含石蜡燃料的热反应机理及燃面退移速率特性研究

Low regression rate has long been the main constraint on the development of hybrid motor. Although the regression rate of paraffin-based fuels is much high, paraffin-based fuels usually have low dropping point and bad mechanical behavior. In addition, there are a few studies concerning the ignition and combustion mechanisms concerning paraffin-based fuels. In this program, paraffin will be improved by the catalytic oxidation at air atmosphere, and a new type of paraffin-based fuel with high dropping point and excellent mechanical behavior will be prepared with improved paraffin and binder as main raw materials. The thermal reaction mechanisms of paraffin-based fuels under oxygen and N2O will be explored with TGA-DSC-FTIR simultaneous experiments and the thermal reaction dynamic parameters of the fuels will be determined by DSC experiments at different heating rate. The effect of types of oxidizer and oxidizer mass flux on the regression rate of paraffin-based fuels will be examined by the hybrid motor tests, and the local regression rate of the fuels will be studied by extinguishing the combustion of fuels in the motor. The low dropping point and poor mechanical behavior of paraffin-based fuels are promising to be improved by this program and the results of this program can provide clues and elemental data for the study of the ignition and combustion mechanisms of paraffin-based fuels.

燃面退移速率低是长期制约固液混合发动机技术发展与应用的最关键问题，虽然含石蜡燃料具有较高的燃面退移速率，但却存在滴点低、力学性能差的缺陷，而且严重缺乏点火燃烧机理方面的研究。本项目通过空气下的催化氧化对石蜡进行改性，并以改性石蜡和粘结剂为主要原料制备滴点高、力学性能好的新型含石蜡燃料；通过氧气和一氧化二氮气氛下的热重－差示扫描量热－傅利叶变换红外光谱（TGA-DSC-FTIR）联用实验，对含石蜡燃料的热反应机理进行研究，并通过不同升温速率下的差示扫描量热（DSC）实验对燃料的热反应动力学参数进行确定；对含石蜡燃料进行固液混合发动机试车实验，获得氧化剂种类和氧化剂流强对燃面退移速率的影响，并通过中断燃烧实验对燃料的局部燃面退移速率进行研究。本项目的顺利开展不但有望解决目前含石蜡燃料存在的滴点低、力学性能差的缺陷，也可为含石蜡燃料点火燃烧机理的研究提供思路和基础数据支持。

固液混合发动机技术的发展与应用长期受固体燃料燃面退移速率低的缺陷制约，液滴夹带这一加质机制赋予石蜡较高的燃面退移速率，使之成为目前最为理想的固液混合发动机燃料。航天动力装置对安全可靠性有着极高要求，石蜡熔点低且力学性能较差，燃料药柱易在高温环境及外力作用下遭到结构破坏，难以在发动机中得以应用。本项目的主要内容为：探索在石蜡中加入一定量的高分子粘合剂来制备高性能含石蜡燃料，通过热分析实验揭示含石蜡燃料的热分解和热氧化机制并获得反应动力学参数，建立固液混合发动机实验系统，并通过发动机试车实验研究含石蜡燃料燃面退移速率特性及影响因素。. 本研究的主要结论为：（1）改性聚乙烯具有良好的界面特性，有效解决了石蜡与高分子粘合剂间相容性差的难题，以石蜡、粘合剂、改性聚乙烯、镁铝粉为主要组分可制备出组分均一性良好、滴点高、力学性能好、燃面退移速率较高的含石蜡燃料；（２）石蜡的热分解过程伴随着石蜡的蒸发，热分解产物主要为C2H6，卡托辛和硬脂酸钴可分别显著降低石蜡热分解和热氧化反应的活化能，而从热重结果可知亚铬酸铜对石蜡热氧化反应具有最佳的催化效果；（３）增大氧化剂流强、提高燃烧室压强、采用旋流喷注及选用合适的燃烧催化剂都能有效提高含石蜡燃料的燃面退移速率，对于旋流喷注来说由于靠近发动机头部的燃料内孔中存在较强的氧化剂涡流，导致燃料的局部燃面退移速率随药柱轴向位置呈现先减小后增大再减小的趋势，与直流喷注时先增大后减小的变化规律存在较大差异。. 本研究研制的含石蜡燃料兼具力学性能好、滴点高和燃面退移速率高的优点，从国内外公开报道来看综合性能处于国际领先水平，可直接用于固液混合发动机中；含石蜡燃料热反应机理研究为后续燃烧机理的深入开展提供了关键的基础数据支持；燃面退移速率特性研究结果对燃烧机理研究及固液混合发动机设计具有重要的理论与实践价值。