微尺度環境下硼燃燒的研究

《微尺度環境下硼燃燒的研究》是依託浙江大學，由汪洋擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微尺度環境下硼燃燒的研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：汪洋
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

微型火箭在微型衛星運載、戰爭等領域有廣闊的套用前景，其研製對於提高我國的航天、軍事方面的科技競爭力有重要意義。硼燃料是公認的最有潛力的新一代固體火箭燃料。但套用在微型火箭上需要克服各種問題，比如燃燒穩定性差和燃盡率低。研究微尺度環境下硼燃燒的機理，才能有效的解決這些問題。但國際上尚無對於這個領域的研究。. 本課題研究微尺度環境下硼顆粒的燃燒，最終建立燃燒模型。在微型燃燒室中進行硼顆粒燃燒試驗，測量關鍵燃燒性能參數。並且分析燃燒前後反應物和產物的理化特性。並針對硼顆粒兩階段燃燒的特點，專門研究其燃燒中間產物（一次硼產物）的燃燒性質。總結微尺度環境因素和硼顆粒自身理化特性對其燃燒性能的影響規律，在試驗數據基礎上結合數值計算方法，建立起適用於微尺度環境的硼顆粒燃燒模型，從而為微型火箭發動機和推進劑的設計提供理論依據。

結題摘要

固體燃料微推進器的結構簡單、能量密度高、性能穩定，但較大比表面積引起散熱損失嚴重，其內部燃料的成功、快速點火和穩定、高效燃燒尤為困難。硼的質量熱值和體積熱值高，是固體推進劑的首選燃料。本課題分析含硼燃料用於微推進器的可行性，進行了大量的理論和實驗研究。首先在高溫熱天平和常壓差示掃描量熱儀上對硼燃料進行熱分析實驗。並用雷射發生器、高速攝影儀、紅外熱像儀、光纖光譜儀等搭建微燃燒實驗台，測量幾種配方在微細圓管內反應時的點火延遲時間、點火成功率、火焰形貌、燃燒劇烈程度、穩定燃燒時間等點火燃燒特性參數；並用GRAFULA軟體處理紅外圖片或高速圖片，得到燃速；用電感耦合電漿發射光譜儀測得燃燒效率。使用不同質量比的無定形硼和高氯酸銨配製硼基固體推進劑。搭建了雷射點火固體微推進測試系統以研究硼基固體推進劑的點火燃燒特性和推進性能。結果表明，隨著燃氧比的減小，樣品的燃燒溫度、光譜強度、最大推力、衝量及比沖均呈現先增大後減小的總體變化趨勢。 最終建立了適用於微細圓管的硼顆粒點火燃燒動力學模型，並通過MATLAB軟體將物理模型轉化成可以直接計算的數值模型。結果顯示：硼顆粒的初始氧化層厚度越大、粒徑越大、溫度越低，點火時間越長。較高的環境溫度利於硼顆粒的點火，較高的環境壓力對點燃不利。氣氛中氧分壓的大小對點火時間的影響不大，但氣氛中的水蒸氣在一定程度上促進了硼顆粒的點火。硼顆粒初始直徑越小，氣氛中氧質量分數越大、環境壓力越大，燃燒時間越小。