2018, Vol. 39
固液混合火箭发动机又称为液固火箭发动机，它是一种将燃料和氧化剂分别以不同物质状态存储的热化学推进系统[1]。与常用的固体火箭发动机和液体火箭发动机相比，固液混合火箭发动机具有推力可调节、开/关机方便、对环境的影响小、安全性高和发射成本低等优点，是现在固液混合推进技术领域研究的热点[2]。但是固体燃料的燃面退移速率较低限制了该技术广泛应用于火箭、航天器等发射系统[3]。
目前，广泛研究的提高固体燃料燃面退移速率的方法主要有以下三大类：氧化剂旋流法、熔化层液滴飞溅质量传递和化学方法[4~6]。其中化学方法使用较为广泛，即向燃料中添加含能物质，而最常用的含能物质则是金属高能粒子。因为金属粒子的加入不但能够使固体燃料保持其相对惰性的本质，而且可以提高燃料分解产物与氧化剂反应的放热量，增加燃料燃烧时气相区向固相区的热反馈，从而提高燃料燃面的退移速率。Kim S等[7]对多种添加了微米铝粉的高聚物燃料进行了实验评估，当固体燃料为添加了60%微米铝和10%炭黑的聚氨酯粘结剂，氧化剂为FLOX-40（40%氟，60%氧）时，固体燃料的燃面退移速率达到最大；宾夕法尼亚大学的研究团队[8~10]对掺杂纳米铝的HTPB基燃料进行了研究，发现添加了13%Viton-A包覆ALEX的HTPB燃料与纯HTPB基燃料相比，燃面退移速率提高了130%。虽然当前关于向HTPB燃料中添加含能物质的研究很多，但是对添加不同质量分数的金属粒子对HTPB燃料燃面退移速率提升的具体数据以及对其燃烧性能的影响规律的研究却不多，因此有必要针对某一种特定的金属粒子开展相关研究，以便为我国从事此研究的科研工作者提供一定的数据和规律参考。
在关于向HTPB中添加含能物质的研究中，微米级别的Mg是比较常见的。通过查阅相关文献[11~13]可知，Mg的质量热虽然相对于HTPB来说略低，但是其体积热要比HTPB高很多，对于体积有限的混合发动机来说，体积热的影响比质量热要重要的多，所以在本论文中决定选择20μm粒径的Mg粉作添加剂，对含质量分数为5%，10%和15%的20μm粒径镁粉的三种HTPB配方燃料燃烧性能和规律进行一定的研究。
2 HTPB燃料的配方设计、制备和表征 2.1 镁粉粒子的SEM表征镁粉粒子的分布均匀性、有无团聚现象对燃料的制备以及燃料的热性能和燃烧性能有着非常重大的影响。为了检验购买的20μm粒径的镁粉是否符合制备要求，本研究利用日本日立公司生产的S-4800场发射扫描电子显微镜，在放大1万倍的条件下对其进行了SEM表征，表征结果如图 1所示。从图 1中可以看出，20μm镁粉粒子的粒径符合实验所需的粒径要求，颗粒呈圆球状，表面光滑，分布比较均匀，并且颗粒之间没有团聚现象。
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Fig. 1 SEM characterization of 20μm magnesium particles |
本实验采用的燃料的基础配方[14]（不添加任何金属粒子的HTPB燃料的配方）参数如表 1所示。
在表 1中，HTPB作为粘结剂，DOA为增塑剂，IPDI为固化剂，TIN为固化催化剂。计算可得到此配方燃料的理论密度为0.915g/cm3。
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Table 1 Basic formula of HTPB-based fuels |
在制备过程中，燃料的总质量定为70g。镁粉粒子含量为5%时，加入的镁粉粒子的总量为3.5g，故HTPB，DOA，TIN和IPDI的总量一共为66.5g，然后这四种组分按照HTPB基础燃料的配方进行设计，镁粉粒子含量为10%，15%时燃料的配方设计方法与此类似。经过计算得出这三种不同质量分数镁粉粒子混合推进燃料的配方如表 2所示。
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表 2 Formulations of HTPB-based fuels composited 5%，10% and 15% mass fractions Mg |
燃烧试验样品设计为长径比小于2的有内孔的圆柱形，铸造在长为30mm，外径为19mm，壁厚为1.5mm的无缝钢管内，中心孔直径为4mm。图 2为实验室制备含镁粉粒子的HTPB基燃料的流程图；图 3为实验室制备含镁粉粒子的HTPB基燃料的实验装置图。
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Fig. 2 Experimental setup of preparing HTPB -based fuels composited Mg particles in the laboratory |
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Fig. 3 Experimental setup of HTPB-based fuels for preparing magnesium-containing particles in the laboratory |
检验制备完成的燃料质量的两个主要的标准为：一是燃料的致密性，二是添加的镁粉分布均匀、不产生团聚现象。三种含镁配方的样品实物图如图 4所示。从图 4中可以看出燃料端面光滑平整，且基本不含有气泡，说明本实验制备燃料的实验过程是可行的。
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Fig. 4 Photos of three kinds of HTPB-based fuels composited Mg particles |
表 3为测量制备完成的纯HTPB燃料和含质量分数为5%，10%，15%镁粉的HTPB燃料的实际密度。从表 3中可以看出制备完成的纯HTPB燃料的实际密度为0.906g/cm3，与HTPB燃料的理论密度0.915g/cm3相差不大，绝对误差为0.98%，在1%之内。因此本实验制备的样品质量良好，基本不含或者含有特别少量的气泡，不会对燃料的燃烧性能产生影响，也从侧面说明了本实验中采用的制备方法和步骤是可行的。此外从表 3中还可以看出，添加镁粉的HTPB燃料的密度均大于纯HTPB燃料的密度，并且随着添加镁粉质量分数的增加，燃料的密度是增加的，这对燃料燃烧时质量消耗率的提高是有促进作用的。
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Table 3 Actual density of the fuel |
为了表征制备好的燃料的热性能，分析加入镁粉粒子之后对燃料放热量的影响，为后续分析不同配方燃料的燃烧性能提供理论依据，本实验对制备好的燃料进行TG-DSC表征。实验所用仪器为德国耐驰公司生产的MS 403C AëolosR型TG-DSC联用的热分析仪，盛放样品的坩埚为陶瓷坩埚，样品质量为1.0mg左右，空气作为气氛，氩气做为吹扫气，两种气体的流量均为20mL/min，温度从室温升到本实验仪器所能达到的最高温度1000℃，升温速率定为20℃/min。图 5为这三种HTPB配方燃料的TG-DSC曲线图（为方便对比，每个图里面都有纯HTPB燃料的TG-DSC曲线）。表 4为这三种HTPB配方燃料的DSC曲线特征值。
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Fig. 5 TG-DSC results of three kinds of HTPB-based fuels composited Mg particles |
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Table 4 DSC characteristic value of three kinds of HTPB-based fuels composited Mg particles |
从表 4中燃料DSC曲线特征值中可以看出，添加镁粉粒子可以增加HTPB燃料的氧化分解放热量，因此可以增加燃料在燃烧过程中的热反馈，有助于提高燃料的退移速率；并且添加镁粉粒子可以增加燃料的密度，也有助于提高燃料的质量消耗率；另外添加这三种质量分数的20μm镁粉粒子，燃料的总放热量都高于纯HTPB燃料的总放热量，而且随着镁粉粒子质量分数的增加，燃料的总放热量是增加的，二者之间呈现一种正比例关系，这对HTPB基燃料燃面退移速率的提升是有促进作用的。
2.4 燃料体积热值的计算对于体积有限的混合火箭发动机而言，燃料体积热的影响比质量热更为重要，有必要计算出燃料的体积热值，分析添加的镁粉含量对HTPB基燃料体积热值的影响。
由文献[15]得知，HTPB基燃料体系的体积热值为37.79kJ/cm3，镁粉的体积热值为43.806kJ/cm3，经过计算得到的这三种配方燃料的体积热值如表 5所示。
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Table 5 Volume calorific value of the fuel |
从表 5中可以看出，添加镁粉粒子燃料的体积热值均高于纯HTPB燃料的体积热值，而且随着镁粉粒子质量分数的增加，燃料的体积热值是增加的，二者之间呈现一种正比例关系，这对HTPB基燃料燃面退移速率的提升是有促进作用的。
3 燃料的燃烧性能测试研究 3.1 实验装置本实验中采用高速摄影法测试固体燃料的线性退移速率。它是通过自身的高速摄影仪来记录燃料燃烧时的退移过程，然后通过后续分析高速摄影拍摄的大量燃烧图像来分析计算出燃料的线性退移速率。此种方法是在相应的测试装置中对应位置装上一个角度为45°的反射镜，通过高速摄影来记录下镜子当中反射到的燃料燃烧的全过程，然后通过相应的软件处理可以得到相应的线性退移速率和质量消耗率。图 6为本实验用燃料燃烧测试装置图。
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Fig. 6 Hybrid propellant combustion performance test device used in lab |
从图 6中可以看出本实验装置主要由激光点火系统、燃烧室、氧气喷注系统、氧气流量控制系统、燃烧室压强控制系统以及测试系统组成。其中燃烧室这部分由移动腔、溢流阀、压力传感器、观察窗、反射镜和投光系统等组成。该测试系统可以精确控制燃烧试验过程中的压强和氧化剂质量流量，压强控制误差为±3%，氧化剂流量控制误差为±1%，试验压强为0.1~10MPa。燃烧实验时，药柱固定在氧化剂喷注端口（样品夹）处，氧化剂经过喷注器流入药柱内孔，氧化剂流量使用荷兰生产的Bronkhorst高压流量计精确控制；脉冲激光器发出的激光经透镜聚焦后垂直射入药柱中心孔并点燃放置在药柱另一端中心孔处的点火药，在气态氧气流的作用下引燃整个药柱内表面。透过喷注器右端的观察窗，药柱端面的整个点火燃烧过程经过一个45°角放置的平面镜反射后被高速摄影仪记录下来，然后经过一定的数据处理就可以获得燃料燃面的退移速率、质量消耗率与氧化剂质量密流的关系等燃烧特性曲线。
实验时氧化剂为气态氧气（GOX），实验中固定室温为23℃，为保证燃烧初始的氧化剂质量密流为400kg/（m2·s），对于中心孔直径为4mm的药柱，经计算在23℃的条件下氧气流量为1.366m3/h；压强固定在1MPa。
3.2 燃料的燃烧性能分析图 7是高速摄影拍摄的纯HTPB基燃料典型的点火燃烧过程。图 8是高速摄影拍摄的含镁粉质量分数为15%的HTPB燃料典型的点火燃烧过程。经过测量得到燃料燃烧端面退移直径的变化，然后根据秦钊在其博士论文[16]中提到的相关数据梳理方法就可以得到燃料的燃烧特性曲线，其中退移端面直径的变化和时间的关系、退移速率与氧化剂的质量密流的关系、燃料质量消耗率与氧化剂的质量密流的关系为
| $ D(t){\rm{ }} - D({t_0}){\rm{ }} = {a_{\rm{D}}}{(t - {t_0})^{{n_{\rm{D}}}}}(t > {t_0}) $ | (1) |
| $ {r_{\rm{f}}}(t){\rm{ }} = {a_{\rm{r}}}G_{{\rm{ox}}}^{{n_{\rm{r}}}}(t){\rm{ }}(t > {t_0}) $ | (2) |
| $ {m_{\rm{f}}}(t){\rm{ }} = {\rm{ }}2{a_{\rm{r}}}{\rho _{\rm{f}}}{{\rm{ \mathsf{ π} }}^{\frac{1}{2}}}L{m_{{\rm{ox}}}}^{\frac{1}{2}}G_{{\rm{ox}}}^{{n_{\rm{r}}} - \frac{1}{2}}(t) $ | (3) |
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Fig. 7 Combustion images of HTPB-based fuel |
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Fig. 8 Combustion of images HTPB-based fuel composited 15% mass fraction Mg particles |
图 8（a）为激光点燃点火药的时刻，图 8（b）为燃料被完全点燃的时刻，记为ti。此后燃料正常燃烧，随着燃烧时间的增加燃料的退移端面直径逐渐增大，如图 8（c）~（f）所示。从图 8中可以明显看到相对于纯HTPB燃料，此燃料的燃烧过程要更加剧烈。从图 8（f）中可以观察到其退移端面内有不少的亮点，推测这些亮点是飞溅出来的镁粉粒子进行点火燃烧的现象。
测得含质量分数分别为5%，10%和15%的20μm粒径镁粉三种配方燃料以及纯的HTPB燃料的退移速率、质量消耗率的总体平均值随氧化剂质量密流变化的关系曲线，如图 9，10所示，其中纯的HTPB燃料的数据曲线作为处理分析的基准。从这两个图中可以看出，在氧化剂质量密流为150~370kg/（m2·s）的范围内，含镁粉质量分数为10%和15%的燃料，其线性退移速率和质量消耗率均高于纯的HTPB燃料。含镁粉质量分数为5%的燃料，在较高的氧化剂质量密流下，其退移速率和质量消耗率高于纯的HTPB燃料，而在较低的氧化剂质量密流的情况下，其燃料的退移速率和质量消耗率低于纯的HTPB燃料。
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Fig. 9 rf(t) vs. Gox(t) of three kinds of HTPB-based fuels composited Mg particles and HTPB fuel |
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Fig. 10 mf(t) vs. Gox(t) of three kinds of HTPB-based fuels composited Mg particles and HTPB fuel |
为了更加准确地表述出不同质量分数对添加20μm粒径的HTPB燃料的燃烧性能的影响，测得这三种配方燃料的退移速率、质量消耗率相对于纯的HTPB燃料的增长百分比随氧化剂质量密流的关系曲线如图 11和图 12所示。
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Fig. 11 Regression rate increase with regard to HTPB vs. Gox(t) of HTPB-based fuels composited Mg particles and HTPB fuel |
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Fig. 12 Mass burning rate increase with regard to HTPB vs. Gox(t) of HTPB-based fuels composited Mg particles and HTPB fuel |
从图 11和图 12中可以得到，在氧化剂质量密流为150 kg/（m2·s）时，含镁粉质量分数为5%的燃料相对于HTPB燃料的退移速率降低了9.41%，质量消耗率降低了11.38%；而含镁粉质量分数为10%和15%的两种配方燃料的退移速率相对于纯的HTPB燃料增加了21.97%，39.71%，质量消耗率相对于纯的HT PB燃料增加了22.16%，44.91%；而在氧化剂质量密流为370kg/（m2·s）时，这三种HTPB配方燃料的退移速率相对于纯HTPB燃料分别增加了75.61%，142.46%和173.42%，其质量消耗率相对于纯的HTPB燃料分别增加了72.27%，142.73%和188.18%。
3.3 结果与讨论从表 4中这三种HTPB配方燃料的DSC曲线的特征值、表 5中这三种HTPB燃料的体积热值及分析中已知，这三种配方燃料的总放热量、体积热值相对于纯HTPB燃料是增加的，而且随着镁粉粒子质量分数的增加，燃料的总放热量、体积热值是增加的。按道理来说，这三种配方燃料的退移速率、质量消耗率均应高于纯HTPB燃料的退移速率，但是从图 10、图 11中可以看出含镁粉质量分数为5%的配方燃料比较特殊，其在氧化剂质量密流为150~200kg/（m2·s）时，它的退移速率和质量消耗率相对于纯HTPB燃料是降低的。这是因为含镁粉质量分数为5%的配方燃料的总放热量和体积热值低于其余两种配方燃料的总放热量和体积热值，所以相对来说其整个燃烧过程没有其余两种燃料剧烈，同时随着燃烧的进行，药柱的中心孔变的越来越大，氧化剂质量密流变的越来越小，氧气流对燃烧产物的吹扫作用越来越小，这就导致了燃烧过程中附着在燃料表面的白色MgO不能及时被氧气流吹走，从而导致燃烧不完全阻碍了反应的进行，所以在此情况下其退移速率和质量消耗率低于纯的HTPB燃料。
而含镁粉质量分数为10%和15%的HTPB燃料，其总的放热量、体积热值较高，所以即使在较低的氧化剂质量密流的情况下其燃烧过程依然相对剧烈，因此其生成的白色MgO能够及时被氧气流吹走，使反应正常进行，所以即使在这种情况下，这两种燃料的退移速率和质量消耗率依然比纯的HTPB燃料增长了不少。图 13为这三种HTPB配方燃料燃烧后的实物图。
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Fig. 13 Burned physical images of HTPB-based fuels composited Mg particles |
从图 13中可以明显看出，含质量分数为5%的镁粉燃料燃烧后有一定量的白色MgO附着在燃料表面，并未完全燃烧，并且还有少量的燃烧产物的残渣。而含质量分数为10%，15%的燃料在燃烧后，模具中剩余燃料、固体残渣较少，燃烧进行的相对完全，特别是13（c）的模具，只在模具的表面有一层薄薄的白色MgO，模具也比较干净，这也从侧面证实了实验燃烧的结果：质量分数为15%的退移速率和质量消耗率相对于纯的HTPB来说分别增加了173.42%和188.18%，增大了将近两倍。
综上所述分析，可以明显看出，添加粒径为20μm的镁粉粒子显著提高HTPB基燃料燃面的退移速率，而且在一定的范围之内随着添加镁粉质量分数的增高，HTPB燃料的退移速率和质量消耗率也变的越高，二者之间呈现正比例的关系。
4 结论（1）TG-DSC热分析表明向HTPB中添加镁粉粒子，可以明显提高HTPB燃料的氧化分解放热量，因此增加燃料在燃烧过程中的热反馈，有助于提高燃料的退移速率；并且添加镁粉粒子增加燃料的密度，也有助于提高燃料的质量消耗率；另外含质量分数为5%，10%和15%镁粉的三种HTPB配方燃料的总放热量都高于纯HTPB燃料的总放热量，而且随着镁粉粒子质量分数的增加，燃料的总放热量是增加的，二者之间呈现一种正比例关系，这对HTPB基燃料燃面退移速率的提升是有促进作用的。
（2）在氧化剂质量密流为150~370kg/（m2·s），三种配方燃料的退移速率和质量消耗率均随氧化剂质量密流的增大而增大。
（3）在氧化剂质量密流为370kg/（m2·s）时，这三种配方燃料的退移速率相对于HTPB燃料分别增加了75.61%，142.46%和173.42%，HTPB燃料的退移速率随着添加镁粉粒子的质量分数的增加而增大，二者之间呈现正比例关系。
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