底排推进剂AP/HTPB瞬态泄压条件下燃烧失稳机理研究

本项目研究高温（2400～2600K）高压（40～80MPa）瞬态泄压（500～9000 MPa/s）条件下，底排推进剂AP/HTPB燃烧失稳行为及机理。设计半密闭爆发器等特殊试验装置，利用高速纹影、高速录像、高速红外测温、瞬态压力测量系统、扫描电子显微镜、热电偶测温装置等设备，观测底排推进剂气相火焰结构、燃烧波结构对快速降压的响应，重点研究失稳后的三种典型状态：复燃型、振荡燃烧型、永久熄灭型与降压速率、初始燃烧压力、AP含量及粒度间的耦合关系，揭示瞬态泄压条件下不同失稳状态的科学特征。在实验基础上，从非稳态传热学、反应流体力学、化学动力学等理论出发，考虑快速降压条件下气相火焰对凝聚相的热反馈变化，分层次建立底排推进剂非稳态燃烧模型，并进行数值模拟。该项研究对促进高温高压非稳态燃烧领域的理论与实验技术发展有重要意义，同时也可为我国开展新一代高精度底排弹设计提供理论指导。

本项目以底排弹出炮口瞬态泄压导致AP/HTPB底排推进剂燃烧失稳为背景，开展了AP/HTPB在快速降压条件下的燃烧失稳机理研究，主要研究内容及成果如下：1) 开展了AP/HTPB热分解、点火及燃烧特性研究，获得了AP/HTPB在190MPa压力内的燃速关系式。建立了基于BDP多火焰模型的一维、二维稳态燃烧模型，系统研究了环境压力、化学动力学参数和AP含量等对火焰结构的影响。结果表明：随着环境压力升高，燃烧火焰由预混结构逐渐发展为扩散结构；环境压力越高，火焰热释放速率越高，燃面温度与燃速越高。2) 设计了两种半密闭爆发器，实验研究了AP/HTPB在15-11200MPa/s瞬态降压速率下的燃烧失稳特性，获得了燃烧过程中压力和温度的变化规律。捕获到AP/HTPB推进剂火焰燃烧失稳后的三种典型状态：振荡燃烧型（泄压速率低时退化为持续燃烧型）、复燃型（快速复燃和慢速复燃两种）、永久熄灭型，绘制了分区定量图谱，揭示出燃烧失稳形态与初始压力和最大泄压速率间的耦合关系。3）建立了底排推进剂AP/HTPB多维两相非稳态燃烧模型，研究了AP/HTPB在快速降压下的非稳态燃烧特性，揭示出燃烧失稳机理。结果表明：降压过程中控制火焰结构的主导因素由扩散火焰转变为AP分解火焰；快速降压引起异相吹离效应增强，气相火焰对燃烧表面的热反馈减小，固相热波层厚度减薄，降压速率增大到某一临界值，将出现熄火。采用临界熄火温度作为判据，计算得到的AP/HTPB熄火行为与实验结果相吻合。4）研究了底排推进剂AP/HTPB非稳态燃烧特性对底部减阻特性的影响，将底排装置内流场和底排尾部流场耦合计算，考虑底排推进剂的燃烧以及尾部的二次燃烧效应，对瞬态泄压时的底排底部流动现象进行数值模拟，结果表明：泄压初期，底排装置尾部区域流速较快，反应主要发生在剪切层中以及底部固壁附近，底压波动很大。泄压中期，底排装置尾部的回流区逐渐增大，中轴线附近反应逐渐增强，随着底排燃气的引射现象消失，尾部的主回流区充满整个底部，发生后续反应，放出大量热量，底压回升。泄压后期，主回流区内的燃气反应殆尽，底排装置尾部中轴线附近的温度逐渐降低。本项目发表国际期刊4篇，国内核心期刊19篇，国际国内会议各4篇，其中SCI收录4篇，EI收录21篇，出版专著1部，获授权国家发明专利1项。培养博士生3名，硕士生2名。