楊云杰，邢時(shí)越，張少華，余西龍，王澤眾，王海燕

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083；2.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190）

動力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)火箭快速、穩(wěn)定發(fā)射的關(guān)鍵。過去固體燃料火箭發(fā)動機(jī)主要應(yīng)用于導(dǎo)彈技術(shù)領(lǐng)域，在航天領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛，但隨著研究的深入，固體燃料火箭發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)[1]。其具有推力大、機(jī)動性強(qiáng)、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，能夠大大降低對發(fā)射場保障能力的依賴度[2]，滿足陸地、海洋不同發(fā)射環(huán)境的發(fā)射要求。

在固體火箭推進(jìn)劑的研發(fā)和使用過程中，依然面臨著一些亟待解決的問題，如更大載荷、更高比沖等。目前為提高固體火箭發(fā)動機(jī)的比沖，在原有推進(jìn)劑配方基礎(chǔ)上添加鋁金屬顆粒是極具潛力的新手段[3]。然而燃燒過程中，金屬凝聚相顆粒雖可以有效抑制高頻不穩(wěn)定燃燒，但未充分燃燒的金屬顆粒會導(dǎo)致兩相流損失，造成比沖降低。此外，高速運(yùn)動的團(tuán)聚物金屬顆粒具有較強(qiáng)的沖刷作用，可能損傷發(fā)動機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)[4-6]。為解決這些問題，全面掌握含鋁推進(jìn)劑的點(diǎn)火和燃燒規(guī)律，提高含鋁高能推進(jìn)劑的燃燒效率、穩(wěn)定性及可控性，眾多學(xué)者采用不同方法對含鋁固體推進(jìn)劑的燃燒特性進(jìn)行了研究。這些已有工作主要集中于點(diǎn)火延遲、燃燒速率及團(tuán)聚物等含鋁推進(jìn)劑應(yīng)用中最亟需關(guān)切的熱點(diǎn)上，如研究發(fā)現(xiàn)含鋁推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲不僅受點(diǎn)火溫度、環(huán)境壓力等因素的影響，同時(shí)也可通過調(diào)節(jié)氧濃度、鋁顆粒含量及粒徑等主動控制改變點(diǎn)火延遲時(shí)間[7-10]。在燃燒速率和團(tuán)聚研究方面，Belyaev 等[11]和Friedman 等[12]率先證實(shí)了含鋁推進(jìn)劑中鋁粒徑的增加可降低燃燒速率，增加推進(jìn)劑燃燒時(shí)間。但隨即人們發(fā)現(xiàn)這可能會引起凝聚相團(tuán)聚問題，如Takahashi 等[13]研究AP/AN 復(fù)合推進(jìn)劑在燃燒過程中鋁團(tuán)聚物和燃速的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)：降低燃速、增加鋁顆粒含量均會導(dǎo)致團(tuán)聚物粒度增加，然此結(jié)論目前尚未得到一致認(rèn)同。Anand 等[14]認(rèn)為團(tuán)聚物尺寸與燃速之間正相關(guān)，即提高燃速和增加鋁顆粒的含量會使團(tuán)聚物的粒度增加。另外，劉佩進(jìn)等[15]研究確定了兩種常見推進(jìn)劑在不同壓力環(huán)境下凝相產(chǎn)物的粒度分布規(guī)律。曹向宇[16]采用輻射成像的測溫方法對推進(jìn)劑中鋁顆粒表面溫度進(jìn)行了測量分析，得出平均溫度約為2 566 K。但由于此類含高能金屬顆粒推進(jìn)劑屬于新一代固體推進(jìn)劑，其燃燒不僅包含常見的化學(xué)反應(yīng)和燃燒過程，更牽涉到復(fù)雜的多種相變、多相混合、多相凝結(jié)等傳熱傳能過程，截止到目前，國內(nèi)外的相關(guān)研究和應(yīng)用均處于發(fā)展初期階段，尚需要深入研究。

綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，含鋁推進(jìn)劑的配方尤其是鋁顆粒粒徑及含量不僅影響推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲和燃燒速率，同時(shí)也決定著團(tuán)聚物的特性。而環(huán)境參數(shù)、點(diǎn)火延遲、燃燒速率和團(tuán)聚物之間也存在復(fù)雜的關(guān)系。到目前為止，研究界尚未得到明確的結(jié)論，甚至還存在如Takahashi 等[13]和Anand 等[14]關(guān)于燃速與團(tuán)聚粒度之間相互矛盾的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。因此，針對不同配方、不同工作環(huán)境下的含鋁推進(jìn)劑均需開展深入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究工作，全面掌握確定工作條件下的點(diǎn)火延遲、燃燒速率和團(tuán)聚物特性的變化規(guī)律，以便開發(fā)和優(yōu)化新型含鋁高能推進(jìn)劑配方，提高新一代含鋁高能推進(jìn)劑的燃燒效率、穩(wěn)定性和可控性，同時(shí)為探索含鋁推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理和規(guī)律提供試驗(yàn)驗(yàn)證。

為此，本文在模擬固體發(fā)動機(jī)高壓條件下，采用可調(diào)功率激光器結(jié)合高速攝影和發(fā)射光譜等光學(xué)診斷技術(shù)，對某新型配方的含鋁高能推進(jìn)劑開展點(diǎn)火燃燒過程的研究，探索不同環(huán)境壓力和點(diǎn)火功率參數(shù)下該新型固體推進(jìn)劑的燃燒特性，以期為該推進(jìn)劑的配方優(yōu)化或工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)，或?yàn)樘岣甙l(fā)動機(jī)的燃燒熱效率以及解決發(fā)動機(jī)燃燒過程中的熱結(jié)構(gòu)問題提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 所示為模擬固體發(fā)動機(jī)高壓燃燒環(huán)境所設(shè)計(jì)建設(shè)的固體推進(jìn)劑激光點(diǎn)火燃燒特性光學(xué)研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，主要由推進(jìn)劑高壓燃燒腔體系統(tǒng)、激光點(diǎn)火系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)（光纖光譜儀、高速相機(jī)）、同步控制模塊和氣壓控制模塊等組成。高壓燃燒室三面開設(shè)紫外石英窗口，另一面窗口為推進(jìn)劑安裝更新使用。為保證實(shí)驗(yàn)過程中燃燒室的高壓密封性，窗口安裝均采用特殊承壓式O 形圈進(jìn)行密封，設(shè)計(jì)壓力可達(dá)30 MPa。

圖1 固體推進(jìn)劑激光點(diǎn)火燃燒特性光學(xué)研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Optical experimental system for laser ignition combustion characteristics of solid propellant

氣壓控制模塊與燃燒室相連，用以控制燃燒室內(nèi)壓力環(huán)境。采用0～1 000 W 功率可調(diào)節(jié)式光纖激光器（激光器輸出波長為1 080 nm，光束為高斯光束，光斑直徑約為8 mm，以中心能量的1/e2處為邊界）對該推進(jìn)劑進(jìn)行單脈沖點(diǎn)火。數(shù)據(jù)采集模塊使用高速相機(jī)（FASTCAM SA-Z, Photon）對燃燒過程進(jìn)行拍攝，同時(shí)采用焦距為500 mm 的光柵光譜儀（Spectropro HRS-500, Princeton Instruments）搭配光纖光譜儀對推進(jìn)劑燃燒光譜進(jìn)行采集。同步控制模塊采用西門子Smart S7-200 定時(shí)控制器設(shè)計(jì)制作的觸發(fā)系統(tǒng)對激光器進(jìn)行激光輸出控制，其激光同步信號用于觸發(fā)多通道數(shù)字信號發(fā)生器（DG645, Stanford Research Systems），而后DG645 輸出多路同步信號觸發(fā)高速相機(jī)以及光譜儀等測試設(shè)備進(jìn)行高精準(zhǔn)的延時(shí)拍攝及信號采集，儲存數(shù)據(jù)至控制電腦以備后期處理分析推進(jìn)劑的點(diǎn)火燃燒過程。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)

燃燒室內(nèi)為空氣環(huán)境，對固體推進(jìn)劑進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)前，通過高壓氣瓶和減壓閥控制腔體環(huán)境壓力參數(shù)。實(shí)驗(yàn)所采用的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 激光點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters of laser ignition

實(shí)驗(yàn)中所使用的固體推進(jìn)劑為三元組分，組分含量分別為氧化劑（高氯酸銨，AP，70%）、金屬添加劑（鋁，Al，18%）和粘合劑（12%）。前期實(shí)驗(yàn)測試表明，常溫常壓下，確保該新型推進(jìn)劑成功點(diǎn)火，激光熱流密度應(yīng)不低于300 W/cm2，其脈沖寬度應(yīng)不小于200 ms。因此，將激光脈寬設(shè)置為200 ms，激光輸出功率設(shè)置為200 和400 W，其熱流密度分別為400 和800 W/cm2。進(jìn)行一系列不同壓力環(huán)境下點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，高速相機(jī)采集頻率為5 000 Hz、曝光時(shí)長250 ns。同時(shí)，采用焦距30 mm 短焦透鏡收集燃燒過程的輻射信號，分別通過石英光纖導(dǎo)入HRS-500 型光柵光譜儀或光纖光譜儀。其中，光柵光譜儀狹縫設(shè)置為10 μm，采用600 g/mm 光柵采集300～800 nm 范圍內(nèi)推進(jìn)劑的輻射光譜；光纖光譜儀用于采集400～550 nm 范圍內(nèi)AlO（B2Σ+-X2Σ+）躍遷的部分譜帶，用于分析推進(jìn)劑的燃燒溫度。

2 推進(jìn)劑的點(diǎn)火及燃燒過程

將推進(jìn)劑切片（尺寸約為5 mm×5 mm×1 mm）豎直貼壁置于特制的推進(jìn)劑燃燒臺上，此燃燒臺位于高壓燃燒腔體中心，固定于激光入射對向窗口，從而使點(diǎn)火激光垂直于燃面入射，并保證激光光斑可有效覆蓋推進(jìn)劑燃面，經(jīng)高速相機(jī)捕獲其典型燃燒過程圖像如圖2 所示。

圖2 新型含鋁高能推進(jìn)劑的激光點(diǎn)火及燃燒過程Fig.2 Laser ignition and combustion process of a new aluminum-containing high-energy propellant

觀察分析可以得出，此固體推進(jìn)劑的點(diǎn)火燃燒過程分為4 個階段：惰性加熱階段、熱解階段、初始火焰階段和穩(wěn)定燃燒階段[17]。結(jié)合文獻(xiàn)[17]及本實(shí)驗(yàn)所采集的燃燒過程現(xiàn)象，繪制了如圖3 所示的含鋁推進(jìn)劑點(diǎn)火燃燒通用模型圖。

圖3 含鋁固體推進(jìn)劑點(diǎn)火燃燒模型Fig.3 Ignition combustion model of aluminum-containing solid propellant

當(dāng)激光器被觸發(fā)后，輸出激光作用于推進(jìn)劑表面，與含能物質(zhì)相互作用。推進(jìn)劑吸收光能轉(zhuǎn)化為自身內(nèi)能并向內(nèi)部傳遞，溫度升高的同時(shí)促使推進(jìn)劑發(fā)生分解或解離反應(yīng)。當(dāng)溫度升高至熔點(diǎn)時(shí)，推進(jìn)劑表面開始形成固液混合的熔融區(qū)。而后部分液相隨溫度繼續(xù)升高逐漸氣化并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量的熱量。當(dāng)熱量達(dá)到絕熱火焰溫度時(shí)，形成脫離燃面的初始火焰，同時(shí)燃燒表面顆粒物隨著溫度的升高開始被點(diǎn)燃，局部出現(xiàn)火星。隨著表面反應(yīng)不斷加劇，推進(jìn)劑開始燃燒，燃面退移，金屬顆粒暴露至燃燒鋒面，在燃燒反應(yīng)下不斷被加熱并且發(fā)生移動，并與相鄰的顆粒發(fā)生聚集，形成類珊瑚狀聚集體并粘附在燃面，如圖3(a)所示。隨著溫度的升高，熔融團(tuán)聚成一個小球，在燃?xì)獾耐苿酉聰嗔眩撾x燃面以旋轉(zhuǎn)姿態(tài)進(jìn)入燃燒氣相區(qū)[18]，同時(shí)產(chǎn)生的熱量繼續(xù)引發(fā)周圍推進(jìn)劑的反應(yīng)，持續(xù)產(chǎn)生大量的熔融顆粒脫離燃面進(jìn)入氣相區(qū)，即構(gòu)成了宏觀觀測到的火焰，呈現(xiàn)為穩(wěn)定的燃燒。脫離燃面后的凝聚相顆粒結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示，通常由凝聚相顆粒、顆粒側(cè)面的氧化帽及較長的氣相產(chǎn)物拖尾構(gòu)成。目前主要研究結(jié)果[6,19]認(rèn)為凝聚相顆粒主要為鋁液滴，其表面附近存在著豐富的氣相鋁及其與氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生的低階氧化物（如AlO、Al2O、Al2O2等），這些氧化物在擴(kuò)散和對流作用下經(jīng)歷一系列復(fù)雜的氣相反應(yīng)、分解反應(yīng)及縮合反應(yīng)等形成復(fù)雜的多相產(chǎn)物，或沉積在顆粒的表面，或圍繞于顆粒周圍受氣流影響形成長長的含煙（產(chǎn)物Al2O3微顆粒）拖尾。沉積于顆粒表面的氧化物因表面張力的作用聚集于顆粒一側(cè)，最終形成如圖3(b)所示的形態(tài)與亮度均較為突出的氧化帽。目前為止，學(xué)界對于氧化帽的確切成分及其形成機(jī)制尚未有定論，但由于輻射光信號攜帶有大量的分子反應(yīng)內(nèi)能級等可用于燃燒場溫度測量的信息，故根據(jù)燃燒形態(tài)及光輻射特征可見，氧化帽所在區(qū)域周邊為鋁顆粒發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)所在。因此，本文采用經(jīng)驗(yàn)證為最為有效和適用于火箭發(fā)動機(jī)燃燒溫度測量的輻射光譜測溫技術(shù)，對于本文中的新型含鋁推進(jìn)劑的點(diǎn)火及燃燒過程進(jìn)行了測量和分析，得到300～800 nm 范圍內(nèi)的發(fā)射光譜，如圖4 所示。

由圖4 可以觀察到清晰的Al 以及中間產(chǎn)物AlO（B2Σ+-X2Σ+）躍遷的一系列振轉(zhuǎn)躍遷譜帶，這是含鋁推進(jìn)劑燃燒最顯著的特征。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)有K、Na 等一般雜質(zhì)原子的譜線存在。文獻(xiàn)[19]顯示，AlO 是鋁顆?；瘜W(xué)反應(yīng)過程中的普遍存在的氣相中間產(chǎn)物，也是Al 液滴氧化生成產(chǎn)物Al2O3過程中最為關(guān)鍵的低階氧化物。平面激光誘導(dǎo)熒光測溫實(shí)驗(yàn)[20]也證明燃燒中AlO 自由基位于鋁顆粒的外表層周圍，與“局部熱平衡模型”數(shù)值模擬中鋁顆粒外圍的金屬燃燒極限高溫平臺區(qū)重合度較高。此外，由于劇烈燃燒或爆炸過程中的中間產(chǎn)物處于熱力學(xué)局部熱平衡狀態(tài)，即AlO 不同能級上的粒子數(shù)布局滿足玻爾茲曼分布，因此對AlO 的發(fā)射光譜進(jìn)行分析所獲取的粒子溫度可視為AlO 所在區(qū)域的宏觀溫度，即代表含鋁推進(jìn)劑在燃燒過程中的高溫區(qū)溫度，具體分析原理及結(jié)果見3.2 節(jié)。

圖4 新型含鋁高能推進(jìn)劑燃燒發(fā)射光譜Fig.4 Combustion emission spectra of the new aluminumcontaining high energy propellant

3 結(jié)果與分析

3.1 不同壓力下推進(jìn)劑的燃燒效率

3.1.1 環(huán)境壓力對點(diǎn)火延遲的影響

將固體推進(jìn)劑置于不同壓力環(huán)境中進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，通過高速相機(jī)實(shí)時(shí)記錄的推進(jìn)劑點(diǎn)火燃燒影像。結(jié)合精確的時(shí)序信號，測量可觀測到第一張亮斑出現(xiàn)的準(zhǔn)確時(shí)刻，即可確定該推進(jìn)劑在0.1～5 MPa 的空氣環(huán)境壓力范圍內(nèi)的點(diǎn)火延遲隨環(huán)境壓力和點(diǎn)火功率的變化規(guī)律，如圖5 所示。

圖5 不同壓力條件下點(diǎn)火延遲的變化規(guī)律Fig.5 Variation of ignition delay time with pressure

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，激光點(diǎn)火功率為200 W、腔體環(huán)境壓力為0.1 MPa 時(shí)，該推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲約為180 ms。隨著壓力的不斷增大，其點(diǎn)火延遲呈單指數(shù)規(guī)律衰減，并在高壓區(qū)逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)點(diǎn)火激光功率增大為400 W 時(shí)，此推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲顯著縮短，在0.1 MPa 時(shí)為137 ms，1 MPa 時(shí)即接近于其高壓下的極值，而后隨壓力的上升幾乎保持不變。通過對點(diǎn)火延遲數(shù)據(jù)做單指數(shù)擬合，可得表2 所示不同點(diǎn)火功率條件下點(diǎn)火延遲時(shí)間t隨環(huán)境壓力p的變化規(guī)律公式。

表2 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間 t (ms) 隨壓力 p (MPa) 變化規(guī)律公式Table 2 Formula of variation of ignition delay time t (ms) with pressurep(MPa)

通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火激光功率為400 W 時(shí)，此推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲變化幅度不大，尤其在高壓條件下（大于1 MPa）基本保持穩(wěn)定。由此計(jì)算出兩種不同功率下推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲的縮短量（Δt）隨環(huán)境壓力p的變化規(guī)律，如圖6 所示，以便掌握本實(shí)驗(yàn)工況外該推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲的大致數(shù)據(jù)及點(diǎn)火功率對點(diǎn)火延遲的提升幅度受壓力的影響情況。

受推進(jìn)劑組分不均勻性影響，在不同壓力條件下點(diǎn)火延遲時(shí)間存在一定浮動，造成圖6中3～4 MPa 的點(diǎn)火延遲縮短量較為接近，但總體趨勢同樣遵循指數(shù)遞減關(guān)系。結(jié)合圖5 可知，點(diǎn)火功率或環(huán)境壓力的增大都能有效加速推進(jìn)劑點(diǎn)火過程，縮短點(diǎn)火延遲。但相同壓力條件下此推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲與點(diǎn)火功率之間并不呈簡單的線性關(guān)系，其原因?yàn)橥七M(jìn)劑各組分的光子吸收效率及能量轉(zhuǎn)移等深層化學(xué)反應(yīng)過程受溫度、壓力等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的影響，一般并不能以簡單的線性關(guān)系描述。如本文的推進(jìn)劑在400 W 激光點(diǎn)火時(shí)的點(diǎn)火延遲相比200 W 時(shí)明顯縮短，在常壓下縮短1/3 以上，但在較高壓力環(huán)境下（如5 MPa時(shí)），此點(diǎn)火延遲的變化幅值明顯減小。因此可以推斷出，隨著環(huán)境壓力的增加，點(diǎn)火延遲會趨近于一穩(wěn)定值，且增大點(diǎn)火功率能夠有效減小點(diǎn)火延遲。但點(diǎn)火功率較小時(shí)，點(diǎn)火延遲受環(huán)境壓力的影響較為明顯，變化范圍較大，即在低功率點(diǎn)火時(shí)，此推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲可控性較高。采用較大的點(diǎn)火能量時(shí)，環(huán)境壓力對點(diǎn)火延遲影響較小，尤其是在高壓工作環(huán)境中（大于1 MPa），其影響幾乎可以忽略。因此，在工程應(yīng)用中若需要調(diào)節(jié)點(diǎn)火延遲，可采用較低功率激光點(diǎn)火；若要求固定點(diǎn)火延遲，則可選擇較高的激光點(diǎn)火能量，其具體數(shù)值可根據(jù)本文方法確定或推算得出。

圖6 Δt 隨p 的變化規(guī)律Fig.6 Variation law of Δt with p

3.1.2 環(huán)境壓力對退移速率的影響

通過對高空間分辨率的推進(jìn)劑燃燒圖像（像素尺寸對應(yīng)空間分辨標(biāo)定值為每像素80 μm）進(jìn)行處理，獲得推進(jìn)劑的厚度l，記錄點(diǎn)燃及燃滅的時(shí)刻（t0和t1），可求得平均退移速率r=l/(t1-t0)。在不同工作壓力環(huán)境下，推進(jìn)劑的燃燒效率存在差異，推進(jìn)劑退移速率和壓力之間的關(guān)系可用Summerfield 燃速公式[21]表征

式中：r為推進(jìn)劑退移速率，mm/s；p為壓強(qiáng)，MPa；as、bs為燃速系數(shù)。圖7 給出了對0.1～5 MPa 的壓力下的退移速率數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合所得曲線。由擬合曲線可計(jì)算出在激光功率為200 和400 W 時(shí)，Summerfield 燃速公式的as、bs值，如表3 所示。

圖7 不同壓力下退移速率的變化規(guī)律Fig.7 Variation of regression rate under different pressures

從表3 可以看出，在該實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)格遵循Summerfield 燃速公式（R2值均高于0.99），能夠表征該推進(jìn)劑在不同壓力環(huán)境下的退移速率特性。隨著壓力環(huán)境的升高，退移速率增大，可以通過燃速公式計(jì)算對應(yīng)的退移速率。隨著工作環(huán)境壓力的升高，退移速率曲線先增高后趨于平緩，原因是環(huán)境壓力的升高導(dǎo)致火焰燃燒更充分，對燃面的熱反饋更高，進(jìn)一步加快推進(jìn)劑的熱分解速率，同時(shí)也受推進(jìn)劑自身反應(yīng)速率的影響，不能無限制地增大。定義環(huán)境壓強(qiáng)每增加0.1 MPa 時(shí)退移速率的相對增長比例為退移速率增長率（如圖7 所示）?？梢钥闯?，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作環(huán)境壓強(qiáng)大于 4 MPa 時(shí)，退移速率的增長率小于1%。再增大環(huán)境壓強(qiáng)，退移速率增長緩慢，趨近于該推進(jìn)劑燃燒速率極限。

表3 燃速公式的參數(shù)Table 3 Parameters of burning rate formula

3.2 不同壓力下推進(jìn)劑的燃燒溫度

3.2.1 雙波段發(fā)射光譜測溫原理

本文采用的雙波段發(fā)射光譜測溫是一種非接觸式測溫，其原理是將所拍攝的凝聚相光信號看作黑體輻射，也稱輻射測溫技術(shù)，是以普朗克輻射定律為基礎(chǔ)，描述了發(fā)射光譜強(qiáng)度在不同溫度下隨波長變化的規(guī)律[22-23]，具體表達(dá)式為

式中：M(λ,T)為單色輻出度，λ 為波長，T為溫度，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，c為光速，C1=2πhc2為第一輻射常數(shù)，C2=hc/k為第二輻射常數(shù)。

在實(shí)際測試中由于物體不完全為黑體，需要考慮其光譜發(fā)射率ε(λ,T)，則普朗克輻射定律應(yīng)修正為

對于溫度的求解，可以通過雙波長比值法來計(jì)算燃燒溫度。當(dāng)選擇波長λ1和λ2相差很小時(shí)，可將輻射源近似為灰體，即可認(rèn)為ε(λ1,T)≈ε(λ2,T)。通過計(jì)算不同波長下式(3)的比值可得到溫度T的函數(shù)表達(dá)式

3.2.2 不同壓力條件下推進(jìn)劑燃燒溫度變化

推進(jìn)劑燃燒的過程通常分為點(diǎn)火、燃燒、熄滅3 個階段。在點(diǎn)火之后，燃面反應(yīng)愈發(fā)劇烈，溫度迅速上升，當(dāng)燃燒達(dá)到一定程度時(shí)溫度達(dá)到平臺期，燃燒溫度相對穩(wěn)定，之后可燃物消耗殆盡，燃燒熄滅，溫度下降。由于燃燒過程中的能量交換十分迅速，采用高時(shí)間分辨的光譜可以較快地響應(yīng)并近似“凍結(jié)”地捕捉其燃燒狀態(tài)。本工作中設(shè)定光纖光譜儀的觸發(fā)時(shí)間為觸發(fā)激光器后300 ms，曝光時(shí)間為1 ms。不同實(shí)驗(yàn)條件下的推進(jìn)劑燃燒光譜圖如圖8 所示，發(fā)射光譜強(qiáng)度隨壓強(qiáng)的升高而增大，由此反映出固體推進(jìn)劑燃燒的發(fā)光劇烈程度在不斷提升。從高速相機(jī)拍攝到的圖像數(shù)據(jù)中也可定性的證實(shí)。

圖8 不同壓力下AlO 光譜強(qiáng)度曲線Fig.8 Spectral intensity curves of AlO under different pressures

實(shí)驗(yàn)前，分別使用標(biāo)準(zhǔn)鎢燈（63976, Oriel Instuments）和汞氬燈對光譜儀強(qiáng)度響應(yīng)曲線和波長進(jìn)行標(biāo)定。如前所述由于鋁燃燒過程中存在大量中間產(chǎn)物AlO，且最大濃度位于火焰鋒面和顆粒之間的高溫反應(yīng)區(qū)域，是反應(yīng)熱的主要來源[22]。故選取AlO 特征峰486 和512 nm 作為輻射測溫的波長，對該推進(jìn)劑燃燒高溫區(qū)的溫度進(jìn)行計(jì)算。由于固體推進(jìn)劑的制作工藝，其燃料部分無法做到完全均勻分布，因此在相同實(shí)驗(yàn)條件下，燃燒溫度存在一定的數(shù)據(jù)浮動，計(jì)算相同實(shí)驗(yàn)條件下10 組燃燒溫度，得出不同壓力條件下的燃燒溫度分布如圖9 所示。

由圖9 可見，常壓下200 和400 W 的點(diǎn)火條件下燃燒最高溫度均在約3 000 K，但大功率點(diǎn)火時(shí)燃燒溫度明顯偏高，最高可達(dá)到3 300 K。原因在于較高的激光能量作用于燃面，加速了推進(jìn)劑的氣相反應(yīng)速率，使得反應(yīng)更快更充分，燃燒溫度也相對較高。此外，盡管兩種點(diǎn)火功率下，推進(jìn)劑的燃燒溫度均在3 000 K 左右起伏，但點(diǎn)火功率為200 W 時(shí)，該推進(jìn)劑的燃燒溫度均值隨環(huán)境壓力的升高總體呈上升趨勢，在4 MPa 時(shí)達(dá)到峰值。而當(dāng)點(diǎn)火功率為400 W 時(shí)，燃燒溫度存在一定的波動，且在環(huán)境壓力大于3 MPa 時(shí)，出現(xiàn)較高點(diǎn)火能量的燃燒溫度低于低能量點(diǎn)火的燃燒溫度的情況。分析其原因認(rèn)為，一方面受推進(jìn)劑組分分布均勻性的影響，燃燒存在如震蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)所采集的光譜數(shù)據(jù)未對應(yīng)推進(jìn)劑燃燒的最高溫度階段；另一方面火焰中最高燃燒溫度應(yīng)位于火焰鋒面和團(tuán)聚物表面位置，在較高壓力條件下，燃燒室存在較大的煙霧，可能對光譜數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生影響，因此出現(xiàn)在高環(huán)境壓力條件下燃燒溫度不增反降的現(xiàn)象?；谏鲜鼋Y(jié)果可總結(jié)得到該推進(jìn)劑的燃燒溫度與壓力正相關(guān)，且在高壓、高能量密度點(diǎn)火條件下的最高燃燒溫度應(yīng)高于3 300 K。

圖9 不同壓力條件下燃燒溫度Fig.9 Combustion temperature diagram under different pressure conditions

此外值得說明的是，上述的光譜測試結(jié)果和分析也驗(yàn)證了此雙波段發(fā)射光譜技術(shù)用于診斷高溫高壓等極端條件下（如火箭發(fā)動機(jī)等狀態(tài)）溫度場的可行性和可信度。當(dāng)然，此技術(shù)在測量精度以及空間分辨率上還需提高，在下一步的研究中，擬提高光譜采集的時(shí)間和空間分辨率，以提高溫度的時(shí)空分辨率和準(zhǔn)確性，進(jìn)而更精準(zhǔn)的了解和掌握此推進(jìn)劑的燃燒過程和機(jī)理。

3.3 不同壓力下團(tuán)聚物粒徑變化規(guī)律

為分析不同壓力條件下燃燒顆粒團(tuán)聚問題，取不同壓力環(huán)境下相同時(shí)刻高速相機(jī)拍攝的燃燒圖像，對其進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，識別圖中發(fā)光顆粒投影面積的大小，用以表征推進(jìn)劑金屬熔融顆粒脫離燃面時(shí)的尺寸。通過分析團(tuán)聚物的平均面積，得出脫離燃面的團(tuán)聚物平均面積與壓力的關(guān)系，如圖10 所示。隨著環(huán)境壓力的增大，顆粒的數(shù)密度增大，脫離燃面的團(tuán)聚物顆粒的平均直徑呈指數(shù)規(guī)律減小。

圖10 不同壓力條件下凝聚相顆粒平均面積Fig.10 Average area of condensed phase particles under different pressure conditions

通過對兩種點(diǎn)火功率下團(tuán)聚物平均粒徑變化規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)增大點(diǎn)火功率可有效減小燃燒時(shí)的團(tuán)聚物粒徑，使金屬鋁能夠更加充分地燃燒，提高鋁的燃燒效率。當(dāng)點(diǎn)火功率一定時(shí)，隨著環(huán)境壓力的增加燃燒傳熱傳質(zhì)過程加快。在此環(huán)境下，鋁顆粒更容易轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)，且由于燃燒對于表面熱反饋的增強(qiáng)，使得熔融鋁具有更小的附著力以及受到更大的推力，在燃面停留時(shí)間縮短，與其他熔融體的融合概率減少，這也說明了在高壓高燃速狀態(tài)下脫離燃面的團(tuán)聚物平均尺寸會變小的原因。

從高速攝影的實(shí)時(shí)監(jiān)測圖像來看，隨著環(huán)境壓力的升高，氧化鋁煙塵濃度越來越大，表明反應(yīng)愈發(fā)劇烈。大量的固體燃料轉(zhuǎn)化為氣相，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。該過程轉(zhuǎn)化越完全，該推進(jìn)劑的燃燒效率越高。因此在實(shí)際應(yīng)用中，要提高燃燒效率、控制燃燒時(shí)團(tuán)聚物粒徑尺寸、避免不充分燃燒產(chǎn)生的大量熔渣對發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，可以通過增大點(diǎn)火功率及環(huán)境壓力來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

本文以含鋁固體推進(jìn)劑為研究對象，在0.1～5 MPa 環(huán)境壓力下對其開展了點(diǎn)火延遲、退移速率、燃燒溫度以及鋁顆粒團(tuán)聚物粒徑的研究，結(jié)論如下：

(1) 通過精確的時(shí)序時(shí)間計(jì)算推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲及退移速率，得出此新型推進(jìn)劑隨著壓力的增大，點(diǎn)火延遲呈指數(shù)規(guī)律下降，且環(huán)境壓力大于1 MPa 時(shí)，點(diǎn)火功率增加對點(diǎn)火延遲的影響占主導(dǎo)作用，同時(shí)退移速率加快，隨壓力的變化符合Summerfield 燃速公式；

(2) 采用雙波段發(fā)射光譜技術(shù)，基于輻射測溫原理對該推進(jìn)劑的燃燒中間產(chǎn)物AlO 所表征的釋熱區(qū)平均燃燒溫度進(jìn)行了測量分析，得出該推進(jìn)劑的燃燒溫度隨著壓力的升高而升高，且在高壓、高能量密度點(diǎn)火條件下的最高燃燒溫度應(yīng)高于3 300 K，該結(jié)果同時(shí)驗(yàn)證了該光譜測溫技術(shù)的可行性；

(3) 對不同燃燒環(huán)境下團(tuán)聚物發(fā)光面積的測試分析結(jié)果表明，隨著環(huán)境壓力的增加，推進(jìn)劑反應(yīng)劇烈，燃速升高，脫離燃面的團(tuán)聚物的尺寸明顯變??；在實(shí)際應(yīng)用中可以通過增大點(diǎn)火功率及環(huán)境壓力來減小脫離燃面的凝聚相產(chǎn)物。

衷心感謝中國科學(xué)院力學(xué)研究所郭大華高級工程師、孟東東工程師、北京控制工程研究所攸興杰工程師在此工作中于機(jī)械設(shè)計(jì)和數(shù)字控制方面的大力支持。