微尺度环境下硼燃烧的研究

微型火箭在微型卫星运载、战争等领域有广阔的应用前景，其研制对于提高我国的航天、军事方面的科技竞争力有重要意义。硼燃料是公认的最有潜力的新一代固体火箭燃料。但应用在微型火箭上需要克服各种问题，比如燃烧稳定性差和燃尽率低。研究微尺度环境下硼燃烧的机理，才能有效的解决这些问题。但国际上尚无对于这个领域的研究。. 本课题研究微尺度环境下硼颗粒的燃烧，最终建立燃烧模型。在微型燃烧室中进行硼颗粒燃烧试验，测量关键燃烧性能参数。并且分析燃烧前后反应物和产物的理化特性。并针对硼颗粒两阶段燃烧的特点，专门研究其燃烧中间产物（一次硼产物）的燃烧性质。总结微尺度环境因素和硼颗粒自身理化特性对其燃烧性能的影响规律，在试验数据基础上结合数值计算方法，建立起适用于微尺度环境的硼颗粒燃烧模型，从而为微型火箭发动机和推进剂的设计提供理论依据。

固体燃料微推进器的结构简单、能量密度高、性能稳定，但较大比表面积引起散热损失严重，其内部燃料的成功、快速点火和稳定、高效燃烧尤为困难。硼的质量热值和体积热值高，是固体推进剂的首选燃料。本课题分析含硼燃料用于微推进器的可行性，进行了大量的理论和实验研究。首先在高温热天平和常压差示扫描量热仪上对硼燃料进行热分析实验。并用激光发生器、高速摄影仪、红外热像仪、光纤光谱仪等搭建微燃烧实验台，测量几种配方在微细圆管内反应时的点火延迟时间、点火成功率、火焰形貌、燃烧剧烈程度、稳定燃烧时间等点火燃烧特性参数；并用GRAFULA软件处理红外图片或高速图片，得到燃速；用电感耦合等离子体发射光谱仪测得燃烧效率。使用不同质量比的无定形硼和高氯酸铵配制硼基固体推进剂。搭建了激光点火固体微推进测试系统以研究硼基固体推进剂的点火燃烧特性和推进性能。结果表明，随着燃氧比的减小，样品的燃烧温度、光谱强度、最大推力、冲量及比冲均呈现先增大后减小的总体变化趋势。.最终建立了适用于微细圆管的硼颗粒点火燃烧动力学模型，并通过MATLAB软件将物理模型转化成可以直接计算的数值模型。结果显示：硼颗粒的初始氧化层厚度越大、粒径越大、温度越低，点火时间越长。较高的环境温度利于硼颗粒的点火，较高的环境压力对点燃不利。气氛中氧分压的大小对点火时间的影响不大，但气氛中的水蒸气在一定程度上促进了硼颗粒的点火。硼颗粒初始直径越小，气氛中氧质量分数越大、环境压力越大，燃烧时间越小。