探究镀铝NEPE推进剂中的点火、燃烧及聚集动力学过程

《Combustion and Flame》：Exploring the ignition, combustion, and agglomeration dynamics in aluminized NEPE propellants

硝化酯塑性聚醚推进剂中铝颗粒聚集机制研究揭示了高压和氧气浓度显著降低点火延迟并提高燃烧速率，同时发现燃烧速率与铝聚集物质量平均粒径负相关。

　　

作者：程银图（Chengyin Tu）、熊晨（Xiong Chen）、周长胜（Changsheng Zhou）

单位：清华大学燃烧能源中心及能源与动力工程系，北京 100084，中国

摘要

硝酸酯增塑聚醚（NEPE）推进剂因其高比冲、稳定的燃烧性能和出色的承载能力而广受认可。加入铝颗粒后，其能量密度和推进效率进一步提升。然而，铝颗粒容易在燃烧表面聚集，这会导致氧化不完全、喷嘴堵塞以及有害的两相流动损失。为了解决这些问题，本研究对含铝NEPE推进剂的点火、燃烧和聚集行为进行了全面的实验研究。采用高压密封燃烧室进行受控点火和燃烧测试，通过双光电二极管装置记录点火延迟时间和燃烧速率，同时利用高分辨率光学成像技术实时观察铝颗粒的聚集过程。燃烧后残留物被收集并使用扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM-EDS）进行分析，以研究其微观结构、元素组成和粒径分布。研究结果表明，高压和高氧浓度显著降低了点火延迟时间，并增强了燃烧强度和燃烧速率。从结构上看，铝颗粒聚集体由熔融铝核心和混合相氧化铝外壳组成。燃烧产物（CCPs）分为五种形态：球形聚集体、断裂聚集体、氧化层覆盖的颗粒、相互连接的聚集体以及细小的氧化烟雾颗粒。这些聚集体的最终形状和大小受熔融铝颗粒聚合与氧化层破裂之间动态相互作用的影响。当燃烧室压力从0.1 MPa升至2.0 MPa时，氮气中的CCPs质量加权平均粒径（D₄₃）降低了约36%，空气中降低了约30%。结果表明，点火延迟时间和燃烧速率受环境压力和氧浓度的影响显著，而铝颗粒聚体的D₄₃与燃烧速率呈负相关。这种关系源于燃烧速率决定了铝颗粒在燃烧表面的停留时间，从而直接影响聚集程度。总体而言，本研究揭示了NEPE推进剂中点火、燃烧和聚集过程之间的耦合机制。

研究亮点

创新性与重要性

本研究采用了一套综合实验平台，能够在统一的测量系统中获取点火延迟时间、燃烧速率、表面聚集演变及燃烧产物（CCPs）的颗粒特性。通过比较不同压力下空气和氮气中的燃烧行为，明确了点火、燃烧和铝颗粒聚集过程之间的相互作用。点火延迟时间和燃烧速率均显著依赖于环境压力。

实验样品

本研究中使用的NEPE推进剂由精心配制的成分组成，以确保高能量性能和燃烧稳定性。具体成分包括：高氯酸铵（AP，25%，粒径100～130 μm）作为氧化剂；丁三醇三硝酸酯（BTTN，20%）作为能量增塑剂；环三甲基三硝胺（RDX，20%）作为高能炸药成分；醋酸丁酸纤维素（CAB，7%）作为...

点火过程

如图2所示，在0.5 MPa空气压力下，使用高速摄像机记录了NEPE推进剂的点火过程。二氧化碳激光激发后，推进剂表面开始吸收热量，引发热解和气相生成。在0.722秒时，表面出现了可燃气体，但此时尚未发生点火。随着热输入的持续，表面温度进一步升高，当局部温度达到...

结论

本研究探讨了NEPE推进剂在不同环境条件下的点火、燃烧和铝颗粒聚集行为，以及燃烧产物的微观结构和粒径分布。主要结论如下：

(1)

在0.1～3.0 MPa的压力范围内，NEPE推进剂在空气和氮气中的点火延迟时间随环境压力的增加而显著缩短。然而，当...

作者贡献声明

程银图（Chengyin Tu）：负责撰写初稿、方法设计和实验研究。熊晨（Xiong Chen）：负责指导工作和资源协调。周长胜（Changsheng Zhou）：负责指导工作和资源协调。