团聚硼对富燃料推进剂燃烧性能的影响

第４３卷第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀固体火箭技术ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＲｏｃｋｅｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．６２０２０含硼富燃料推进剂的能量释放特性①张先瑞１，２，王园园２，陈㊀涛１，２，刘建红１，２，王㊀锐１，２，杨伯涵１，２，肖金武１，２，庞爱民１，２（１．航天化学动力技术重点实验室，襄阳㊀４４１００３；２．湖北航天化学技术研究所，襄阳㊀４４１００３）㊀㊀摘要：为指导含硼富燃料推进剂配方设计，以掌握含硼富燃料推进剂能量在一次和二次燃烧过程中的分配规律为目的，对可能作为表征含硼富燃料推进剂两次燃烧过程的能量释放特性的性能参数进行分析和选择，采用三个效率参数ηｃ１㊁ηｃ２和ηＢ表征其一次燃烧的能量释放效率㊁二次燃烧的能量释放效率和硼的燃烧效率，并采用这三个参数评价了硼粉含量㊁团聚硼粉及ＬｉＦ包覆硼粉对含硼富燃料推进剂能量释放特性的影响㊂结果表明，采用ＬｉＦ包覆硼粉可以显著提高ηｃ１㊁ηｃ２和ηＢ２，而提高硼粉含量㊁增大团聚硼粉粒度会明显降低ηｃ１㊁ηｃ２和ηＢ㊂ηＢ与ηｃ２存在强正相关关系，ηｃ１与ηＢ存在弱正相关关系，说明含硼富燃料推进剂中硼粉燃烧效率的大小决定了二次能量释放效率的高低，同时一次燃烧性能的改善将有利于二次燃烧性能的提高㊂关键词：含硼富燃料推进剂；能量释放特性；燃烧效率中图分类号：Ｖ５１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００６⁃２７９３（２０２０）０６⁃０７０１⁃０６ＤＯＩ：１０．７６７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６⁃２７９３．２０２０．０６．００４Ｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｏｒｏｎ⁃ｂａｓｅｄｆｕｅｌ⁃ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔＺＨＡＮＧＸｉａｎｒｕｉ１，２，ＷＡＮＧＹｕａｎｙｕａｎ２，ＣＨＥＮＴａｏ１，２，ＬＩＵＪｉａｎｈｏｎｇ１，２，ＷＡＮＧＲｕｉ１，２，ＹＡＮＧＢｏｈａｎ１，２，ＸＩＡＯＪｉｎｗｕ１，２，ＰＡＮＧＡｉｍｉｎ１，２（１．ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｈｅｍｉｃａｌＰｏｗｅｒＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｘｉａｎｇｙａｎｇ㊀４４１００３，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｕｂｅｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｙａｎｇ㊀４４１００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｕｉｄｅｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｂｏｒｏｎ⁃ｂａｓｅｄｆｕｅｌ⁃ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈａｔｍａｙｂｅｕｓｅｄｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｂｏｒｏｎ⁃ｂａｓｅｄｆｕｅｌ⁃ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｉｍａｒｙａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｒｅｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓηｃ１㊁ηｃ２ａｎｄηＢｗｅｒｅｂｒｏｕｇｈｔｆｏｒｗａｒｄｔｏｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｔｓｅｎｅｒｇｙｒｅ⁃ｌｅａｓｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｓｅｃｏｎｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆ⁃ｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｂｏｒｏｎ．Ｔｈｅｔｈｒｅｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒ，ｔｈｅｓｉｚｅｏｆａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｄｂｏ⁃ｒｏｎｐｏｗｄｅｒａｎｄＬｉＦｃｏａｔｅｄｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒｏｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｏｒｏｎ⁃ｂａｓｅｄｆｕｅｌ⁃ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉ⁃ｃａｔｅｔｈａｔηｃ１㊁ηｃ２ａｎｄηＢａｒｅｈｅｉｇｈｔｅｎｅｄｐｒｏｍｉｎｅｎｔｌｙｗｉｔｈｔｈｅａｄｏｐｔｉｏｎｏｆＬｉＦｃｏａｔｅｄｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒ，ｗｈｅｒｅａｓｄｅｃｒｅａｓｅｏｂｖｉｏｕｓｌｙｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒｏｒｔｈｅｓｉｚｅｏｆａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｄｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒ．ＴｈｅｒｅｉｓａｓｔｒｏｎｇｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎηＢａｎｄηｃ２，ａｎｄａｗｅａｋｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎηＢａｎｄηｃ２，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｂｏｒｏｎｐｏｗｅｒｉｎｔｈｅｂｏ⁃ｒｏｎ⁃ｂａｓｅｄｆｕｅｌ⁃ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｐｒｉｍａｒｙｃｏｍ⁃ｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｌｅａｄｔｏｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆａｆｔｅｒ⁃ｂｕｒｎｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｏｒｏｎ⁃ｂａｓｅｄｆｕｅｌ⁃ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ；ｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ０㊀引言含硼富燃料推进剂在固体火箭冲压发动机中的燃烧分为一次燃烧和二次燃烧，这两次燃烧是决定富燃料推进剂能量能否发挥的两个关键过程㊂一次燃烧是１０７①收稿日期：２０２０⁃０６⁃０５；修回日期：２０２０⁃０９⁃０１㊂作者简介：张先瑞（１９８５ ），男，高级工程师，研究方向为固体推进剂配方设计㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｉａｎｒｕｉ８５＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：庞爱民（１９６７ ），男，研究员，研究方向为复合固体推进剂配方与性能㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｐｐａｍ＠ｔｏｍ．ｃｏｍ二次燃烧的前奏，为二次燃烧提供物质输入，两者通过一次燃烧产物产生联系，共同决定固冲发动机的能量释放效率㊂研究含硼推进剂在两次燃烧过程的能量释放规律，可以掌握其能量释放特点，为采取合适手段来控制和改善含硼富燃料推进剂的燃烧过程提供指导，使之满足固冲发动机的能量性能要求［１－４］㊂目前，含硼富燃料推进剂的能量指标一般有燃烧热（亦称热值）和比冲，显然比冲大小受发动机结构和推进剂性能共同影响，测试比较复杂，耗时费力，需有合适的能量指标来快速指导含硼富燃料推进剂配方的选择；而对于固冲发动机重要的两次燃烧过程之一的一次燃烧过程的能量释放特性没有明确的表征指标［５－７］㊂本文对可能作为表征含硼富燃料推进剂两次燃烧过程能量释放特性的性能参数进行了分析和选择，用之研究硼㊁团聚硼粉及ＬｉＦ包覆硼粉对推进剂能量释放特性的影响规律，评价配方组分对含硼富燃料推进剂燃烧性能的影响，为配方组分选择提供指导㊂１㊀实验１．１㊀试剂与仪器无定形硼粉，其含硼量为９０．１５％，粒径约１μｍ，辽宁营口北方精细化工厂；ＬｉＦ，纯度ȡ９９．５％，国药化学试剂有限公司；ＡＰ，约１００μｍ，工业级；ＨＴＰＢ，羟值７．８ˑ１０－４ｍｍｏｌ／ｇ，黎明化工研究院㊂ＧＲ⁃３５００氧弹量热计，长沙仪器厂㊂１．２㊀试样制备试验采用ＨＴＰＢ／ＡＰ／Ｂ含硼富燃料推进剂配方，配方主要组成如下：金属燃料３８％（Ｂ＋Ｍｇ），氧化剂３３％，粘合剂体系２７％，添加剂２％㊂采用５ＬＶＭＫ混合机混合，真空浇注制备推进剂方坯试样，７０ħ固化成型㊂１．３㊀测试表征爆热和燃烧热采用ＧＲ⁃３５００型氧弹量热计测得㊂爆热依据标准ＱＪ１３５９ １９８８‘复合固体推进剂爆热测试方法恒温法“测试，所测值是水为液态时的真空定容爆热Ｑｖ㊂燃烧热则依据Ｑ／Ｇｔ２１９ ２００２‘富燃料推进剂燃烧热测试方法“测试，测试在氧弹中充３ＭＰａ的氧㊂２㊀结果与讨论２．１㊀能量性能表征指标分析２．１．１㊀爆热固体推进剂的爆热［８］是指在２９８Ｋ或其他标准温度下，单位质量（１ｋｇ）推进剂变成相同温度下的燃烧产物所放出的热量㊂根据该定义，爆热实际上是处于２９８Ｋ或其他标准温度下单位质量的推进剂在无氧气或空气存在条件下进行燃烧反应，并使其燃烧产物由爆温降低到２９８Ｋ或其他标准温度的过程中所放出的全部热量，所以爆热是推进剂燃烧时由化学潜能转变为显能的量度㊂因此，爆热可表征含硼富燃料推进剂自供氧燃烧时的放热量，体现其一次燃烧过程的释能大小㊂２．１．２㊀燃烧热１ｋｇ富燃料推进剂与空气（或氧气）混合后完全燃烧放出的热量称为燃烧热［９］，通常也称为热值，按照燃烧产物相态的不同，可以有低热值和高热值之分㊂例如，Ｈ２Ｏ的气态与液态，Ａｌ２Ｏ３的固态与液态之间均存在潜热差㊂量热计一般测得高热值，实际发动机可利用的一般是低热值㊂燃烧热是在氧气充足的情况下富燃料推进剂的放热量，可以表征含硼富燃料推进剂二次燃烧是否充分（即燃烧效率）㊂由于量热计测试法是采用点火丝静态点火，而固冲发动机二次燃烧存在一次燃气与来流空气的掺混点火过程，两者有一定的区别，所以，量热计测得的推进剂燃烧效率与发动机实际测得燃烧效率不可能完全相等，但可以对不同富燃料推进剂配方的燃烧热（或燃烧效率）的大小做出比较，指导富燃料推进剂配方组分的选择和配方的优化㊂因此，采用量热计法测试含硼富燃料推进剂燃烧热来表征其二次燃烧优劣不失为一种简便有效地方法㊂基于以上分析，本研究中将采用定容爆热Ｑｖ来分析含硼富燃料推进剂的一次燃烧的能量释放特性，采用充氧定容爆热Ｈｖ来分析二次燃烧的能量释放特性㊂采用陈涛等［１０］提出的三个能量释放效率参数ηｃ１㊁ηｃ２和ηＢ研究硼粉对含硼富燃料推进剂的影响规律㊂其中，ηｃ１为含硼富燃料推进剂一次燃烧过程中的放热量占理论燃烧热的百分比，用来表征含硼富燃料推进剂一次燃烧的能量释放效率，如式（１）所示：ηｃ１＝ＱｖＨｔˑ１００％（１）式中㊀Ｑｖ为含硼富燃料推进剂的真空定容爆热；Ｈｔ为含硼富燃料推进剂的理论燃烧热㊂ηｃ２为含硼富燃料推进剂二次燃烧过程的放热量占残余燃烧热（即Ｈｔ与Ｑｖ的差值）的百分比，表示含硼富燃料推进剂的二次燃烧的能量释放效率，ηｃ２如式（２）所示：ηｃ２＝Ｈｖ－ＱｖＨｔ－Ｑｖˑ１００％（２）式中㊀Ｈｖ为含硼富燃料推进剂的实测燃烧热㊂ηＢ表示硼粉的燃烧效率，其计算公式见式（３）：２０７２０２０年１２月固体火箭技术第４３卷ηＢ＝Ｈｖ－ðＨｖｉＨｔＢˑ１００％（３）式中㊀Ｈｖｉ为除硼外，含硼富燃料推进剂配方的某一组分的实测燃烧热；ＨｔＢ为含硼富燃料推进剂配方中硼的理论燃烧热㊂２．２㊀硼粉的燃烧效率选择无定形硼粉㊁团聚硼粉和ＬｉＦ包覆硼粉等三种硼燃料（团聚剂和ＬｉＦ含量均为１０％），通过燃烧热测试考察了硼粉改性处理对其燃烧放热难易程度的影响，结果见表１㊂其中ηＢ为剔除添加剂对燃烧热的贡献后计算得到的硼粉的燃烧效率㊂由表１可见，充氧定容爆热法测得的三种硼燃料的燃烧热均比较低，这主要是由于氧弹中硼粉燃烧时处于冷环境，而硼燃烧放热速率低，燃烧时向周围环境的散热速率大于本身燃烧的热量释放速率，硼粉难以实现自持燃烧，表现为燃烧效率偏低㊂同样测试条件下，Ｍｇ㊁Ｔｉ能够充分燃烧放热［１０］，而硼粉难以实现持续燃烧，说明硼粉要实现快速点火并充分燃烧的条件比较苛刻㊂从表１中数据还可以看出，三种硼燃料在燃烧效率方面表现出了一定差异，以总效率ηｃ为标准，三种硼燃料燃烧效率高低顺序为：ＬｉＦ包覆硼粉＞Ｉ类团聚硼粉＞无定形硼粉㊂而以ηＢ为标准再做比较，则燃烧效率高低顺序变为：ＬｉＦ包覆硼粉＞无定形硼粉＞Ｉ类团聚硼粉㊂团聚硼粉的总效率ηｃ高是由于团聚剂易于燃烧所致㊂团聚硼粉ηＢ低的原因分析如下：燃烧时，团聚硼粉有一个团聚剂热裂解和团聚硼颗粒破碎的过程，破碎粒子很难达到与无定形硼同样的粒度，一般会以较大的 聚团 进入随后的热解， 聚团 内部的硼粒子不能与环境中氧充分接触，使参与氧化反应的硼粉量相应减少，导致ηＢ偏低㊂ＬｉＦ显著提高硼粉燃烧效率的机理是：由包覆硼粉的热氧化特性研究结果可知，较低温度时，ＬｉＦ通过与熔融的Ｂ２Ｏ３形成共熔物，破坏其致密的三维网状结构，并使熔融层的粘度下降，提高Ｏ２的渗透率，促进了Ｂ／Ｏ反应；较高温度时，ＬｉＦ通过吸热反应Ｂ２Ｏ３（ｌ）＋ＬｉＦ（ｌ）ңＬｉＢＯ２（ｌ）＋ＢＯＦ（ｇ）消耗了硼粉表面的Ｂ２Ｏ３氧化层，加速了Ｂ／Ｏ反应㊂因此，ＬｉＦ包覆能够促进硼粉的点火燃烧，明显提高硼粉的燃烧效率［１１］㊂而在配方设计时，为兼顾工艺性能和一次燃烧性能（如燃速和压强指数），含硼富燃料推进剂中必须采用团聚硼粉，这是一个陷推进剂配方设计者于两难的矛盾㊂因此，提高含硼富燃料推进剂的燃烧效率应从硼粉的团聚工艺方法入手，如将ＡＰ与硼粉一起团聚造粒不失为一种好的技术途径［１２］㊂２．３㊀含硼富燃料推进剂能量释放特性分析借助三个参数考察了无定形硼粉含量㊁不同规格团聚硼粉（硼粉粒径大小顺序为：Ｉ类＞ＩＩ类≫无定形）及ＬｉＦ包覆硼粉对含硼富燃料推进剂两次能量释放特性和硼燃烧效率的影响，实验配方组成及含量见表２㊂２．３．１㊀无定形硼粉含量对能量释放效率的影响固定硼粉＋ＡＰ总含量，其他组分含量不变，考察了硼粉含量对含硼富燃料推进剂能量释放特性的影响㊂结果如表３所示㊂表１㊀硼粉的燃烧效率Ｔａｂｌｅ１㊀ＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒＦｕｌｅＨｔ／（ＭＪ／ｋｇ）Ｈｖ／（ＭＪ／ｋｇ）ηｃ／％ηＢ／％Ａｍｏｒｐｈｏｕｓｂｏｒｏｎｐｏｗｅｒ５９．３０１６．４３２７．７１２７．７１Ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｄｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒ５７．８７１７．４９３０．２３２５．２８ＬｉＦｃｏａｔｅｄｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒ５３．９６１８．６７３４．６０３４．６０表２㊀实验配方组成及含量Ｔａｂｌｅ２㊀ＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｅｎｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｆｏｒｍｕｌａＮｕｍｂｅｒＭａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ／％ＭｇＢＴⅠＢＴⅡＢＬｉＦＢＡＰＨＴＰＢＡｄｄｉｔｉｖｅＹＦＢ⁃４５５０００３３３３２７２ＹＦＢ⁃４８５０００３５３１２７２ＹＦＢ⁃４９５０００３７２９２７２ＹＦＢ⁃５１５３６．３０００３３２３．７２ＹＦＢ⁃５０５０３６．３００３３２３．７２ＹＦＢ⁃６０５００３３０３３２７２３０７２０２０年１２月张先瑞，等：含硼富燃料推进剂的能量释放特性第６期表３㊀无定形硼粉含量对推进剂能量释放效率的影响Ｔａｂｌｅ３㊀ＥｆｆｅｃｔｏｆａｍｏｒｐｈｏｕｓｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｎｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｒｏｐｅｌｌａｎｔＮｕｍｂｅｒＢｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒｃｏｎｔｅｎｔ／％Ｈｔ／（ｋＪ／ｋｇ）Ｑｖ／（ｋＪ／ｋｇ）Ｈｖ／（ｋＪ／ｋｇ）ηｃ１／％ηｃ２／％ηＢ／％ＹＦＢ⁃４５３３３３４０４４５５３２６０１７１３．６３７４．４０６５．４８ＹＦＢ⁃４８３５３４４３２４４０３２５９６９１２．７９７１．８２６１．６０ＹＦＢ⁃４９３７３５４６１４４４９２４５４２１２．５５６４．７９５１．６８㊀㊀由表３中数据可知：（１）一次能量释放效率ηｃ１一般不超过１５％，含硼富燃料推进剂大部分潜能将在二次燃烧时释放㊂以ＹＦＢ⁃４５为例粗略作如下计算：１ｋｇ推进剂中Ｍｇ的理论燃烧热ＨＭｇ＝２４７００ˑ５％＝１２３５ｋＪ，硼的理论燃烧热ＨＢ＝５９３００ˑ３３％＝１９５６９ｋＪ㊂已有研究经验表明，一次燃烧过程中Ｍｇ粉可以完全燃烧，则一次燃烧时ＨＴＰＢ粘合剂体系和硼粉共计放热为ＱＨＴＰＢ＋Ｂ＝４５５３－１２３５＝３３１８ｋＪ，假设其中的一半由硼粉贡献，则可计算出硼粉一次燃烧过程中参与氧化燃烧反应的量ＷＢ％＝（３３１８／２）／１９５６９ˑ１００％＝８．４８％，计算表明，一次燃烧消耗掉的硼粉量不足９％㊂由于ＨＴＰＢ的点火燃烧性能明显要优于硼粉，硼粉在一次燃烧中参与反应的比例可能更小，这说明其 热沉 效应十分明显，因此，含硼富燃料推进剂中硼粉的能量应有９０％以上是在二次燃烧过程中释放的㊂（２）随Ｂ含量增加，ηｃ１㊁ηｃ２和ηＢ均明显降低，硼粉含量过高对含硼富燃料推进剂能量释放不利㊂在含硼富燃料推进剂中试图通过大幅提高硼粉含量来提高推进剂能量水平有其局限性㊂２．３．２㊀团聚硼粉对能量释放特性的影响基于工艺原因和燃速压强指数的指标要求，硼粉一般需要经过团聚造粒后方可在推进剂配方中使用，为此，选择了不同粒径大小的团聚硼粉，考察了无定形硼粉团聚处理后对含硼富燃料推进剂能量释放特性的影响，结果如表４所示㊂表４㊀团聚硼粉对推进剂能量释放效率的影响Ｔａｂｌｅ４㊀ＥｆｆｅｃｔｏｆａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｄｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒｏｎｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｒｏｐｅｌｌａｎｔＮｕｍｂｅｒＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒＨｔ／（ｋＪ／ｋｇ）Ｃ∗／（ｍ／ｓ）Ｑｖ／（ｋＪ／ｋｇ）Ｈｖ／（ｋＪ／ｋｇ）ηｃ１／％ηｃ２／％ηＢ／％ＹＦＢ⁃４５Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ３３４０４７５７４５５３２６０１７１３．６３７４．４０６５．４８ＹＦＢ⁃５１ＴｙｐｅＩＩ３３４０４７０３４２８４２１３３７１２．８２５８．５６４１．５６ＹＦＢ⁃５０ＴｙｐｅＩ３３４０４６９１３３５１２０３５０１０．０３５６．５６３６．５２㊀㊀由表４可见，含团聚硼粉推进剂的Ｃ∗㊁Ｑｖ和Ｈｖ均显著降低，且粒径越大，降低幅度越大㊂Ｉ类团聚硼粉相对无定形硼粉，三个效率ηｃ１㊁ηｃ２和ηＢ相对分别降低了２６．４１％㊁２３．９８％和４４．２３％，特别是硼粉燃烧效率降低幅度接近５０％，表明硼粉团聚对含硼富燃料推进剂燃烧过程能量释放不利㊂分析认为：燃烧过程中，团聚硼粉要经历团聚剂热裂解，团聚硼颗粒破碎分散过程，一般会以较大的 聚团 从推进剂燃面进入气相， 聚团 内部的硼粒子不能与环境中氧充分接触，进而影响到硼粉的氧化㊁点火和燃烧放热㊂这样，一次燃烧时会有更多的氧与ＨＴ⁃ＰＢ发生反应，由文献［１０］中数据可知，ＨＴＰＢ的单位耗氧放热量为４２４．９ｋＪ／ｍｏｌＯ２，而Ｂ的单位耗氧放热量为８５４．７ｋＪ／ｍｏｌＯ２，两者相差１倍，其结果导致Ｑｖ和ηｃ１大幅降低；而二次燃烧时，硼粉 聚团 难以充分燃烧，ηＢ会显著降低，结果致使ηｃ２和Ｈｖ大幅降低㊂团聚硼粉粒径越大，对含硼富燃料推进剂一次㊁二次燃烧性能的这种不利影响也越大㊂２．３．３㊀ＬｉＦ包覆硼粉对能量释放特性的影响考察了ＬｉＦ包覆对含硼富燃料推进剂的能量释放特性，结果如表５所示㊂硼粉的ＬｉＦ包覆改性处理对含硼富燃料推进剂的能量释放特性具有显著影响㊂ＬｉＦ包覆可以大幅提高含硼富燃料推进剂的能量释放效率，与含无定形硼粉相比较，含ＬｉＦ包覆硼粉的推进剂的三个效率ηｃ１㊁ηｃ２和ηＢ相对分别提高９．７６％㊁１４．３５％和２４．５７％，特别是硼粉的燃烧效率提高幅度更为明显㊂ＬｉＦ包覆对燃烧性能的改善归因于吸热反应的除膜作用［１１］㊂一次燃烧时，这一作用提升了硼粉与有限氧化剂反应的竞争力（相对ＨＴＰＢ），由于硼粉的单位耗氧放热为ＨＴＰＢ４０７２０２０年１２月固体火箭技术第４３卷的２倍，因而可以明显提高推进剂的Ｑｖ；二次燃烧时，则可以加速Ｂ／Ｏ的反应，从而明显提高ηＢ，进而显著提高ηｃ２㊂表５㊀ＬｉＦ包覆硼粉对推进剂能量释放效率的影响Ｔａｂｌｅ５㊀ＥｆｆｅｃｔｏｆｍｏｄｉｆｉｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｒｏｐｅｌｌａｎｔＮｕｍｂｅｒＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒＨｔ／（ｋＪ／ｋｇ）Ｑｖ／（ｋＪ／ｋｇ）Ｈｖ／（ｋＪ／ｋｇ）ηｃ１／％ηｃ２／％ηＢ／％ＹＦＢ⁃４５Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ３３４０４４５５３２６０１７１３．６３７４．４０６５．４８ＹＦＢ⁃４８ＬｉＦｃｏａｔｅｄ３１７４１４７４９２７７１５１４．９６８５．０８８１．５７２．４㊀参数之间的相关关系分析对通过实验获得的主要组分相同配方的三个效率ηｃ１㊁η和η做相关性分析，结果如图１所示㊂1009590858075706560555030405060708090ηB /%ηc1ηc2图１㊀ηｃ１㊁ηｃ２和ηＢ之间的关系Ｆｉｇ．１㊀Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎａｍｏｎｇηｃ１，ηｃ２ａｎｄηＢ分别建立ηＢ与ηｃ２㊁ηＢ与ηｃ１的简单线性回归模型如下：ηｃ２＝０．６５２３ηＢ＋３１．７７９（Ｒ２＝０．９９１９）（４）ηｃ１＝０．０８１３ηＢ＋７．７０１（Ｒ２＝０．４２６３）（５）㊀㊀由图１和回归模型可见：（１）ηＢ与ηｃ２存在强正相关关系，说明硼粉燃烧效率的大小决定了二次能量释放效率的高低，硼粉的高效燃烧是含硼富燃料推进剂二次燃烧充分性的决定因素；（２）ηＢ与ηｃ１存在弱正相关关系，说明提高一次能量释放效率有利于改善硼粉燃烧，进而提高二次能量释放效率㊂这归因于一次燃烧能为二次燃烧提供必要的物质基础（一次产物）和适宜的环境条件（燃气温度）㊂３㊀结论（１）随硼粉含量增加，ηｃ１和ηｃ２均明显降低，硼粉含量过高对含硼富燃料推进剂能量释放不利㊂在含硼富燃料推进剂中试图通过大幅提高硼粉含量来提高推进剂能量水平有其局限性㊂（２）随团聚硼粉粒度增加，含硼富燃料推进剂的爆热和燃烧热均明显降低，说明团聚硼粉不利于含硼富燃料推进剂的能量释放㊂（３）ＬｉＦ包覆硼粉的能量释放效率大于无定形硼粉的能量释放效率，其改善硼粉燃烧的效果归因于反应除膜作用㊂（４）硼粉燃烧效率ηＢ㊁一次能量释放效率ηｃ１和二次能量释放效率ηｃ２三者之间存在相关关系，ηＢ与ηｃ２存在强正相关关系，ηｃ１与ηＢ存在弱正相关关系，说明含硼富燃料推进剂中硼粉燃烧效率的大小决定了二次能量释放效率的高低，同时一次燃烧性能的改善将有利于其二次燃烧性能的提高㊂参考文献：［１］㊀ＲｏｎａｌｄＳＦｒｙ．Ａｃｅｎｔｕｒｙｏｆｒａｍｊｅｔｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｅｖｏ⁃ｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎａｎｄＰｏｗｅｒ，２００４，２０（１）：２７⁃５８．［２］㊀ＡｌｏｎＧａｎｙ．Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｂｏｒｏｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎａｉｒｂｒｅａｔｈｉｎｇｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ［Ｒ］．ＡＩＡＡ２００６⁃４５６７．［３］㊀ＨａｎｓＬＢｅｓｓｅｒ．ＨｉｓｔｏｒｙｏｆｄｕｃｔｅｄｒｏｃｋｅｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｔＢａｙ⁃ｅｒｎ⁃ｃｈｅｍｉｅ［Ｒ］．ＡＩＡＡ２００８⁃５２６１．［４］㊀熊本炎，谢宗齐，张胜伟．固体火箭冲压发动机技术发展现状及应用前景展望［Ｃ］／／第三届冲压发动机学术会议论文集．２０１０．ＸＩＯＮＧＢｅｎｇｙａｎ，ＸＩＥＺｏｎｇｑｉ，ＺＨＡＮＧＳｈｅｎｇｗｅｉ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌ⁃ｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｓｏｌｉｄｒｏｃｋｅｔｒａｍｊｅｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｒａｍｊｅａｃａｄｅｍｉｃｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０１０．［５］㊀鲍福庭，黄熙君，张振鹏，等．固体火箭冲压组合发动机［Ｍ］．北京：中国宇航出版社，２００６．ＢＡＯＦｕｔｉｎｇ，ＨＵＡＮＧＸｉｊｕｎ，ＺＨＡＮＧＺｈｅｎｐｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｓｏｌｉｄｒｏｃｋｅｔｒａｍｊｅｔ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅ，２００６．［６］㊀Ａ㊃达维纳．固体火箭推进剂技术［Ｍ］．张德雄，姚润森，等译．北京：宇航出版社，１９９７．［７］㊀刘兴洲．飞航导弹动力装置［Ｍ］．北京：宇航出版社，１９９２．ＬＩＵＸｉｎｇｚｈｏｕ．Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｍｉｓｓｉｌｅｐｏｗｅｒｄｅｖｉｃｅ［Ｍ］．Ｂｅｉ⁃ｊｉｎｇ：ＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅ，１９９２．［８］㊀彭培根，刘培谅，张仁，等．固体推进剂性能及原理［Ｍ］．长５０７２０２０年１２月张先瑞，等：含硼富燃料推进剂的能量释放特性第６期沙：国防科技大学出版社，１９８７．４．ＰＥＮＧＰｅｉｇｅｎ，ＬＩＵＰｅｉｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＲｅｎ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｓｏｌｉｄｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ［Ｍ］．Ｃｈａｎｇｓｈａ：ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅ，１９８７．４．［９］㊀庞爱民，马新刚，唐承志，等．固体火箭推进剂理论与工程［Ｍ］．北京：中国宇航出版社，２０１４．６．ＰＡＮＧＡｉｍｉｎ，ＭＡＸｉｎｇａｎｇ，ＴＡＮＧＣｈｅｎｇｚｈｉ，ｅｔａｌ．Ｓｏｌｉｄｒｏｃｋｅｔｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅ，２０１４．６．［１０］㊀陈涛，张先瑞，肖金武，等．镁粉对含硼富燃料推进剂能量释放特性的影响［Ｊ］．固体火箭技术，２０１８，４１（４）：４５８⁃４６１．ＣＨＥＮＴａｏ，ＺＨＡＮＧＸｉａｎｒｕｉ，ＸＩＡＯＪｉｎｗｕ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＭｇｐｏｗｄｅｒｏｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｂｏｒｏｎ⁃ｂａｓｅｄｆｕｅｌ⁃ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＲｏｃｋｅｔＴｅｃｈｎｏｌｏ⁃ｇｙ，２０１８，４１（４）：４５８⁃４６１．［１１］㊀陈涛，张先瑞，王园园，等．ＬｉＦ包覆对硼粉热氧化特性的影响［Ｊ］．含能材料，２０１３，２１（１）：５７⁃６０．ＣＨＥＮＴａｏ，ＺＨＡＮＧＸｉａｎｒｕｉ，ＷＡＮＧＹｕａｎｙｕａｎ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＬｉＦｃｏａｔｉｎｇｏｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｅｒｇｅｔｉｃＭａｔｅｒｉ⁃ａｌｓ，２０１３，２１（１）：５７⁃６０．［１２］㊀高东磊．含硼富燃料推进剂一次燃烧性能研究［Ｄ］．长沙：国防科技大学，２００９．ＧＡＯＤｏｎｇｌｅｉ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｂｏｒｏｎ⁃ｂａｓｅｄｆｕｅｌ⁃ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ［Ｄ］．Ｃｈａｎｇｓｈａ：ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９．（编辑：李婧瑄）６０７２０２０年１２月固体火箭技术第４３卷。

ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１￣８３５２.２０１８.０５.００２Ｂ/ＣｕＯ复合燃料的制备及其对Ｍｇ/ＰＴＦＥ富燃料推进剂的影响❋刘㊀厅㊀陈㊀昕㊀韩爱军㊀叶明泉㊀潘功配南京理工大学化工学院(江苏南京ꎬ２１００９４)[摘㊀要]㊀为了研究纳米氧化铜(ＣｕＯ)改性硼(Ｂ)对镁/聚四氧乙烯(Ｍｇ/ＰＴＦＥ)富燃料推进剂的影响ꎬ利用球磨法制备了Ｂ/ＣｕＯ复合燃料ꎬ将其添加到Ｍｇ/ＰＴＦＥ富燃料推进剂中ꎬ利用混合模压成型法制备含有不同比例的复合燃料的推进剂药柱ꎮ利用扫描电镜㊁ＴＧ￣ＤＳＣ分别测试了Ｂ/ＣｕＯ复合燃料的微观形貌和热反应性能ꎻ利用红外测温仪㊁Ｘ射线衍射㊁ＴＧ￣ＤＳＣ分别测试了推进剂的燃烧速度㊁燃烧温度㊁反应产物以及热反应性能ꎮ结果表明:复合燃料混合较为均匀ꎬ局部有团聚ꎻｎ(Ｂ)︰ｎ(ＣｕＯ)＝３２︰３的复合燃料的放热量高于Ｂ的放热量ꎬ燃烧效率最高ꎬ为７３.１％ꎬ点火温度比Ｂ低６６ħꎮ含此复合燃料的推进剂的燃烧速度和质量燃烧速度均高于Ｍｇ/ＰＴＦＥꎬ分别提高了２５.６％和３.１％ꎬ平均燃烧温度降低了１６ħꎬ最高燃烧温度则提高了６ħꎬ但是相对于含Ｂ的Ｍｇ/ＰＴＦＥ推进剂ꎬ含此复合燃料的推进剂的燃烧速度和质量燃烧速度分别下降２.９１％和１９.５１％ꎬ平均燃烧温度下降了９４ħ和１２１ħꎻ复合燃料推进剂一次燃烧的凝聚相产物主要有ＭｇＦ２㊁ＭｇＯ㊁Ｃ㊁Ｃｕ以及Ｍｇ３Ｆ３(ＢＯ３)ꎻ一次燃烧反应过程主要是ＰＴＦＥ的分解以及Ｆ２和Ｍｇ的反应ꎬ二次燃烧反应过程则主要为Ｃ㊁Ｍｇ以及复合燃料的氧化ꎮ[关键词]㊀硼粉ꎻ富燃料推进剂ꎻ燃烧[分类号]㊀ＴＱ５１７.２ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＢ/ＣｕｏＣｏｍｐｏｓｉｔｅＦｕｅｌａｎｄＩｔｓＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎＭｇ/ＰＴＦＥＦｕｅｌ￣ｒｉｃｈＰｒｏｐｅｌｌａｎｔＬＩＵＴｉｎｇꎬＣＨＥＮＸｉｎꎬＨＡＮＡｉｊｕｎꎬＹＥＭｉｎｇｑｕａｎꎬＰＡＮＧｏｎｇｐｅｉＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇꎬ２１００９４)[ＡＢＳＴＲＡＣＴ]㊀Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｂｏｒｏｎｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙｎａｎｏ￣ＣｕＯｏｎＭｇ/ＰＴＦＥｆｕｅｌ￣ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔꎬＢ/ＣｕＯｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｂａｌｌ￣ｍｉｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｕｔｉｎｔｏＭｇ/ＰＴＦＥｆｕｅｌ￣ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔａｓａｄｄｉｔｉｖｅｓꎬａｎｄｔｈｅｎｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆＭｇ/ＰＴＦＥｆｕｅｌ￣ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆＢ/ＣｕＯｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｍｉｘｉｎｇａｎｄｍｏｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｒｍａｌｒｅａｃｔｉｖｉｔｙｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆＢ/ＣｕＯｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙＳＥＭａｎｄＴＧ￣ＤＳＣｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.Ｂｕｒｎｉｎｇｒａｔｅꎬｂｕｒｎｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬｒｅａｃｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔａｎｄｔｈｅｒｍａｌｒｅａｃｔｉｖｉｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙｔｈｅｒ￣ｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅｒꎬＸ￣ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎａｎｄＴＧ￣ＤＳＣ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｕｅｌｉｓｍｉｘｅｄｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｕｎｉｆｏｒｍꎬｂｕｔａｇｇｒｅｇａｔｅｓｐａｒｔｉａｌｌｙ.ＨｅａｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆＢ/ＣｕＯｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌꎬｉｎｗｈｉｃｈｎ(Ｂ)︰ｎ(ＣｕＯ)ｉｓ３２︰３ꎬｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒꎬｉｔｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ(７３.１％)ｉｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔꎬａｎｄｉｇｎｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ６６ħｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒ.Ｃｏｍ￣ｐａｒｅｄｗｉｔｈＭｇ/ＰＴＦＥｐｒｏｐｅｌｌａｎｔꎬｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｍａｓｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆＭｇ/ＰＴＦＥｆｕｅｌ￣ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｃｏｎｔａｉ￣ｎｉｎｇｔｈｉｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌｉｎｃｒｅａｓｅｂｙ２５.６％ａｎｄ３.１％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙꎬａｖｅｒａｇｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｂｙ１６ħꎬａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｍｐｒｏｖｅｓｂｙ６ħ.ＷｈｉｌｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＭｇ/ＰＴＦＥｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＢꎬｃｏｍ￣ｂｕｓｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｍａｓｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆＭｇ/ＰＴＦＥｆｕｅｌ￣ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｔｈｉｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌｄｅｃｒｅａｓｅｂｙ２.９１％ａｎｄ１９.５１％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙꎬａｎｄａｖｅｒａｇｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｂｙ９４ħａｎｄ１２１ħ.ＴｈｅｐｒｉｍａｒｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｓｏｆｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌｐｏｗｄｅｒｗｅｒｅＭｇＦ２ꎬＭｇＯꎬＣꎬＣｕａｎｄＭｇ３Ｆ３(ＢＯ３).ＴｈｅｐｒｉｍａｒｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｓａｒｅＰＴＦＥｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｒｅａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＦ２ａｎｄＭｇ.ＷｈｉｌｅｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｓｉｎｖｏｌｖｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｓｏｆＣꎬＭｇꎬａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌ.第４７卷㊀第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４７㊀Ｎｏ.５㊀２０１８年１０月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｏｃｔ.２０１８❋收稿日期:２０１７￣１１￣１５基金项目:国家部委科研项目(４０４０６０１０２０１)作者简介:刘厅(１９８９－)ꎬ男ꎬ博士ꎬ主要从事固体推进剂的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｌｉｕｔｉｎｇｚｈｏｎｇｙａｎｇｊｕ＠１６３.ｃｏｍ通信作者:陈昕(１９７２－)ꎬ女ꎬ讲师ꎬ主要从事军事化学与烟火技术研究ꎮE￣mail:137****1795＠１６３.ｃｏｍ㊀㊀㊀[ＫＥＹＷＯＲＤＳ]㊀ｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒꎻｆｕｅｌ￣ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔꎻｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ引言硼(Ｂ)以其高的质量热值和体积热值成为富燃料推进剂最具发展潜力的固体添加剂ꎬ被认为是当前满足固体火箭冲压发动机高比冲要求的理想燃料之一[１￣２]ꎮ但是Ｂ的熔点和沸点非常高ꎬ存在点火和燃烧过程复杂㊁燃烧效率偏低的问题ꎬ使其潜在的热值在实际应用中不能够充分发挥[３￣５]ꎻ因此ꎬ对Ｂ进行改性是提高其燃烧性能的重要手段之一ꎮ国内外对Ｂ燃烧的研究结果表明ꎬ利用某些添加剂对Ｂ进行改性处理是常用的方法ꎬ包括４类:１)在Ｂ表面包覆能够与Ｂ２Ｏ３氧化膜反应并能将其除去的物质ꎬ来增强Ｂ的点火性能ꎮ有学者用氟化锂(ＬｉＦ)和氟橡胶(ＶｉｔｏｎＡ)对Ｂ进行包覆来达到缩短点火时间的作用ꎬ提高了Ｂ的点火性能[６￣７]ꎮ２)在Ｂ表面包覆氧化剂ꎬ提高Ｂ周围的氧浓度ꎬ从而提高燃烧效率ꎮ李疏芬等[８]利用ＡＰ和ＫＰ来包覆Ｂ并制备成推进剂ꎬＡＰ和ＫＰ热分解能够释放出大量的氧ꎬ从而提高燃面的温度和火焰温度ꎮ３)在推进剂中加入金属燃烧剂ꎬ可提高燃烧温度ꎬ使氧化Ｂ比较容易蒸发ꎬ从而提高Ｂ的燃烧效率ꎮ刘迎吉等[９]研究配方对含Ｂ富燃料推进剂的绝热火焰温度的影响ꎻ配方中增加镁铝合金之后ꎬ提高了含Ｂ推进剂的绝热火焰温度ꎮ４)利用金属氧化物与Ｂ制备成复合粒子ꎬ利用金属氧化物的催化氧化作用ꎬ来提高Ｂ的应用性能ꎮ文献[１０￣１１]分别研究了氧化铅和氧化铜(ＣｕＯ)对Ｂ燃烧性能的影响ꎬ这两种物质均能提高Ｂ的点火性能ꎮ笔者利用纳米ＣｕＯ与Ｂ制备成复合燃料ꎬ通过调整Ｂ和ＣｕＯ的比例ꎬ使复合燃料既保持优良的点火性能ꎬ又保持较高的燃烧效率和放热量ꎬ并测试其性能ꎬ然后将复合燃料添加到镁/聚四氟乙烯(Ｍｇ/ＰＴＦＥ)富燃料推进剂中ꎬ比较其对富燃料推进剂的燃烧性能的影响ꎬ最后研究推进剂的燃烧产物以及热分解过程ꎮ１㊀实验部分１.１㊀实验材料与仪器纳米ＣｕＯꎬ粒径３０ｎｍꎬ阿拉丁试剂公司ꎻＢꎬ纯度为９５.７％ꎬ粒径ｄ５０为５.７１μｍꎬ唐山威豪镁粉有限公司ꎻ球形镁ꎬ粒径４５μｍꎬ纯度９９.８１％ꎬ唐山威豪镁粉有限公司ꎻ聚四氟乙烯ꎬ纯度为９５％ꎬ粒径１４０μｍꎬ上海三爱富新材料有限公司ꎻ酚醛树脂ꎬ纯度为９６.４％ꎬ济宁汇德化工有限公司ꎻ正己烷ꎬ分析纯ꎬ国药集团化学试剂有限公司ꎮＯＴＦ￣１２００Ｘ型真空管式炉ꎬ温度范围为２５~１３００ħꎬ真空度为０~－０.１ＭＰａꎬ安徽科晶科飞仪器有限公司ꎻＤＺＦ￣２５０型真空干燥箱ꎬ温度范围为２５~１６０ħꎬ真空范围为０~－０.１ＭＰａꎬ郑州长城科工贸公司ꎻＱＭ￣ＱＸ２型全方位球磨机ꎬ转速为０~６００ｒ/ｍｉｎꎬ南京大学仪器厂ꎮＳＤＴ￣Ｑ６００型热分析仪ꎬ美国ＴＡ公司ꎻＳ￣４８００型场发射扫描电子显微镜ꎬ日本日立公司ꎻＤ８Ａｄｖａｎｃｅ型Ｘ射线衍射仪ꎬ德国Ｂｒｕｋ￣ｅｒ公司ꎻＳＣ７０００型红外热像仪ꎬ美国Ｆｌｉｒ公司ꎮ１.２㊀样品的制备１.２.１㊀复合燃料的制备将Ｂ和纳米ＣｕＯ加入到玛瑙球磨罐中ꎬＢ和纳米ＣｕＯ的摩尔比分别为２︰３(复合燃料Ⅰ)㊁８︰３(复合燃料Ⅱ)㊁３２︰３(复合燃料Ⅲ)ꎬ采用直径６㊁１０㊁２０ｍｍ的玛瑙球ꎬ３种玛瑙球的数量比为１︰１０︰１００ꎬ球料质量比为２０︰１ꎬ加入正己烷为冷却剂ꎮ球磨混合６ｈꎬ转速为３００ｒ/ｍｉｎꎮ将球磨后的产物于１２０ħ下低压真空干燥２ｈꎬ得到复合燃料Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲꎮ１.２.２㊀药柱的制备将５０ｇＭｇ和３０ｇＰＴＦＥ混合均匀ꎬ然后过６０目筛ꎻ将复合燃料２０ｇ加入到混合物之中ꎬ混合均匀ꎬ过６０目筛３次ꎻ然后选取复合燃料/Ｍｇ/ＰＴＦＥ混合物１０ｇꎬ向其中加入５％(质量分数)的酚醛树脂的乙醇溶液ꎬ将湿的药品过４０目筛ꎬ造粒ꎬ晾干ꎮ选取其中的５ｇ来测试药剂的性能ꎮ选取３０ｇ分为３组ꎬ每组加入０.５ｇ的点火药ꎬ利用直径为１８ｍｍ的模具压制成药柱ꎬ用医用胶带包覆表面ꎬ以备测试其燃烧性能ꎮ表１是推进剂药柱的参数ꎮ１.２.３㊀推进剂一次燃烧产物的制备将复合燃料/Ｍｇ/ＰＴＦＥ推进剂药粉放在氧化铝陶瓷舟中ꎬ然后放入高温管式炉中ꎬ升温至１０００ħ(升温速率为１０ħ/ｍｉｎ)ꎬ降至室温ꎬ即得到推进剂一次燃烧产物ꎮ１.３㊀性能测试㊀㊀Ｄ８Ａｄｖａｎｃｅ型Ｘ射线衍射仪ꎬ采用ＣｕＯ靶Ｋα射线ꎬ扫描速度５ʎ/ｓꎬ角度范围(２θ)为１０ʎ~８０ʎꎻＳ￣０１ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第４７卷第５期表１㊀推进剂药柱的参数Ｔａｂ.１㊀Ｄａｔａｏｆｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｇｒａｉｎｓ序号推进剂成分高度/ｍｍ质量/ｇ１＃ｍ(Ｍｇ)︰ｍ(ＰＴＦＥ)＝７︰３２２.５０１０.４６２２.７５１０.４８２＃ｍ(Ｂ)︰ｍ(Ｍｇ)︰ｍ(ＰＴＦＥ)＝２︰５︰３２２.９０１０.４９２２.８５１０.３６３＃ｍ(Ⅰ)︰ｍ(Ｍｇ)︰ｍ(ＰＴＦＥ)＝２︰５︰３２５.２５１０.３６２４.１５１０.４３２４.８５１０.３０４＃ｍ(Ⅱ)︰ｍ(Ｍｇ)︰ｍ(ＰＴＦＥ)＝２︰５︰３２６.９０１０.５５２３.２０９.６４２６.７０１０.２７５＃ｍ(Ⅲ)︰ｍ(Ｍｇ)︰ｍ(ＰＴＦＥ)＝２︰５︰３２６.１０９.７２２７.０５１０.３１２８.６０１０.７８４８００型场发射扫描电子显微镜ꎬ样品需喷金处理ꎻＳＤＴ￣Ｑ６００型热分析仪ꎬ复合燃料的热反应性能的测试条件为空气氛围ꎬ通气速率为２０ｍＬ/ｍｉｎꎬ升温速率为１０ħ/ｍｉｎꎬ升温范围为室温~１０００ħꎻ推进剂的热反应性能的测试条件为:推进剂首先在氩气氛围内做热分析实验ꎬ然后将生成物在空气氛围内做热分析实验ꎬ通气速率均为２０ｍＬ/ｍｉｎꎬ升温速率均为１０ħ/ｍｉｎꎬ室温~１０００ħꎻ红外热像仪测试燃烧温度ꎬ探头距药柱３ｍꎬ点燃药柱ꎬ每个样品测３次ꎬ最终取其平均值ꎻ利用红外热像仪记录药柱的燃烧时间ꎬ进一步计算其线性燃速和质量燃速ꎮ２㊀结果与讨论２.１㊀原材料及复合燃料的微观结构㊀㊀图１为纳米ＣｕＯ㊁Ｂ㊁不同比例的复合燃料的ＳＥＭ图ꎮ其中ꎬ图１(ａ)为纳米ＣｕＯ的ＳＥＭ图ꎬ可以观察到ꎬ纳米ＣｕＯ呈现规则的片状结构ꎬ边缘无棱角ꎻ图１(ｂ)为Ｂ的ＳＥＭ图片ꎬ可以看到ꎬＢ的粒径分布较大ꎬ棱角明显ꎬ部分Ｂ团聚在一起形成较大颗粒ꎻ从图１(ｃ)~图１(ｅ)可以看出ꎬ纳米ＣｕＯ与Ｂ混合较为均匀ꎬ局部发生团聚ꎮ这是由于纳米ＣｕＯ和Ｂ粒径较小ꎬ粒子之间存在相互静电引力和范德华力ꎬ所以分别发生了少部分的团聚ꎮ２.２㊀复合燃料热反应性能图２为Ｂ和不同配比的Ｂ/ＣｕＯ复合燃料在空气氛围内的ＴＧ￣ＤＳＣ图ꎮ从ＴＧ曲线可以看出ꎬ随着复合燃料中Ｂ比例的增加ꎬ样品的增重比例也逐渐增加ꎬ其中Ｂ/ＣｕＯ复合燃料(Ⅲ)的增重比例大于Ｂ的增重比例ꎮ这是由于添加了纳米ＣｕＯ后ꎬ复合燃料中Ｂ与空气反应的比例增加了ꎬ反应效率提高ꎬ而增加Ｂ的质量能够和更多的氧气发生反应ꎬ两者共同作用ꎬ导致Ｂ/ＣｕＯ复合燃料(Ⅲ)的增重比例高于Ｂꎮ㊀㊀３种复合燃料中ꎬＢ/ＣｕＯ复合燃料Ⅰ与Ｂ相似ꎬ只发生了一次反应ꎬ其余２种燃料均出现了２次较㊀㊀㊀图１㊀纳米ＣｕＯ㊁Ｂ和复合燃料的ＳＥＭ图Ｆｉｇ.１㊀ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＮａｎｏ￣ＣｕＯꎬＢａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌ１１ ２０１８年１０月㊀㊀㊀㊀㊀Ｂ/ＣｕＯ复合燃料的制备及其对Ｍｇ/ＰＴＦＥ富燃料推进剂的影响㊀刘㊀厅ꎬ等㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ａ)Ｂ㊀㊀(ｂ)复合燃料Ⅰ㊀㊀(ｃ)复合燃料Ⅱ㊀㊀(ｄ)复合燃料Ⅲ图２㊀Ｂ㊁Ｂ/ＣｕＯ复合燃料Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ的ＴＧ￣ＤＳＣ图Ｆｉｇ.２㊀ＴＧ￣ＤＳＣｉｍａｇｅｓｏｆＢꎬＢ/ＣｕＯｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌⅠꎬＢ/ＣｕＯｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌⅡꎬａｎｄＢ/ＣｕＯｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌⅢ为明显的反应过程ꎮ这是由于在升温过程中ꎬＢ只发生了与空气的氧化反应ꎬ而Ｂ/ＣｕＯ复合燃料Ⅰ则发生了铝热反应和少量的氧化反应ꎬ两者重合在一起ꎬ故只有一次反应ꎮ而复合燃料Ⅱ㊁Ⅲ中ꎬ由于纳米ＣｕＯ的含量相对较低ꎬ其局部的纳米ＣｕＯ和Ｂ先发生了铝热反应ꎬ与此同时ꎬ也发生了Ｂ的氧化反应ꎬ导致了第一阶段的反应ꎻ第一阶段反应结束之后ꎬ随着温度的升高ꎬ多余的Ｂ粉与氧气重新发生了反应ꎬ导致了第二阶段的反应ꎮ３种复合燃料的起始反应温度比Ｂ的起始反应温度均降低ꎬ降低了６６.００~２３４.３１ħꎬ说明加入纳米ＣｕＯ有利于Ｂ的点火ꎻ其中ꎬＢ/ＣｕＯ复合燃料Ⅱ起始反应温度降低最大ꎬ为２３４.３１ħꎬ而复合燃料Ⅲ的起始反应温度只降低了６６.００ħꎬ可能是由于纳米ＣｕＯ的含量减少到临界点之后ꎬ继续减少则会减弱纳米ＣｕＯ的氧化作用和催化作用ꎮ从表２可以观察到ꎬ３种复合燃料的燃烧效率均高于纯Ｂꎬ其中复合燃料Ⅲ的燃烧效率最高ꎬ达到了７３.１％ꎬ说明加入适量的纳米ＣｕＯ是可以提高Ｂ的燃烧效率的ꎻ并且随着复合燃料中Ｂ比例的增加ꎬ单位质量的复合燃料的放热量逐渐增加(复合燃料Ⅱ㊁Ⅲ的放热量为两次放热量之和)ꎬ其中ꎬ复合燃料Ⅲ单位质量放热量最大ꎬ且大于相同条件下Ｂ的放热量ꎬ为２５５４１Ｊ/ｇꎮ这是因为复合燃料Ⅲ中含有较多的Ｂꎬ并且含有纳米ＣｕＯꎬ纳米ＣｕＯ具有高温条件下氧化Ｂ的作用ꎬ同时还有催化氧气与Ｂ反应的效果ꎬ使得复合燃料Ⅲ的放热效率高于纯Ｂ的放热效率ꎬ在高温下与氧气发生反应ꎬ放出了大量的热ꎬ故复合燃料Ⅲ的放热量高于Ｂꎮ综上所述ꎬ加入适量的纳米ＣｕＯ可以提高Ｂ的点火性能ꎬ提高燃烧效率ꎬ同时能够保持较高的放热量ꎬ３种样品中ꎬ复合燃料Ⅲ的综合性能最好ꎮ表２㊀复合燃料的燃烧热以及燃烧效率Ｔａｂ.２㊀Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｈｅａｔａｎｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｅｌ样品理论热值/(Ｊ ｇ－１)实测热值/(Ｊ ｇ－１)燃烧效率/％Ｂ－５８８２６－１２１６４２０.７Ｂ/ＣｕＯ复合燃料Ⅰ－４９２３－２２１３４４.９Ｂ/ＣｕＯ复合燃料Ⅱ－１５７４８－５３３５３３.９Ｂ/ＣｕＯ复合燃料Ⅲ－３４９３７－２５５４１７３.１２.３㊀推进剂的燃烧速度图３为推进剂的燃烧速度和质量燃烧速度ꎬ从图３可以看出ꎬ含复合燃料Ⅰ㊁Ⅱ的３＃㊁４＃推进剂的燃烧速度低于１＃推进剂ꎬ分别为１＃推进剂燃烧速度的３８.４％和９２.８％ꎬ其质量燃烧速度也低于１＃推进剂ꎬ分别为１＃推进剂质量燃烧速度的３６.５％和２１ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第４７卷第５期７９.２％ꎻ但是含复合燃料Ⅲ的５＃推进剂的燃烧速度和质量燃烧速度均高于１＃推进剂ꎬ分别提高２５.６％和３.１％ꎮ这说明Ｍｇ/ＰＴＦＥ推进剂中加入Ｂ/ＣｕＯ复合燃料并不一定能够提高燃烧速度ꎬ只有当Ｂ与ＣｕＯ的比例达到一定的临界点之后ꎬ才会提高燃速ꎮ推进剂中加入Ｂ/ＣｕＯ复合燃料之后ꎬ推进剂的燃烧速度随着复合燃料中Ｂ比例的增加迅速增加ꎬ其中ꎬ加入复合燃料Ⅲ的５＃推进剂的燃烧速度为加入复合燃料Ⅰ的３＃推进剂的燃烧速度的３.２７倍ꎬ质量燃速为２.８２倍ꎮ这说明Ｂ对推进剂的燃速的改变具有较大影响ꎬ随着Ｂ比例的增加而增加ꎬ可能是因为燃烧过程中Ｂ燃烧能够释放较多的热量ꎬ从而提高燃烧速度ꎮ但是ꎬ含有Ｂ/ＣｕＯ的推进剂的燃速和质量燃速均低于含Ｂ的２＃推进剂的燃速和质量燃速ꎬ其中含复合燃料Ⅲ的５＃推进剂ꎬ燃速和质量燃速是最大的ꎬ也分别比２＃推进剂降低了２.９１％和１９.５１％ꎮ这说明Ｍｇ/ＰＴＦＥ中加入相同比例的纯Ｂ和复合燃料之后ꎬ纯Ｂ在推进剂点燃的条件下能够释放出至少比Ｂ/ＣｕＯ复合燃料多的热量ꎬ使得有较多的热量反馈回燃烧表面ꎬ从而获得相对较高的燃烧速度ꎻ但是由于随着Ｂ含量的增加ꎬ推进剂的燃烧速率为增加趋势ꎬ随着Ｂ的继续增加ꎬ含Ｂ/ＣｕＯ的推进剂会出现燃速高于２＃推进剂的临界点ꎬ需要在后续实验中继续研究ꎮ㊀㊀图３㊀推进剂的燃烧速度Ｆｉｇ.３㊀Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ㊀㊀图４为推进剂的燃烧温度的分布图ꎮ加入Ｂ/ＣｕＯ复合燃料的推进剂的平均燃烧温度均低于Ｍｇ/ＰＴＦＥ推进剂的平均温度ꎬ其中ꎬ加入复合燃料Ⅰ的３＃推进剂的平均燃烧温度最低ꎬ降低了１７７ħꎬ而加入复合燃料Ⅲ的５＃推进剂的平均燃烧温度仅降低了１６ħꎻ加入复合燃料Ⅰ㊁Ⅱ的３＃㊁４＃推进剂的最高燃烧温度低于Ｍｇ/ＰＴＦＥ推进剂的最高燃烧温度ꎬ分别降低了１１３ħ和２０ħꎬ而加入复合燃料Ⅲ的５＃推进剂的最高燃烧温度则高于Ｍｇ/ＰＴＦＥ推进剂的最高燃烧温度ꎬ仅高出６ħꎻ但是ꎬ含Ｂ/ＣｕＯ复合燃料的推进剂的平均燃烧温度和最高燃烧温度均低于２＃推进剂的平均燃烧温度和最高燃烧温度ꎬ其中５＃推进剂的平均燃烧温度和最高燃烧温度最高ꎬ但是也比２＃推进剂的平均燃烧温度和最高燃烧温度低了９４ħ和１２１ħꎮ㊀㊀图４㊀推进剂的燃烧温度Ｆｉｇ.４㊀Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ㊀㊀这可能是由于Ｍｇ/ＰＴＦＥ推进剂中加入复合燃料之后ꎬＢ与ＣｕＯ在一定比例条件下ꎬ具有抑制推进剂燃烧的功能ꎬ当该比例超过临界点后ꎬ又具有促进Ｍｇ/ＰＴＦＥ推进剂燃烧的功能ꎮ含Ｂ的推进剂的平均燃烧温度和最高燃烧温度比含Ｂ/ＣｕＯ复合燃料的推进剂都高ꎬ是由于含Ｂ推进剂的燃烧速度均高于含Ｂ/ＣｕＯ推进剂的燃烧速度ꎬ在单位时间里能够释放出较多的热量ꎬ导致了平均燃烧温度和最高燃烧温度都较高ꎮ２.４㊀推进剂的燃烧反应产物图５是５种推进剂在真空状态下模拟一次燃烧过程的反应产物的ＸＲＤ图ꎮ从图５(ａ)可以看出ꎬ真空状态下ꎬ１＃推进剂的凝聚相产物有Ｍｇ㊁ＭｇＦ２㊁ＭｇＯ和Ｃꎬ主要是由于ＰＴＦＥ高温下分解生成Ｆ２和ＣꎬＦ２氧化Ｍｇ生成ＭｇＦ２ꎬ而Ｍｇ表面有少部分氧化ꎬ从而有ＭｇＯ的存在ꎬ由于Ｍｇ的含量过量ꎬ所以有Ｍｇ的存在ꎮ从图５(ｂ)可以看出ꎬ真空状态下ꎬ２＃推进剂的凝聚相产物有ＭｇＦ２㊁Ｃ㊁ＭｇＯ㊁Ｂ㊁Ｂ４ＭｇꎬＭｇ５Ｆ(ＢＯ３)３ꎬ和１＃推进剂的凝聚相产物比起来ꎬ多出了Ｂ㊁Ｂ４Ｍｇ和Ｍｇ５Ｆ(ＢＯ３)３ꎬ说明高温状态下ꎬＢ和Ｍｇ发生烧结ꎬ而Ｍｇ㊁Ｆ２和Ｂ㊁Ｂ２Ｏ３之间发生复杂的氧化反应ꎮ从图５(ｃ)可以看出ꎬ真空状态下的反应产物有ＭｇＦ２㊁ＭｇＯ㊁Ｃ㊁Ｃｕ以及Ｍｇ３Ｆ３(ＢＯ３)ꎬ由于ＰＴＦＥ和酚醛树脂高温状态下的分解ꎬ所以有Ｃ的生成ꎬ同时ＰＴＦＥ分解产生的Ｆ２与Ｍｇ发生氧化反应产生ＭｇＦ２ꎻ由于Ｍｇ的表面易氧化ꎬ在制备药剂的过程中可能有少量被氧化ꎬ故有ＭｇＯ的存在ꎻ由于ＣｕＯ和Ｂ或者Ｍｇ在高温状态下会发生铝热反应而３１２０１８年１０月㊀㊀㊀㊀㊀Ｂ/ＣｕＯ复合燃料的制备及其对Ｍｇ/ＰＴＦＥ富燃料推进剂的影响㊀刘㊀厅ꎬ等㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ａ)１＃㊀㊀(ｂ)２＃㊀㊀(ｃ)３＃㊁４＃㊁５＃图５㊀推进剂的燃烧反应产物的ＸＲＤ图Ｆｉｇ.５㊀ＸＲＤｉｍａｇｅｓｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ生成Ｃｕꎬ所以样品中有ＣｕꎻＭｇ３Ｆ３(ＢＯ３)的存在可能是由于铝热反应生成了Ｂ２Ｏ３ꎬ并与ＭｇＦ２在高温条件下发生了复杂的反应而生成的ꎮ没有观察到Ｍｇ的衍射峰ꎬ可能是由于其表面被反应生成的ＭｇＦ２和ＭｇＯ覆盖而检测不到ꎮ说明推进剂一次燃烧过程中ꎬ主要是ＰＴＦＥ的分解以及Ｍｇ的氧化反应ꎬ加入Ｂ和Ｂ/ＣｕＯ之后ꎬ则包含Ｂ与Ｍｇ之间以及与Ｍｇ㊁Ｆ２之间的复杂氧化反应ꎮ２.５㊀推进剂样品的热反应过程图６分别为５＃推进剂两次反应过程的ＴＧ￣ＤＳＣ图ꎮ从图６(ａ)中的ＤＳＣ曲线可以看出ꎬ在３３９.１ʎＣ有一个微弱的吸热峰ꎬ这是ＰＴＦＥ融化吸热导致的ꎻ随着温度的升高ꎬＰＴＦＥ在５２６.７ħ开始分解ꎬ推进剂的质量急剧下降ꎬ在ＤＳＣ曲线中出现了吸热峰ꎬ这是因为ＰＴＦＥ的分解是吸热反应ꎬ其最大失重速率温度为５６６.９ħꎬ推进剂失重率为２５.３２％时ꎬ由于推进剂中ＰＴＦＥ质量分数为３０％ꎬ所以在此阶段大部分的ＰＴＦＥ分解为Ｃ和Ｆ２[１２]ꎬ第一阶段失重结束ꎻ随着温度继续增加ꎬＤＳＣ曲线上在６１９.５ħ出现一个放热峰ꎬ可能是Ｂ与纳米ＣｕＯ发生了铝热反应释放热量ꎬ由于ＰＴＦＥ分解产物中存在Ｆ２ꎬ会使得与ＣｕＯ的反应温度提前ꎻ随着温度的继续增加ꎬ在６３６.９ħ出现一个吸热峰ꎬ这是因为Ｍｇ融化吸热ꎬ随后样品质量出现了略微的增加ꎬ这可能是Ｆ２与Ｍｇ发生了氧化反应ꎻ伴随着ＤＳＣ曲线在６５６.３ħ出现了放热峰ꎬ由于Ｆ２的分子量与Ａｒ的分子量接近ꎬＦ２会缓慢地分散到氩气中ꎬ随着温度的增加ꎬ熔化的Ｍｇ表面会产生Ｍｇ蒸气ꎬ扩散到氩气中与Ｆ２发生反应ꎬ导致样品质量急剧下降ꎬ随着Ｆ２的消耗完毕ꎬＭｇ蒸气的扩散不具有持续的动力ꎬ故ＴＧ曲线出现平台ꎮ㊀㊀(ａ)在氩气氛围下㊀㊀(ｂ)氩气氛围下的产物在空气氛围中图６㊀５＃推进剂的ＴＧ￣ＤＳＣ图Ｆｉｇ.６㊀ＴＧ￣ＤＳＣｉｍａｇｅｓｏｆ５＃ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔａｇｅｎｔ㊀㊀图６(ｂ)则是推进剂在氩气氛围内反应过的产物在空气氛围下的ＴＧ￣ＤＳＣ图ꎬ可以看出ꎬ样品的反应过程比较简单ꎬ从２００ħ开始ꎬ样品质量缓慢增加ꎬ这是因为样品中未反应完全的Ｍｇ与空气发生了缓慢的反应ꎻ到６７１.９ħ剧烈增加ꎬ这是由于在空４１ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀爆㊀破㊀器㊀材㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第４７卷第５期气状态下ꎬＢ和Ｃｕ在空气状态下发生了剧烈的反应ꎬ释放出热量ꎻ随着剧烈反应的结束ꎬ样品质量继续缓慢增加ꎬ可能是因为Ｂ表面生成了一层Ｂ２Ｏ３薄膜ꎬ减缓Ｂ与空气的反应ꎮ３　结论㊀㊀１)利用球磨法制备的Ｂ/ＣｕＯ复合燃料混合较为均匀ꎬ局部发生团聚ꎮ２)在空气氛围中ꎬＢ/ＣｕＯ摩尔比为３２︰３的复合燃料Ⅲ的放热量高于纯Ｂ的放热量ꎬ起始反应温度降低了６６ħꎬ燃烧效率最高ꎬ综合性能最优ꎮ３)相对于Ｍｇ/ＰＴＦＥ推进剂ꎬ含复合燃料Ⅲ的推进剂的燃烧速度和质量燃烧速度均高于Ｍｇ/ＰＴＦＥꎬ分别提高了２５.６％和３.１％ꎻ平均燃烧温度降低了１６ħꎬ最高燃烧温度则提高了６ħꎻ相对于含Ｂ的Ｍｇ/ＰＴＦＥ推进剂ꎬ含Ｂ/ＣｕＯ复合燃料Ⅲ的推进剂的燃烧速度和质量燃烧速度分别下降２.９１％和１９.５１％ꎬ平均燃烧温度下降了９４ħ和１２１ħꎮ４)含Ｂ/ＣｕＯ复合燃料推进剂一次燃烧的产物主要有ＭｇＦ２㊁ＭｇＯ㊁Ｃ㊁Ｃｕ以及Ｍｇ３Ｆ３(ＢＯ３)ꎮ５)推进剂的一次燃烧反应过程主要是ＰＴＦＥ的分解㊁Ｂ/ＣｕＯ的铝热反应以及Ｆ２和Ｍｇ的反应ꎬ二次燃烧反应过程则主要为剩余的复合燃料和Ｍｇ的氧化过程ꎮ参考文献[１]㊀庞维强ꎬ樊学忠ꎬ胥会祥.含团聚硼富燃料推进剂的能量特性及燃烧性能[Ｊ].火炸药学报ꎬ２０１２ꎬ３５(２):６２￣６５.ＰＡＮＧＷＱꎬＦＡＮＸＺꎬＸＵＨＸ.Ｅｎｅｒｇｙａｎｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆｕｅｌ￣ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｗｉｔｈａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｄｂｏｒｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｘｐｌｏｓｉｖｅｓ＆Ｐｒｏ￣ｐｅｌｌａｎｔｓꎬ２０１２ꎬ３５(２):６２￣６５.[２]㊀陈冰虹ꎬ刘建忠ꎬ梁导伦ꎬ等.氧化剂包覆硼颗粒对硼基推进剂点火燃烧特性的影响[Ｊ].含能材料ꎬ２０１６ꎬ２４(８):１￣７.ＣＨＥＮＢＨꎬＬＩＵＪＺꎬＬＩＡＮＧＤＬꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｏｘｉｄａｎｔｃｏａｔｉｎｇｂｏｒｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｏｎｔｈｅｉｇｎｉｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｏｒｏｎ￣ｂａｓｅｄｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｅｒｇｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１６ꎬ２４(８):１￣７. [３]㊀陈愿ꎬ陈相ꎬ蒋伟ꎬ等.硼含量对含铝炸药水下爆炸能量的影响[Ｊ].爆破器材ꎬ２０１５ꎬ４４(６):１￣４.ＣＨＥＮＹꎬＣＨＥＮＸꎬＪＩＡＮＧＷꎬｅｔａｌ.Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂｏｒｏｎｃｏｎｔｅｎｔｏｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｅｘｐｌｏｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙｏｆａｌｕｍｉｎｉｚｅｄｅｘ￣ｐｌｏｓｉｖｅ[Ｊ].ＥｘｐｌｏｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１５ꎬ４４(６):１￣４.[４]㊀张教强ꎬ张琼方ꎬ国际英ꎬ等.超细硼粉的氟化锂包覆[Ｊ].火炸药学报ꎬ２００５ꎬ２８(３):８￣１１.ＺＨＡＮＧＪＱꎬＺＨＡＮＧＱＦꎬＧＵＯＪＹꎬｅｔａｌ.Ｓｕｒｆａｃｅｃｏａ￣ｔｉｎｇｏｆｓｕｐｅｒｆｉｎｅｂｏｒｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｌｉｔｈｉｕｍｆｌｏｕｒｉｄｅ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｘｐｌｏｓｉｖｅｓ＆Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓꎬ２００５ꎬ２８(３):８￣１１.[５]㊀陈涛ꎬ张先瑞ꎬ王园园ꎬ等.ＬｉＦ包覆对硼粉热氧化特性的影响[Ｊ].含能材料ꎬ２０１３ꎬ２１(１):５７￣６０.ＣＨＥＮＴꎬＺＨＡＮＧＸＲꎬＷＡＮＧＹＹꎬｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆＬｉＦｃｏａｔｉｎｇｏｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒｂｏｒｏｎｐｏｗｄｅｒ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｅｒｇｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１３ꎬ２１(１):５７￣６０.[６]㊀胡秀丽.基于微纳米硼铝高能燃料的复合含能材料研究[Ｄ].南京:南京理工大学ꎬ２０１６.ＨＵＸＬ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈ￣ｅｎｅｒｇｙｎａｎｏ/ｍｉｃｒｏｂｏｒｏｎａｎｄａｌｕｍｉｎｕｍｂａｓｅｄｅｎｅｒｇｅｔｉｃｃｏｍｐｏ￣ｓｉｔｅｓ[Ｄ].Ｎａｎｊｉｎｇ:ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１６.[７]㊀ＬＩＵＴＫꎬＬＵＨＳＰꎬＰＥＲＮＧＨＣ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｂｏｒｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｕｒｆａｃｅｃｏａｔｉｎｇｏｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｓｏｌｉｄｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓｆｏｒｄｕｃ￣ｔｅｄｒｏｃｋｅｔｓ[Ｊ].ＰｒｏｐｅｌｌａｎｔｓꎬＥｘｐｌｏｓｉｖｅｓꎬＰｙｒｏｔｅｃｈｉｎｃｓꎬ１９９１ꎬ１６(４):１５６￣１６６.[８]㊀李疏芬ꎬ金荣超ꎬ郭敬为.提高含硼固体燃料燃烧性能的研究[Ｊ].推进技术ꎬ１９９７ꎬ１８(５):１００￣１０５.ＬＩＳＦꎬＪＩＮＲＣꎬＧＵＯＪＷ.Ｔｈｅｓｔｕｄｉｅｓｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｆｕｅｌ￣ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｂｏｒｏｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ１９９７ꎬ１８(５):１００￣１０５.[９]㊀刘迎吉ꎬ胡松启.配方对含硼富燃料推进剂绝热火焰温度的影响研究[Ｊ].科学技术与工程ꎬ２０１２ꎬ１２(５):１２１１￣１２１３.ＬＩＵＹＪꎬＨＵＳＱ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｎｔｈｅａｄｉａｂａｔｉｃｆｌａｍｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｂｏｒｏｎｂａｓｅｄｆｕｅｌ￣ｒｉｃｈｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ[Ｊ].ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅ￣ｒｉｎｇꎬ２０１２ꎬ１２(５):１２１１￣１２１３.[１０]㊀郝建春ꎬ俞金良ꎬ吴幼成.硼/铅丹烟火药剂燃烧性能的研究[Ｊ].火工品ꎬ２００４(２):２４￣２６.ＨＡＯＪＣꎬＹＵＪＬꎬＷＵＹＣ.ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＢ/Ｐｂ３Ｏ４ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄ[Ｊ].Ｉｎｉｔｉａｔｏｒｓ＆Ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓꎬ２００４(２):２４￣２６.[１１]㊀李艳春ꎬ惠云龙ꎬ成一.硼/氧化铜延期药的热分析动力学研究[Ｊ].火工品ꎬ２００９ꎬ１:２２￣２４.ＬＩＹＣꎬＨＵＩＹＬꎬＣＨＥＮＧＹ.ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｒｍｏｋｉｎｅｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆＢ/ＣｕＯｄｅｌａｙｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ[Ｊ].Ｉｎｉｔｉａｔｏｒｓ＆Ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓꎬ２００９(１):２２￣２４.[１２]㊀ＨＯＢＯＳＹＡＮＭＡꎬＫＩＲＡＫＯＳＹＡＮＫＧꎬＫＨＡＲＡＴＹＡＮＳＬꎬｅｔａｌ.ＰＴＦＥ￣Ａｌ２Ｏ３Ｒｅａｃｔｉｖｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎａｔｈｉｇｈｈｅａ￣ｔｉｎｇｒａｔｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＣａｌｏｒｉｍｅ￣ｔｒｙꎬ２０１５ꎬ１１９(１):２４５￣２５１.５１２０１８年１０月㊀㊀㊀㊀㊀Ｂ/ＣｕＯ复合燃料的制备及其对Ｍｇ/ＰＴＦＥ富燃料推进剂的影响㊀刘㊀厅ꎬ等㊀㊀㊀㊀。

配方对含硼富燃料推进剂绝热火焰温度的影响研究刘迎吉;胡松启【摘要】针对含硼富燃料推进剂的组分特点,设计了不同配方的含硼富燃料推进剂,并使用埋置钨铼热电偶的方法对其绝热火焰温度进行测试,以此来分析配方对含硼富燃料推进剂绝热火焰温度的影响.研究结果表明:增加镁铝合金的用量可以提高含硼富燃料推进剂的绝热火焰温度.氧化剂含量的增大,一般会使合硼富燃料推进剂的绝热火焰温度升高；但当氧化剂含量减小、镁铝合金含量增大时,含硼富燃料推进剂的绝热火焰温度升高.黏结剂含量增大、氧化剂含量减小时,含硼富燃料推进剂的绝热火焰温度下降；黏结剂含量增大、硼含量减小时,含硼富燃料推进剂的绝热火焰温度略有上升.硼粉含量升高会使含硼富燃料推进剂的绝热火焰温度下降.提高含硼富燃料推进剂绝热火焰温度的最有效方法是适当增加铝镁合金或氧化剂的含量.%Boron based fuel-rich propellant of different prescription was designed through the characteristics of it and the adiabatic flame temperature of different boron based fuel-rich propellant were tested by the use of tungsten-Re thermocouple embeded in the propellant sample to explore the effect of prescription on the adiabatic flame temperature. The result shows that the increase of magnalium could increase the adiabatic flame temperature of the boron based fuel-rich propellant; the increase of oxidant could usually increase the adiabatic flame temperature of the boron based fuel-rich propellant, but the adiabatic flame temperature decreases with the increase of oxidant and the derease of the magnalium; the adiabatic flame temperature decreases with the increase of bond and the derease of the oxidant, and the adiabatic flametemperature increases slightly with the increasw of bond and the decrease of boron; the increase of boron could decrease the adiabatic flame temperature of the boron based fuel-rich propellant and the best methodto increase the adiabatic flame temperature is increase the content of magnalium and oxidant.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)005【总页数】3页(P1211-1213)【关键词】含硼富燃料推进剂;绝热火焰温度;燃烧;配方【作者】刘迎吉;胡松启【作者单位】西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室,西安710072;西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室,西安710072【正文语种】中文【中图分类】V512.4近年来固体火箭冲压发动机的发展与应用，推动了以含铝、含镁及含硼富燃料推进剂的研制;而含硼富燃料推进剂由于添加了大量热值较高的硼粉使其能量能够达到30 kJ/g以上，是目前已知质量能量密度最高的固体推进剂［1，2］。

Ｆｉｇ．１ＴｈｅｓｔｅａｄｉｌｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｆｌａｍｅＦｉｇ．２Ｔｈｅｓｔｅａｄｉｌｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｆｌａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｌ撑ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎ１ＭＰａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｔ２＃ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎ１ＭＰａＦｉｇ．３Ｔｈｅｉｇｎｉｔｉｏｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｆｌａｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ１撑ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎＩＭＰａ方晶体，所以认为含硼富燃料推进剂燃烧表面处的亮团为镁铝合金先行燃烧的结果。

镁铝合金在燃烧表面的燃烧耗氧量少，放热量大，对含硼富燃料推进剂的顺利点火作用明显。

从图３含硼富燃料推进剂在１ＭＰａ压强下开始点燃时的火焰照片火焰也可以看出，燃烧表面粒子的明亮程度差别较大，特别发光发亮的只是一部分，大部分类似于被加热或缓慢反应而发红。

这种发红而不太亮的粒子与硼粒子的燃烧比较符合，因为硼本身熔点沸点高，它的燃烧是一种气一固反应，反应速度较慢，而镁铝合金的熔点沸点均较低，在燃面Ｆｉｇ．４ｔｈｅＳＥＭｐｈｏｔｏｇｒａｐｅｓｏｆｆｌａｍｅｏｕｔｓｕｒｆａｃｅ温度下就可以达到气化点，它的燃烧是一种气一气反应，比较剧烈。

氧化产物Ｍ９０和Ａ１２０３的熔点沸点很高（３０００Ｋ以上），即氧化产物是以凝聚相存在。

两配方的镁铝合金含量均为８％，而经ＡＰ包覆的硼粉所制的２＃推进剂燃面上方有更多炙热粒子喷射出来，且离燃烧表面越远粒子的亮度越低，在火焰的终端，一些粒子甚至发暗。

于是认为，ＡＰ包覆硼所制推进剂的燃烧火焰中有更多的硼从燃烧表面喷出，２＃推进剂的燃烧明显比１＃推进剂的燃烧剧烈。

更多的硼以发红发热的状态进入二次燃烧室也有利于提高含硼富燃料推进剂的二次燃烧效率。

ｌ＃推进剂燃烧慢（燃速低），燃气流量低，在燃面上有成块的结渣形成，凝相结渣的覆盖使火焰有分断现象。

两推进剂的这种明显的燃烧现象差异只能是硼粒子表面ＡＰ包覆层作用的结果。

故ＡＰ包覆硼后，含硼富燃料推进剂在冲压发动机的燃气发生器中一次燃烧的喷射效率必然会得以提高。

硼用作推进剂燃料组分的研究摘要：硼在过去几十年中被认为是一种有效的推进剂燃料组分。

本文旨在介绍硼在推进剂燃料组分方面的性能、优缺点、应用和评估及近期研究方向。

首先，在本文中对硼的形式、性能和安全性进行了详细分析并提出了意见。

此外，本文还考虑了硼用作推进剂燃料组分的优缺点，包括可再生性、燃烧性能、无毒性和低成本。

最后，专家代表将分析硼与可再生燃料，氢燃料和氟利昂等混合物比较，以识别适用于推进剂燃料组分的最佳混合物。

关键词：硼、推进剂燃料组分、可再生燃料、性能、安全性正文：硼被认为是一种潜在的推进剂燃料组分，可以代替传统的汞及其他有毒物质，同时也可以增加可再生燃料的使用率。

硼有三种常用的形式：磷酸铝硼、磷酸铵硼和硼酸钠。

这些形式的硼具有不同的性质，因此需要具体考虑。

例如，磷酸铝硼有良好的热安全性，而硼酸钠有良好的热稳定性。

此外，所有硼形式都符合环境安全标准。

在考虑优缺点时，硼与传统汞相比具有一定的优势。

首先，硼比汞具有更大的推进力，因此可以实现更高的表现。

其次，硼的气体形式无毒，而汞则有毒。

第三，硼的成本远低于汞，因此具有更低的维护成本。

最后，由于硼是可再生的，因此它可以重复使用，从而降低对资源的消耗。

最近的研究已经开始着手考察硼作为推进剂燃料组件的可行性。

专家来自不同的国家，如美国、俄罗斯和中国，正在分析和比较不同类型的混合物，以确定最佳推进剂燃料组成。

这些混合物包括硼与可再生燃料、氢燃料和氟利昂的混合物。

结果表明，在某些情况下，在给定的温度和压力条件下使用硼可以达到极好的推进效果，这一结果在今年的文献中得到了证实。

由于硼可以替代传统的汞及其他有毒物质，因此它很受欢迎。

目前，硼已经被用于航天、航空和军事的推进系统中，以提供高性能的推力。

此外，硼也被广泛地应用于转折器中来提供可靠和持久的性能。

此外，硼可以被用于火箭发动机中以提供更高的推进量。

例如，它可以被用于氢燃料发动机中作为助推剂，以增加推力。

同时，硼也可以被用于射程弹药、航天器和无人机的助推器中，以提高表现。

专利名称：一种含硼富燃料推进剂
专利类型：发明专利
发明人：庞爱民,肖金武,张先瑞,陈涛,刘建江,黄凌,李建华,王园园,王锐
申请号：CN202010061607.6
申请日：20200119
公开号：CN111170816A
公开日：
20200519
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种用于冲压发动机的含硼富燃料推进剂，它采用含有硼‑金属氧化物核壳结构的核壳型复合硼粉替代部分普通硼粉，这种复合硼粉以硼为核心，以过渡金属氧化物为表层，燃烧过程中，硼燃烧而金属氧化物被还原成单质金属或低价氧化物，而后还原产物又被环境中的氧重新氧化生成金属氧化物。

该金属氧化物充当了氧的载体，从而促进了氧的转移，改善了硼的燃烧。

解决了含硼推进剂因硼燃烧不充分导致燃烧效率低的问题，在不影响推进剂综合性能的前提下提高了推进剂的工艺性能和燃烧性能。

可解决冲压发动机对高性能富燃料推进剂需求问题，应用前景广阔。

申请人：湖北航天化学技术研究所
地址：441003 湖北省襄阳市樊城区156信箱清河路58号
国籍：CN
代理机构：北京天盾知识产权代理有限公司
代理人：张彩珍
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RDX对含硼富燃料推进剂一次燃烧产物组分影响的计算研究刘元敏;张研;刘林林;胡松启;杨阳【摘要】To explore the effect of RDX on the composition of primary combustion products for boron-based fuel-rich propellants,the composition of primary combustion products for five kinds of propellant formulas was calculated by Gibbs minimum free energy method and the thermodynamic calculation results were verified through the total boron content in the product of combustion experiments.The calculation results show that the results of the composition of primary combustion products of boron-based fuel-rich propellants calculated with Gibbs minimum free energy method were accurate and reliable.With increasing the content of RDX in the boron-based fuel-rich propellants, the content of B4C andB2O3 decreases, the content of C and BN increases and the primary combustion temperature also increases.The content of B4C decreases and the primary combustion temperature increases with increasing the primary combustion pressure, therefore the higher primary combustion pressure will be beneficial for the secondary combustion efficiency for the boron-based fuel-rich propellants.%为了研究黑索今(RDX)对含硼富燃料推进剂一次燃烧产物组分的影响,用吉布斯最小自由能法计算了5种推进剂配方的一次燃烧产物组分,并通过测试燃烧产物中的总硼含量对热力学计算结果进行了验证.结果表明,采用最小自由能法计算含硼富燃料推进剂的一次燃烧产物组分,其结果准确、可靠;当含硼富燃料推进剂中RDX含量增加时,一次燃烧产物中B4C和B2O3含量减少、C 和BN含量增加,且一次燃烧温度也升高;提高一次燃烧压强可提高硼的氧化率、降低B4C的生成量,有效提高一次燃烧温度,因此提高一次燃烧压强有助于提高含硼富燃料推进剂的二次燃烧效率.【期刊名称】《火炸药学报》【年(卷),期】2017(040)001【总页数】5页(P81-84,90)【关键词】含硼富燃料推进剂;热力学计算;一次燃烧;燃烧产物;RDX【作者】刘元敏;张研;刘林林;胡松启;杨阳【作者单位】西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室,陕西西安 710072;西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室,陕西西安 710072;西安航天化学动力厂,陕西西安 710000【正文语种】中文【中图分类】TJ55;V512含硼富燃料推进剂在固冲发动机中的燃烧分为两个阶段，即在燃气发生器中进行的一次燃烧和在补燃室中进行的二次燃烧[1-2]。

团聚硼颗粒在HTPB富燃料推进剂中的流变特性庞维强;樊学忠;胥会祥【摘要】为了探索球形团聚硼颗粒的制备效果,对端羟基聚丁二烯(HTPB)黏合剂、不同类型的团聚硼颗粒与HTPB黏合剂以一定质量配比形成的悬浮液,以及含团聚硼颗粒HTPB富燃料推进剂流变特性进行了对比研究.结果表明,HTPB黏合剂的表观黏度随温度的升高而降低,最终趋于某一定值;在一定温度下,无定形硼粉经团聚改性后,团聚硼颗粒与HTPB形成悬浮液的表观黏度和屈服值较团聚前降低,且两者均随时间的增加而增加;采用含团聚硼颗粒的富燃料推进剂药浆的流变特性大大改善,有利于含硼富燃料推进剂能量的提高和燃烧性能的改善.【期刊名称】《火炸药学报》【年(卷),期】2010(033)003【总页数】4页(P84-87)【关键词】物理化学;含硼富燃料推进剂;团聚硼颗粒;流变学;推进剂药浆【作者】庞维强;樊学忠;胥会祥【作者单位】西安近代化学研究所,陕西,西安,710065;西安近代化学研究所,陕西,西安,710065;西安近代化学研究所,陕西,西安,710065【正文语种】中文【中图分类】TJ55;V512引言近年来关于含硼富燃料固体推进剂的研究备受关注,提高推进剂中的含硼量是当前含硼富燃料推进剂的主要研究方向之一。

含硼富燃料推进剂药浆是以高氯酸铵(AP)、硼粉等固体填料为分散相,黏合剂、增塑剂等液体组分为连续相的一种高固体含量的悬浮液,药浆的流动特性呈现出复杂的非牛顿流动行为,而硼粉对推进剂药浆的流变特性有十分重要的影响。

由于无定形硼粉表面杂质的存在使推进剂在制备工艺上遇到很大的困难[1-3],对无定形硼粉进行团聚被认为是有效的途径之一,文献[4-6]报道了团聚硼对富燃料推进剂燃速的影响,发现无定形硼粉经团聚后,其比表面积大幅度降低,不仅改善推进剂的工艺性能,还有利于推进剂固体填料的增加。

本研究对机械搅拌工艺制备的不同类型的团聚硼颗粒与 HTPB的混合物和含团聚硼富燃料推进剂的流变特性进行了研究,为含硼富燃料推进剂的研究提供参考。

含硼富燃推进剂压强指数的影响因素吴婉娥1,2,毛根旺1,胡松启1,王英红1(1.西北工业大学航天学院,陕西西安710072;2.第二炮兵工程学院,陕西西安710025)摘　要:为获得含硼推进剂压强指数的主要影响因素,采用捏合机混合物料,真空浇注、恒温固化的方法制备推进剂试样,靶线法测试推进剂(0.5～1.5M Pa )燃速,用u =ap n 方程求得推进剂的压强指数。

实验结果表明,H T PB 含量、A P 含量及粒度级配、催化剂含量对推进剂的压强指数均有不同程度的影响。

H T PB 含量减少、A P 含量增加、A P 重均直径减小、催化剂含量增加,均可提高推进剂的压强指数。

关键词:物理化学;含硼推进剂;压强指数;燃烧中图分类号:TJ 55;V 512 文献标志码:A 文章编号:100727812(2007)0320062203Factors I nf luenc i ng Pressure Exponen t of Boron -Ba sed Fuel -R ich Propellan tW U W an 2e 1,2,M AO Gen 2w ang 1,HU Song 2qi 1,W AN G Y ing 2hong 1(1.Co llege of A stronau tics ,N o rthw estern Po ly 2techn ical U n iversity ,X i ′an 710072,Ch ina ;2.T he Second A rtillery Engineering In stitu te ,X i ′an 710025,Ch ina )Abstract :In o rder to ob tain the m ain facto rs affecting the p ressu re exponen t of bo ron 2based fuel 2rich p ropellan t ,p ropellan t samp les w ere p repared via m ix of the compo siti on s in m ix ing m ach ine ,pou ring in vacuum and cu ring at con stan t temperatu re .T he bu rn ing rate of p ropellan ts w as determ ined by strand target m ethod ,and the p ressu re exponen t w as ob tained from u =ap n .T he experi m en tal resu lts indicate that the p ressu re exponen t is affected by H T PB con ten t ,A P con ten t and gradati on and catalyst con ten t to a certain ex ten t .T he p ressu re exponen t w ill in 2crease as H T PB con ten t and A P w eigh t m ean diam eter decrease ,w h ile A P con ten t and catalyst con ten t increase .Key words :physical chem istry ;bo ron 2based p ropellan t ;p ressu re exponen t ;com bu sti on引　言含硼富燃料固体推进剂是目前能量最高的富燃料固体推进剂,主要用于固体冲压发动机。