Page 77 - 《含能之美》2019封面论文

726 朱朝阳，张思，夏德斌，唐泉，邱贤平，杨玉林，范瑞清

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从 图 8 和 表 2 可 知 ，在 氧 气 气 氛 下 铝 粉（Q1）在 设置了对照组（1 和 2 ）和实验组端燃 75 发动机（3 和
#
1400 ℃之前不能被点燃，这与铝粉表面致密的氧化层有 4 ）装药和试车实验，对照组和实验组按照同一配方组
成，除去燃料球形铝粉（Q1）和 Al‐FeF 复合燃料（5%
关 ，在 此 温 度 下 铝 粉 只 是 发 生 了 缓 慢 的 氧 化 ，达 到 3
1400 ℃时氧化增重仅 7.99%。添加剂 FeF 含量为 5% FeF ）的区别，其它组份及比例均保持一致。经点火测试
3
3
3
的 Al‐FeF 复合燃料（的着火点为 1018.6 ℃，较通常认为 后，根据燃烧‐压强曲线及药柱肉厚等参数，计算出燃烧
［4］
的球型铝粉着火点 2054 ℃有较大幅度的降低 ，在达到
性能参数及残渣率见表 4。从表 4 可以看出，与对照组
3
测试条件最高温度的 1400 ℃，Al‐FeF 复合燃料氧化增 相比，实验组燃速与对照组燃速基本相当，说明 Al‐FeF 3
重达到了 58%，则可推断在此过程约 85% 的铝粉发生了 复合燃料对燃速无较大影响；实验组的燃速与压强的比
3
氧化反应。以上数据表明，5% 的 FeF 的加入降低铝粉的 值（r /p 值）相比对照组的更低，说明 Al‐FeF 复合燃料具
b
b
3
着火点，这对铝粉在固体推进剂中的燃烧有改善作用。
有降低燃速压强指数的作用；实验组特征速度（C*值）更
3.6
端燃 75 发动机装药试车及残渣收集
高，印证了实验组相比对照组燃料燃烧更为充分；实验
按照 2.2.4 节实验方法，分别设置了对照组和实验
组残渣率更低，其中残渣率从 6.151%（对照组两发平均
组固体推进剂装药、端燃 75发动机试车实验。使用同一
值）下降到 4.215%（实验组两发平均值），下降明显，说
推进剂配方，对照组使用球形铝粉（Q1），实验组使用
明推进剂燃烧更充分，降低了燃烧产物的沉积率。
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3
3
Al‐FeF 复合燃料（5% FeF ）。成药固化后，按照部标做
图 9 为对照组（1 和 2 发动机）和实验组（3 和 4 发
成标准试件，采用 INSTRON5567 型电子万能燃料试验
动机）发动机燃烧后的情况，由图 9 可以看出，由于对照
机进行测试，通过对拉伸曲线的处理得到球形铝粉和
组使用的球形铝粉，铝粉的点燃温度高而熔融温度低，
3
Al‐FeF 复合燃料成药 20 ℃下的性能数据，见表 3。从表
其在燃烧过程中存在着典型的’烧结‐熔化‐燃烧‚的过
m
3可知，对照组和实验组最大抗拉强 σ 差距不大，处于同
程，部分铝粉由于不完全燃烧会结块，粘附在发动机壳
m
一水平；最大抗拉强度对应的伸长率 ε 从 50.6% 增加到 # #
体内部。对照组两个发动机壳体（1 和 2 ）发动机壳体
b
72%，断裂伸长率 ε 从 81.5% 增加到 95.3%，初始模量
在着火实验后，发动机壳体内部粘附了较多的铝粉残
0
E（1%~3% 伸长率）从 2.35 MPa 下降到 1.54 MPa。说
渣，红圈中为较大未完全燃烧铝粉熔融结块的残渣。
3
明通过本研究的球磨工艺制得的 Al‐FeF 复合燃料可以 # #
而实验组的两个发动机壳体（3 和 4 发动机）在着火实
使固体推进剂保持了一个比较好成药工艺性能，满足固
验后，发动机壳体内部较洁净，铝粉燃烧后的残渣量较
体推进剂使用要求。
少，无较大未完全燃烧铝粉熔融结块的残渣粘附在发
为了进一步验证和模拟发动机实际工作情况，分别
动机上的情况，印证了表 4 残渣率下降的数据，证明了
3
表 3 球形铝粉和 Al‐FeF 3 复合燃料推进剂 20 ℃下力学性能 Al‐FeF 复合燃料在降低铝粉着火点，提高铝粉燃烧效
Table 3 Mechanical properties of propellant with spherical 率，降低铝粉燃烧残渣方面的作用。
Al and Al‐FeF 3 powder at 20 ℃ 3.7 燃烧机理分析
3
group σ m / MPa ε m / % ε b / % E 0 / MPa 通 过 以 上 测 试 及 实 验 结 果 ，Al‐FeF 复 合 燃 料 在
control 0.52 50.6 81.5 2.35 40~1400 ℃内表现出更好的燃烧氧化效果，端燃 75 发
3
experimental 0.55 72.0 95.3 1.54 动机试车数据及残渣分析可知 Al‐FeF 复合燃料在推进
Note： σ m is tensile strength. ε m is elongation. ε b is elongation at break. E 0 is 使用具有降低铝粉着火点，提高铝粉燃烧效率，降低铝
the initial modulus. 粉燃烧残渣方面的作用。分析其原因在于以下几点：
表 4 球形铝粉和 Al‐FeF 3 复合燃料推进剂燃烧性能及残渣率
Table4 Combustion performance and residue rate of propellant with spherical Al and Al‐FeF 3 powders
residue rate average residue
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group fuel p b /MPa r b /mm·s -1 C /m·s -1
/% rate/%
1 # 6.250 8.651 1802.822 5.781
control spherical aluminum powder（Q1） 6.151
2 # 5.972 8.204 1809.303 6.521
3 # 7.556 9.227 2038.917 3.445
experimental Al‐FeF 3 composite fuel（5% FeF 3 ） 4.215
4 # 7.117 9.122 1973.165 4.982
Note： p b is combustion chamber pressure. r b is burning rate. C is characteristic velocity.
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Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.9, 2019（720-728） 含能材料