速及壓強(qiáng)指數(shù)明顯高于無(wú)缺陷AP的推進(jìn)劑。

Irwin等[31-32]認(rèn)為AP/HTPB推進(jìn)劑燃速在高壓下發(fā)生突增后，AP在燃燒過(guò)程中占主導(dǎo)地位，因此燃速主要由AP單組元火焰控制。Bastress[33]觀察到高壓下AP顆粒相對(duì)于黏合劑呈凹陷狀態(tài)，也表明了高壓下AP燃燒的主導(dǎo)地位。Atwood等[34]研究表明，在0.1～345MPa范圍內(nèi)，推進(jìn)劑燃速及壓強(qiáng)指數(shù)出現(xiàn)突增的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)后的燃速大于純AP的燃速，這與Irwin等關(guān)于高壓下AP燃燒占據(jù)主導(dǎo)地位的觀點(diǎn)相一致。推進(jìn)劑高壓燃速與壓強(qiáng)關(guān)系曲線如圖7所示，1、2、3分別代表3種推進(jìn)劑，黑線代表純AP。

圖7 純AP和不同配方推進(jìn)劑燃速結(jié)果[34]Fig.7 Burning rate of pure AP and propellants with different formulations[34]

為探究AP/HTPB推進(jìn)劑高壓燃速突增的原因，Dillier等[35-36]系統(tǒng)地研究了6.89～68.9MPa范圍內(nèi)AP含量、粒度、雙粒度以及三粒度級(jí)配對(duì)AP/HTPB推進(jìn)劑高壓燃速的影響，結(jié)果分別如圖8[35]、圖9[35]和圖10所示[35]。

圖8 含不同AP粒度推進(jìn)劑的燃速結(jié)果[35]Fig.8 Burning rate results of propellants with varous AP particle sizes[35]

圖9 AP單粒度、雙粒度及三粒度級(jí)配推進(jìn)劑燃速結(jié)果[35]Fig.9 Burning rate results of propellants with monomodal, bimodal, and trimodal AP particle size distributions[35]

圖10 含不同單AP粒度含量推進(jìn)劑的燃速結(jié)果[35]Fig.10 Burning rate results of propellants with varous monomodal AP particles[35]

結(jié)果表明，壓強(qiáng)超過(guò)20MPa后推進(jìn)劑出現(xiàn)壓強(qiáng)指數(shù)突增的拐點(diǎn)。隨著AP粒度(分別為46、59、138.8和210μm)的提高，拐點(diǎn)壓強(qiáng)分別為20.5、21.1、28.0和25.3MPa，其中含138.8μm AP推進(jìn)劑拐點(diǎn)壓強(qiáng)的異?？赡芘cAP粒度分布有關(guān)。在高于拐點(diǎn)壓強(qiáng)之后，燃速壓強(qiáng)指數(shù)由0.50以下增至1.0以上。AP雙粒度級(jí)配推進(jìn)劑的拐點(diǎn)壓強(qiáng)(37.3MPa)明顯高于三粒度級(jí)配推進(jìn)劑的拐點(diǎn)壓強(qiáng)(23.5MPa)。當(dāng)推進(jìn)劑中AP質(zhì)量分?jǐn)?shù)從80%提高到85%時(shí)，燃速拐點(diǎn)壓強(qiáng)從25.3MPa增至26.6MPa。

盡管關(guān)于丁羥推進(jìn)劑高壓燃燒機(jī)理的研究較少，但已提出一些理論來(lái)解釋燃速突增的原因。Irwin等[31-32]指出，高壓下推進(jìn)劑固相區(qū)較高的溫度梯度會(huì)引起AP顆粒內(nèi)部熱應(yīng)力急劇升高，導(dǎo)致顆粒中形成裂縫或孔隙，因而AP表面積的增加可能是燃速突增的原因。Hermance等[37]認(rèn)為高壓下推進(jìn)劑燃速突增不是AP單組元火焰主導(dǎo)的結(jié)果，而是燃料與氧化劑之間的層流火焰變成湍流火焰，導(dǎo)致火焰高度迅速下降，對(duì)燃面的熱反饋增強(qiáng)，從而造成燃速增大。

Dillier等[35-36]指出，高壓下壓強(qiáng)指數(shù)突增表明推進(jìn)劑發(fā)生了某種形式的對(duì)流燃燒，可能與粗AP顆粒的開(kāi)裂有關(guān)。高壓強(qiáng)對(duì)AP顆粒的應(yīng)力和AP粒子內(nèi)部孔隙中內(nèi)應(yīng)力均可能會(huì)導(dǎo)致顆粒開(kāi)裂。當(dāng)粗AP顆粒受熱分解時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量孔隙，熱分解氣體的存在導(dǎo)致內(nèi)部孔隙壓力可能高達(dá)10～100MPa，進(jìn)而在晶格內(nèi)發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)隨后成為進(jìn)一步分解的中心，加快了AP顆粒的熱分解速率[38]。此外，Dillier等[19]將純AP和AP/HTPB推進(jìn)劑高壓下的燃速進(jìn)行了對(duì)比，如圖11所示。

圖11 AP爆燃速率與推進(jìn)劑燃速的對(duì)比[19]Fig.11 Comparison of AP deflagration rates and propellants burning rates[19]

由圖11可知，燃速突增發(fā)生在純AP推進(jìn)劑燃速由低向高轉(zhuǎn)變的壓強(qiáng)范圍內(nèi)。因此，燃速突增可能與AP晶體內(nèi)部或晶格由正交向立方的相變而形成的孔隙有關(guān)。

2.3 高能硝胺炸藥對(duì)推進(jìn)劑高壓燃速的影響

RDX和HMX具有能量高、燃燒產(chǎn)物潔凈、燃燒產(chǎn)物相對(duì)分子量低的優(yōu)點(diǎn)，通常在丁羥推進(jìn)劑中少量加入成為丁羥四組元推進(jìn)劑[39-40]。魯國(guó)林等[41]研究了15～22MPa范圍內(nèi)RDX與HMX對(duì)推進(jìn)劑燃速的影響。結(jié)果表明，含RDX推進(jìn)劑燃速高于含HMX推進(jìn)劑燃速，且前者的燃速壓強(qiáng)指數(shù)略高于后者。雖然RDX與HMX具有相似的分子結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性質(zhì)以及熱分解機(jī)理，但RDX的熱分解溫度低、分解活化能小，在相同條件下，RDX更易分解燃燒，因此含RDX推進(jìn)劑的燃速要高于含HMX推進(jìn)劑。

賈小鋒等[42-43]研究表明，在15～20MPa范圍內(nèi)，含粗RDX與HMX推進(jìn)劑均存在燃速突變現(xiàn)象，壓強(qiáng)指數(shù)分別為0.9326和0.8218，而當(dāng)使用細(xì)RDX與HMX時(shí)，壓強(qiáng)指數(shù)可分別降至0.5295和0.5026。當(dāng)HMX粗/細(xì)粒度質(zhì)量比由20/0變化到0/20時(shí)，推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)從0.9326降低至0.4826。粗、細(xì)HMX和RDX對(duì)推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的影響如圖12所示[42]。RDX與HMX的熔點(diǎn)相對(duì)AP較低，且火焰溫度及爆熱均高于AP[37]。盡管RDX與HMX熱分解產(chǎn)物對(duì)壓強(qiáng)的依賴(lài)性強(qiáng)，壓強(qiáng)指數(shù)均達(dá)到1，但硝胺推進(jìn)劑氧平衡較低，導(dǎo)致燃燒溫度降低，對(duì)燃面的熱反饋下降，從而造成硝胺推進(jìn)劑燃速減小[41]。

圖12 粗、細(xì)HMX和RDX對(duì)推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)的影響[42]Fig.12 Effect of coarse and fine HMX and RDX particles on the burning rate and pressure exponent of propellants[42]

高壓下，隨著推進(jìn)劑燃速提高，粗RDX顆粒在推進(jìn)劑凝聚相中未能及時(shí)熔化、分解和蒸發(fā)，會(huì)被噴入到氣相中分解和燃燒[44-45]。不僅減少了RDX熔化和蒸發(fā)過(guò)程中的吸熱，而且增加了燃燒面積，這可能是推進(jìn)劑燃速隨硝胺粒度增大而提高的原因[46]。

CL-20的能量是HMX的1.2倍，在丁羥推進(jìn)劑中加入CL-20可以有效提升推進(jìn)劑的能量水平[47]。Kalman等[48]研究表明，在4.1～55.1MPa范圍內(nèi)，推進(jìn)劑(CL-20粒徑為3μm)的燃速未發(fā)生突變。而推進(jìn)劑(CL-20粒徑為500nm)的壓強(qiáng)指數(shù)出現(xiàn)了拐點(diǎn)，當(dāng)壓強(qiáng)低于8.3MPa時(shí)壓強(qiáng)指數(shù)為0.84，高于12MPa時(shí)壓強(qiáng)指數(shù)為0.48，說(shuō)明推進(jìn)劑(CL-20粒徑為500nm)在高低壓下具有不同的燃燒機(jī)理。

2.4 鋁粉對(duì)推進(jìn)劑高壓燃速的影響

在推進(jìn)劑中加入鋁粉不僅可以提高推進(jìn)劑的燃燒溫度和比沖，而且能夠抑制高頻不穩(wěn)定燃燒。但鋁粉在燃燒過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，降低鋁顆粒的燃燒效率[49]。高壓下推進(jìn)劑燃燒火焰更接近燃面，對(duì)燃面的熱反饋增強(qiáng)，這不僅提高了推進(jìn)劑燃速，而且加快了鋁顆粒的點(diǎn)火，導(dǎo)致團(tuán)聚物粒徑減小。此外，推進(jìn)劑燃面溫度隨壓強(qiáng)提高而增大，限制鋁顆粒移動(dòng)的黏合劑熔融層熱分解速率加快，對(duì)鋁團(tuán)聚物的粘附力降低，使鋁團(tuán)聚物更易脫離燃面進(jìn)入氣相點(diǎn)火燃燒[50]。研究表明，Al2O3相對(duì)于熔融態(tài)鋁的體積膨脹率相差約為6%[51]。因此，隨著溫度升高，Al2O3殼更容易發(fā)生破裂，使得熔融態(tài)的鋁繼續(xù)燃燒，因此提高壓強(qiáng)有利于提高鋁的燃燒效率。

鋁粉的粒徑不同，燃燒機(jī)理也有所差異。Balakrishnan等[52]研究表明，當(dāng)鋁粉粒徑小于或等于7.5μm時(shí)，鋁粉燃燒主要受到擴(kuò)散控制，當(dāng)鋁粉粒徑大于7.5μm時(shí)，為動(dòng)力學(xué)控制。當(dāng)配方中含有多種粒徑的鋁粉時(shí)，鋁粉燃燒可能同時(shí)存在多種模式。朱立勛等[53]研究了3～20MPa范圍內(nèi)鋁粉(5～10μm)形貌對(duì)丁羥推進(jìn)劑燃速的影響。結(jié)果表明，在該壓強(qiáng)范圍內(nèi)，當(dāng)鋁顆粒表面附著有鋁斑粒時(shí)，推進(jìn)劑燃速壓強(qiáng)指數(shù)由0.38增至0.67，而當(dāng)鋁顆粒表面光滑時(shí)，推進(jìn)劑燃速壓強(qiáng)指數(shù)僅從0.32增至0.40。高壓下，細(xì)鋁顆粒具有較低的點(diǎn)火溫度，因此表面附著細(xì)鋁顆粒的微米級(jí)鋁粉在高速熱分解氣流的作用下更易發(fā)生點(diǎn)火燃燒，同時(shí)較大的比表面積也使得推進(jìn)劑燃速及壓強(qiáng)指數(shù)增加。

Stephens等[27]研究了Al粒度級(jí)配對(duì)推進(jìn)劑高壓燃燒性能的影響。結(jié)果表明，在4～34.5MPa范圍內(nèi)，當(dāng)Al粉粗/細(xì)比例一定時(shí)，隨著細(xì)粒度Al從201nm降至47nm，推進(jìn)劑燃速提高，壓強(qiáng)指數(shù)從0.50增至0.59；而當(dāng)Al粒度級(jí)配(粗/細(xì)為3μm/134nm)中3μm鋁粉替換為36μm時(shí)，推進(jìn)劑燃速壓強(qiáng)指數(shù)由0.37增至1.12。Sippel等[54]認(rèn)為鋁顆粒燃燒過(guò)程中反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與擴(kuò)散作用的相互競(jìng)爭(zhēng)能夠反映燃速壓強(qiáng)指數(shù)n的大小，氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)受壓強(qiáng)影響較大，n隨壓強(qiáng)升高而增大。不同含鋁量推進(jìn)劑的燃速如圖13所示。

圖13 不同含鋁量推進(jìn)劑的燃速[19]Fig.13 Burning rates of propellants with different aluminum contents[19]

Dillier等[38]研究了6.89～68.9MPa范圍內(nèi)丁羥推進(jìn)劑的燃燒性能。結(jié)果表明，含鋁丁羥推進(jìn)劑存在燃速突增現(xiàn)象，且隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從8%提高至16%，推進(jìn)劑燃速拐點(diǎn)壓強(qiáng)從28.8MPa降低至24.2MPa，拐點(diǎn)之后的燃速壓強(qiáng)指數(shù)從1.70降至1.39。

綜上所述，配方會(huì)影響丁羥推進(jìn)劑高壓下的火焰結(jié)構(gòu)，使得氣相與凝聚相的局部傳熱發(fā)生變化，導(dǎo)致火焰對(duì)燃面的熱反饋增強(qiáng)，這可能是造成高壓下燃速突增的原因。對(duì)于固體推進(jìn)劑而言，配方設(shè)計(jì)需同時(shí)滿(mǎn)足能量、工藝及其他性能的要求，因而通過(guò)改變配方來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)劑高壓燃速的方法可行性較低。盡管改變氧化劑、固體填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒度及粒度級(jí)配在一定程度上可以調(diào)節(jié)丁羥推進(jìn)劑的高壓燃速及壓強(qiáng)指數(shù)，但這些方法的調(diào)節(jié)能力有限，且往往難以消除推進(jìn)劑燃速突增的拐點(diǎn)。因此，添加燃速調(diào)節(jié)劑成為調(diào)控固體推進(jìn)劑高壓燃燒性能最常用的方法，主要通過(guò)影響推進(jìn)劑中主要組分的熱分解速率以及氣相反應(yīng)速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 燃速調(diào)節(jié)劑對(duì)丁羥推進(jìn)劑燃速的調(diào)控研究

3.1 金屬氧化物對(duì)丁羥推進(jìn)劑燃速的調(diào)控

過(guò)渡金屬氧化物是丁羥推進(jìn)劑常用的燃速催化劑。張煒等[55]研究表明，F(xiàn)e2O3、Cr2O3、CuO和Co2O34種過(guò)渡金屬氧化物為AP的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程提供了橋梁，催化了推進(jìn)劑的熱分解，導(dǎo)致推進(jìn)劑燃速增大。徐浩星等[56]研究表明，在16～22MPa范圍內(nèi)，隨著Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0提高至2%，HTPB/AP/Al推進(jìn)劑燃速也隨之提高，燃速壓強(qiáng)指數(shù)從0.92降至0.67。Fe2O3主要對(duì)凝聚相的熱分解起催化作用，氣相反應(yīng)區(qū)對(duì)壓強(qiáng)變化仍較為敏感，因此推進(jìn)劑的燃速壓強(qiáng)指數(shù)雖然略微下降，但仍然偏高。Ma等[57]研究了Fe2O3與AP復(fù)合粒子對(duì)推進(jìn)劑燃速的影響。結(jié)果表明，在16～20MPa范圍內(nèi)，推進(jìn)劑燃速壓強(qiáng)指數(shù)從0.58降至0.35。一方面復(fù)合粒子會(huì)形成孔隙，增大燃燒面積，另一方面使得Fe2O3分散更均勻，減少Fe2O3的聚集，在推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中更易進(jìn)入氣相參與反應(yīng)。Fe2O3/AP復(fù)合粒子的SEM圖如圖14所示[57]。

圖14 Fe2O3/AP復(fù)合粒子的SEM圖[57]Fig.14 SEM image of Fe2O3/AP composite particles[57]

3.2 二茂鐵及其衍生物對(duì)丁羥推進(jìn)劑燃速的調(diào)控

二茂鐵及其衍生物與其他組分相容性好，在推進(jìn)劑中分散均勻，且能夠大幅提高燃速，在固體推進(jìn)劑中有廣闊的應(yīng)用前景[58]。賈小峰等[59]研究表明，在15～20MPa范圍內(nèi)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的T27既可使HTPB/AP/Al/HMX推進(jìn)劑燃速壓強(qiáng)指數(shù)從0.53降至0.43，又能夠使HTPB/AP/Al推進(jìn)劑燃速壓強(qiáng)指數(shù)從0.78降至0.35。徐浩星等[56]認(rèn)為T(mén)27加速了AP推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中的氣相反應(yīng)，導(dǎo)致氣相區(qū)反應(yīng)速率大幅增加，從而減弱了因壓強(qiáng)升高導(dǎo)致氣相區(qū)反應(yīng)速率增長(zhǎng)的幅度，因此，T27的加入降低了AP推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)。

宋繼閣等[60]指出，在9～16MPa范圍內(nèi)，二茂鐵衍生物G在提高推進(jìn)劑燃速的同時(shí)大幅度降低了推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.1%時(shí)，壓強(qiáng)指數(shù)可降至0.30左右，但隨著含量繼續(xù)增大，壓強(qiáng)指數(shù)變化不明顯。

李煥等[61]研究表明，在18～22MPa范圍內(nèi)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的卡托辛可使HTPB推進(jìn)劑的燃速壓強(qiáng)指數(shù)從0.99降至0.24，不同卡托辛含量推進(jìn)劑p─u曲線如圖15所示?？ㄍ行恋臒岱纸猱a(chǎn)物環(huán)戊二烯離子能夠與HClO4的熱分解產(chǎn)物HCl發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致HClO4的熱分解速率加快[62]。此外，鐵原子與氧原子反應(yīng)生成具有較高反應(yīng)活性的納米級(jí)Fe2O3，亦加快了AP的熱分解[63]。

圖15 含不同卡托辛含量推進(jìn)劑的燃速[61]Fig.15 Burning rates of propellants with different catocene contents[61]

此外，為解決二茂鐵的遷移性問(wèn)題，將二茂鐵硅烷衍生物接枝到黏合劑HTPB上，可獲得一類(lèi)性能優(yōu)異的二茂鐵基燃速催化劑巴特辛。Rao等[64]研究表明，改變接枝反應(yīng)工藝條件可以控制Fe-HTPB的黏度和鐵含量，使得由Fe-HTPB制備的推進(jìn)劑燃速比HTPB的提高125%，并且燃速壓強(qiáng)指數(shù)可降至0.35左右。Kurva等[65]使用二茂鐵接枝HTPB替代了50%的HTPB制備了推進(jìn)劑。結(jié)果表明，二茂鐵接枝HTPB推進(jìn)劑的燃速較HTPB提高了53%，并且可使7～9MPa范圍內(nèi)的壓強(qiáng)指數(shù)從0.39降至0.2，而10～12MPa范圍內(nèi)的壓強(qiáng)指數(shù)從0.25進(jìn)一步降至0.12。

3.3 納米催化劑對(duì)丁羥推進(jìn)劑燃速的調(diào)控

納米材料粒徑小、比表面積大，因此具有很高的催化活性[66]。宋繼閣等[60]研究表明，在8～18MPa范圍內(nèi)，F(xiàn)e和Co的納米氧化物能夠大幅度提高低壓燃速，使得壓強(qiáng)指數(shù)從0.52分別降至0.41和0.42；Cu的納米氧化物提高燃速和降低壓強(qiáng)指數(shù)的效果最好，壓強(qiáng)指數(shù)可降至0.37。納米Fe2O3比相應(yīng)普通催化劑具有更高的催化效率，且隨著含量增加，粒度效應(yīng)更強(qiáng)[67]。Pang等[68]研究表明，納米Fe2O3具有較大的比表面積和較低的點(diǎn)火閾值，能增加燃燒過(guò)程的熱吸附，并且在高壓下燃燒表面的放熱和傳熱均高于普通Fe2O3，因此提高了丁羥推進(jìn)劑高低壓下的燃速，使1～15MPa范圍內(nèi)推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)從0.40降至0.32。

研究表明，納米二氧化鈦(TiO2)可以顯著提高推進(jìn)劑的燃速[69]。TiO2常見(jiàn)的晶型有無(wú)定型、銳鈦礦和金紅石3種，不同晶型的TiO2具有不同的催化性質(zhì)。Stephens等[70]研究表明，在500～2500psi壓強(qiáng)范圍內(nèi)，銳鈦礦納米TiO2提高推進(jìn)劑燃速的效果優(yōu)于其他兩種晶型的納米TiO2。此外，摻雜Fe、Al和Gd元素均可以大幅提高推進(jìn)劑的高壓燃速，但是摻雜Al元素的推進(jìn)劑在壓強(qiáng)高于2000psi后會(huì)發(fā)生燃速突增。孟勝皓等[71]認(rèn)為擁有介孔結(jié)構(gòu)的納米TiO2對(duì)NH3有吸附效果，滯留了部分生成的NH3，使其與HClO4及其產(chǎn)物發(fā)生氧化還原放熱反應(yīng)，從而對(duì)AP熱分解產(chǎn)生催化作用。

Dillier等[72]制備了含納米TiO2和Fe2O3的丁羥推進(jìn)劑，并測(cè)試了推進(jìn)劑在6.89～68.9MPa范圍內(nèi)的燃速。納米TiO2和Fe2O3對(duì)含不同AP粒度推進(jìn)劑高壓燃速結(jié)果如圖16(a)和(b)所示。

圖16 納米TiO2和納米Fe2O3對(duì)不同粒徑AP推進(jìn)劑燃速的影響[72]Fig.16 Effect of nano-TiO2 and nano-Fe2O3 on burning rate of propellant containing different AP particle sizes[72]

由圖16可知，在該壓強(qiáng)范圍內(nèi)，當(dāng)推進(jìn)劑中AP粒徑為46μm時(shí)，含納米TiO2和的推進(jìn)劑燃速拐點(diǎn)消失，含F(xiàn)e2O3推進(jìn)劑發(fā)生燃速突變的壓強(qiáng)明顯高于空白推進(jìn)劑。當(dāng)AP粒徑提高至210.3μm時(shí)，含兩種燃速調(diào)節(jié)劑的推進(jìn)劑均出現(xiàn)了燃速突變，且含納米TiO2推進(jìn)劑的拐點(diǎn)壓強(qiáng)高于含納米Fe2O3推進(jìn)劑的拐點(diǎn)壓強(qiáng)。

3.4 碳材料及其復(fù)合物對(duì)丁羥推進(jìn)劑燃速的調(diào)控

碳納米管(CNTs)和石墨烯等新型碳材料及其復(fù)合物等均對(duì)推進(jìn)劑含能組分的熱分解具有良好的催化作用，能有效改善推進(jìn)劑的燃燒性能。劉永等[73]研究了納米Ni/CNTs復(fù)合催化劑對(duì)AP/HTPB推進(jìn)劑性能的影響。結(jié)果表明，高反應(yīng)活性的納米Ni與AP分解過(guò)程中形成的富氧化活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，有效減小了NH3對(duì)AP表面活化中心的覆蓋，促進(jìn)了AP的熱分解。而CNTs作為載體有效遏制了納米Ni顆粒的團(tuán)聚，且在燃燒過(guò)程中形成的“碳骨架”可防止納米Ni顆粒被吹離燃燒表面。同時(shí)，“碳骨架”的強(qiáng)導(dǎo)熱效應(yīng)增強(qiáng)了氣相區(qū)向凝聚相區(qū)的熱反饋，因此，在5～11MPa范圍內(nèi)，納米Ni/CNTs能夠提高推進(jìn)劑燃速，降低壓強(qiáng)指數(shù)。

Liu等[74]研究表明，石墨烯能使AP/HTPB/Al推進(jìn)劑的表觀分解熱提高3倍，并且可以顯著提高低壓下的推進(jìn)劑燃速，而降低高壓下的燃速，導(dǎo)致壓強(qiáng)指數(shù)下降。質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%石墨烯可使推進(jìn)劑在1～7MPa下的壓強(qiáng)指數(shù)由0.43降至0.34。Memon等[75]研究了4～8MPa范圍內(nèi)氧化石墨烯對(duì)AP/HTPB推進(jìn)劑燃速的影響。結(jié)果表明，在8MPa下，推進(jìn)劑的燃速顯著增加，這是因?yàn)檠趸┠軌蛲ㄟ^(guò)輻射和導(dǎo)熱系數(shù)改善傳熱，從而提高推進(jìn)劑的整體燃速。

Dey等[76]指出，在5～10MPa范圍內(nèi)，納米氧化鐵修飾的石墨烯可使AP/HTPB推進(jìn)劑燃速提高30%～40%，同時(shí)能夠降低壓強(qiáng)指數(shù)。Isert等[77]研究了4.8～13.8MPa范圍內(nèi)純石墨烯、納米Fe3O4改性石墨烯以及石墨烯的添加方式對(duì)推進(jìn)劑燃速的影響。結(jié)果表明，在封裝和物理混合兩種情況下，含改性石墨烯的推進(jìn)劑燃速比含純石墨烯增加了約25%以上，并且可使壓強(qiáng)指數(shù)從0.49降至0.31。

3.5 復(fù)合催化劑對(duì)丁羥推進(jìn)劑燃速的調(diào)控

復(fù)合催化劑由兩種及兩種以上的催化劑復(fù)配而成，因具有協(xié)同作用及一個(gè)組分對(duì)另一個(gè)組分的助催化作用等，使其催化活性比單一組分催化劑高。賈小鋒等[59]研究表明，在15～20MPa范圍內(nèi)，鉻酸鉛(Pr)對(duì)HMX/AP/Al/HTPB推進(jìn)劑燃速幾乎無(wú)影響，含量變化對(duì)燃速影響也不明顯。但T27、C和Pr復(fù)合催化劑對(duì)降低壓強(qiáng)指數(shù)具有協(xié)同效應(yīng)，壓強(qiáng)指數(shù)可降至0.36。宋繼閣等[60]研究表明，高氮化合物M與二茂鐵衍生物G復(fù)合物可將推進(jìn)劑8～18MPa下的壓強(qiáng)指數(shù)降至0.30以下。徐浩星等[56]研究表明，卡托辛與Fe2O3的復(fù)合催化劑加入HTPB/AP/Al推進(jìn)劑后，壓強(qiáng)指數(shù)從0.99降至0.40。李煥等[61]指出，亞鉻酸銅能使18～22MPa范圍內(nèi)的丁羥推進(jìn)劑燃速提高，壓強(qiáng)指數(shù)由0.99降至0.52。將卡托辛與亞鉻酸銅按比例復(fù)配后，燃速壓強(qiáng)指數(shù)可以降至0.5以下，且當(dāng)卡托辛與亞鉻酸銅的復(fù)配比例為1∶1時(shí)，壓強(qiáng)指數(shù)降至0.24。不同催化劑配比推進(jìn)劑p─u曲線如圖17所示。

圖17 含不同催化劑配比推進(jìn)劑的燃速[61]Fig.17 Burning rate of propellants with different catalyst ratios[61]

在丁羥推進(jìn)劑中添加少量有機(jī)鋇鹽復(fù)合物，即可清除燃面上的碳物質(zhì)，減弱輻射熱的吸收以及減緩熱傳導(dǎo)速率，從而導(dǎo)致推進(jìn)劑高壓下的燃速減小[78]。趙海等[79]指出，在15～25MPa范圍內(nèi)，含有機(jī)鋇鹽-季銨鹽復(fù)配物(BS-1/YZ-1)推進(jìn)劑能夠穩(wěn)定燃燒，靜態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.36，動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)指數(shù)為0.279。胡桃仙等[80]認(rèn)為二茂鐵可以提高推進(jìn)劑低壓燃速，季銨鹽分子片能夠降低高壓燃速，而有機(jī)鋇鹽類(lèi)化合物能夠清除燃面上的碳物質(zhì)和減少碳?xì)浠鶊F(tuán)易二次燃燒的分解片段，降低反應(yīng)區(qū)的燃燒熱以及對(duì)凝聚相的熱量傳遞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)劑高壓下壓強(qiáng)指數(shù)的有效控制。

綜上所述，燃速調(diào)節(jié)劑不僅可以降低氣相化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)壓強(qiáng)的敏感程度，而且能夠改變推進(jìn)劑的微觀火焰結(jié)構(gòu)，影響火焰對(duì)燃面的熱反饋，從而對(duì)燃速及燃速壓強(qiáng)指數(shù)起到調(diào)控作用。然而燃速調(diào)節(jié)劑對(duì)推進(jìn)劑配方具有選擇性，調(diào)節(jié)效果也隨配方不同而存在較大差異，導(dǎo)致添加燃速調(diào)節(jié)劑的方法普適性不強(qiáng)。此外，丁羥推進(jìn)劑中常用的燃速調(diào)節(jié)劑對(duì)其高壓燃燒性能的調(diào)控效果不佳，難以完全消除高壓燃速突增的拐點(diǎn)。因此，迫切需要開(kāi)展丁羥推進(jìn)劑高壓燃燒機(jī)理研究，開(kāi)發(fā)新型燃速調(diào)節(jié)劑來(lái)解決高壓下的燃速突增問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

丁羥推進(jìn)劑配方及燃燒過(guò)程均非常復(fù)雜，受普通燃燒器的承壓能力及推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生大量煙塵的限制，推進(jìn)劑高壓燃燒機(jī)理的研究較為困難，因此對(duì)于燃速突增機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不充分。本文從推進(jìn)劑燃燒波結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜述了丁羥推進(jìn)劑中主要組分和燃速調(diào)節(jié)劑對(duì)其高壓燃燒性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)高壓下丁羥推進(jìn)劑的氣相化學(xué)反應(yīng)速率加快，同時(shí)擴(kuò)散速率受到抑制，使得火焰更加靠近燃面，對(duì)燃面的熱反饋增強(qiáng)，造成高低壓下氣固兩相局部傳熱的差異，往往導(dǎo)致推進(jìn)劑的燃速及燃速壓強(qiáng)指數(shù)突增；

(2)丁羥推進(jìn)劑配方復(fù)雜，通過(guò)調(diào)整氧化劑、固體填料等粒度及粒度級(jí)配均可以在寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃速及燃速壓強(qiáng)指數(shù)的調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)幅度有限，因此難以通過(guò)調(diào)整配方來(lái)消除燃速突增的拐點(diǎn)；

(3)添加燃速調(diào)節(jié)劑是調(diào)控丁羥推進(jìn)劑燃燒性能的最有效方法，然而燃速調(diào)節(jié)劑對(duì)于配方具有選擇性，導(dǎo)致對(duì)高壓下燃速的調(diào)控效果仍然不理想，因此亟需開(kāi)發(fā)新型燃速調(diào)節(jié)劑來(lái)對(duì)高壓燃燒性能進(jìn)行有效調(diào)控。

建議今后加強(qiáng)以下幾方面的研究：

(1)針對(duì)丁羥推進(jìn)劑高壓燃速突增問(wèn)題，研究配方對(duì)推進(jìn)劑高壓燃燒性能的影響，確定燃速拐點(diǎn)壓強(qiáng)，闡明燃速拐點(diǎn)壓強(qiáng)隨配方的變化規(guī)律；

(2)研究壓強(qiáng)對(duì)丁羥推進(jìn)劑中各個(gè)組分燃燒特性的影響以及組分之間的相互作用，并通過(guò)推進(jìn)劑的燃面特性分析高壓下氣相和燃面的傳熱傳質(zhì)機(jī)制，更深入地揭示推進(jìn)劑的高壓燃燒機(jī)理及燃速突變機(jī)制；

(3)開(kāi)發(fā)新型燃速調(diào)節(jié)劑，從而實(shí)現(xiàn)丁羥推進(jìn)劑高壓燃燒性能的有效調(diào)控，解決燃速突增的問(wèn)題。