固体推进剂燃面铝停留时间及空间分布特性对团聚影响机理

The agglomeration of aluminum significantly affects the aluminum combustion process and the condensed combustion products, and subsequently determines the solid-rocket-motor performance and safety. The effects of pressure, burning rates and propellant formulations on the agglomeration of aluminum can be revealed by studying the characteristics of residency period and the spatial distribution of aluminum on the propellant burning surface. The agglomeration mechanism of aluminum particles at the burning surface is poorly known and at present the conventional mathematical models lack the experimental support. To fill this gap, the experimental measurements of propellant combustion are designed by adopting a consolidated optical technique including high speed camera visualizations and the long-range microscope. With the established experimental method, the agglomeration characteristics and mechanism on the burning surface under high chamber pressure and the effects of the residency period and the aluminum spatial distribution on aluminum agglomeration on burning surface could be obtained. An agglomeration model based on experimental study is proposed to predict the size distribution of condensed combustion products, with consideration of a variety of propellant formulations and different operation parameters. This project could contribute a breakthrough in certain scientific problems of aluminum behavior in solid-rocket-motor, provide the theoretical basis for the motor performance prediction, instability analysis, erosion and slag accumulation simulations.

固体推进剂中铝的团聚机理是影响其燃烧过程和凝相燃烧产物的关键，对发动机性能和安全影响重大。通过研究铝在推进剂燃面上的停留时间和空间分布特性，可从本质上揭示压强、燃速和推进剂配方等关键因素对团聚过程的影响机理。针对推进剂燃面铝团聚机理研究薄弱及团聚模型缺乏实验支撑的现状，开展推进剂燃烧实验，利用显微高速诊断方法，揭示高压下铝在推进剂燃面的团聚特性及机理，掌握铝在推进剂燃面停留时间及空间分布对团聚过程的影响机制，在实验研究基础上，建立适应宽配方和工作参数范围的铝团聚模型，以预示凝相燃烧产物粒度分布。力求在固体发动机中铝特性的一些关键性科学问题上有所突破，可为固体发动机性能预示、燃烧稳定性分析、烧蚀和熔渣沉积模拟提供理论基础和依据。

固体推进剂中铝的团聚机理是影响其燃烧过程和凝相燃烧产物的关键，对发动机性能和安全影响重大。本项目针对推进剂燃面铝团聚机理研究薄弱及团聚模型缺乏实验支撑的现状，建立了固体推进剂燃面处铝团聚及燃烧动态过程精细化诊断系统，改进提出了一套固体推进剂凝相燃烧产物收集和分析方法，通过研究铝在推进剂燃面上的微观团聚行为与凝相燃烧产物，揭示压强、燃速和推进剂配方等关键因素对团聚的影响机理，深化对固体发动机中凝相燃烧产物分布与属性的认知，建立了适应宽配方和工作参数范围的铝团聚模型。研究结果表明，燃速的增大缩短了燃面处团聚物在燃面的滞留时间，导致了燃面处铝团聚程度的降低。保证推进剂燃速基本不变和配方不变，压强的改变并没有导致燃面处团聚物的粒度分布和平均直径有明显的变化。燃面处铝团聚物的粒度分布并不受配方中铝初始粒径的变化直接影响，而是由推进剂固相微观结构中铝粒子的空间分布和燃面处燃烧环境综合影响决定。随着RDX含量的增大，燃面处铝的团聚程度和团聚物直径均增大。团聚物可以在燃面上沿水平或垂直方向运动与其它团聚物相互接触发生二次融合，而水平方向的二次融合占据主导，从而形成更大尺寸的团聚物。基于“口袋”模型的思想，考虑了燃速对团聚的影响和燃面处团聚物之间融合的影响，建立了可以预测燃面处团聚物粒度分布的团聚模型，模型计算结果与实验数据吻合良好。揭示了含铝推进剂凝相燃烧产物中9种典型的微观结构，除典型的团聚物和氧化铝烟尘外，还观察到了一些新的结构如氧化铝烟尘聚集物，不规则团聚物，以及含碳物质等。由于环境中的高温和长滞留时间，氧化铝烟尘颗粒会聚集成大尺寸氧化铝烟尘聚集物。产物中空心团聚物相对带帽团聚物和实心团聚物要少。揭示了不规则团聚物的形成机制大致分为三个阶段。研究成果可为固体发动机性能预示、燃烧稳定性分析、烧蚀和熔渣沉积模拟提供数据支撑和理论基础。