丁羥四組元復(fù)合推進(jìn)劑燃燒穩(wěn)定性機理研究綜述

李軍偉，王茹瑤，宋岸忱，王寧飛

(北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081)

引 言

隨著火箭技術(shù)的發(fā)展，固體推進(jìn)劑技術(shù)不斷進(jìn)步，人們對固體推進(jìn)劑的性能要求也越來越嚴(yán)苛。由于傳統(tǒng)的AP/Al/HTPB基丁羥推進(jìn)劑無法滿足逐漸苛刻的高性能要求，而且在燃燒過程中會產(chǎn)生大量煙霧，造成隱蔽性差等問題，因此人們在丁羥推進(jìn)劑的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，用高能硝胺組分RDX或HMX部分取代高氯酸銨(AP)顆粒，不僅實現(xiàn)了推進(jìn)劑的高能化，還滿足了降低推進(jìn)劑特征信號與燃燒溫度的要求[1]。這類推進(jìn)劑稱為丁羥四組元復(fù)合推進(jìn)劑(AP /RDX(HMX)/Al/HTPB)。丁羥四組元復(fù)合推進(jìn)劑同時具有高能、低特征信號、機械性能良好及力學(xué)性能較好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于多種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和火箭的推進(jìn)系統(tǒng)[2]，是目前固體火箭發(fā)動機常用的高能復(fù)合推進(jìn)劑之一。

隨著丁羥四組元復(fù)合推進(jìn)劑的使用，問題也逐漸暴露。研究發(fā)現(xiàn)，金屬燃料與高能組分的添加使推進(jìn)劑呈現(xiàn)高能化的同時，還增大了固體火箭發(fā)動機出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象的可能性。丁羥四組元推進(jìn)劑同時包含了硝胺、金屬添加劑組分，燃燒過程與雙組元復(fù)合推進(jìn)劑相比更加復(fù)雜，因此也帶來了燃燒不穩(wěn)定問題。為此，作為目前戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中常用的高能復(fù)合推進(jìn)劑，提高其燃燒穩(wěn)定性，減弱燃燒響應(yīng)引起的燃燒室壓強振蕩，對縮短裝備研制周期、保障武器裝備正常工作具有重要的意義。

本文分別從丁羥四組元復(fù)合推進(jìn)劑各組分的燃燒機理展開介紹，并對各組元燃燒過程對燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。由于氧化劑、高能組分和燃料黏合劑不是化學(xué)連接的，因此分別研究各組分的燃燒特性，有助于建立推進(jìn)劑整體燃燒模型，從而為丁羥四組元復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒穩(wěn)定性機理研究提供參考，并針對不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象提出有效的抑制手段。

1 固體推進(jìn)劑的燃燒穩(wěn)定性

固體火箭發(fā)動機不穩(wěn)定燃燒主要表現(xiàn)為燃燒室壓力、燃速的周期性或近似周期性振蕩，也可稱為燃燒不穩(wěn)定性，后者側(cè)重于燃燒本身不穩(wěn)定性導(dǎo)致的壓強振蕩現(xiàn)象[3-6]。固體火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)部的燃燒與流動狀態(tài)較為復(fù)雜，如圖1所示[7]。在聲不穩(wěn)定燃燒理論中，燃燒室本身可以視為一個聲腔(聲振系統(tǒng))，當(dāng)燃燒室內(nèi)符合Rayleigh準(zhǔn)則時，聲波將引起推進(jìn)劑燃速的波動，造成放熱量及質(zhì)量流量的振蕩，最終放大振蕩，產(chǎn)生聲不穩(wěn)定燃燒。

圖1 固體火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)部工作狀態(tài)Fig.1 Internal working state of solid rocket motor combustor

研究表明[8]，如果推進(jìn)劑在特定條件下燃燒所釋放的小部分能量(0.14%)轉(zhuǎn)化為聲能，聲壓振幅便可以達(dá)到燃燒室平均壓強的 10%。此外，在聲不穩(wěn)定燃燒理論中，壓力耦合響應(yīng)、速度耦合響應(yīng)、分布燃燒、顆粒阻尼等影響因素與固體推進(jìn)劑的燃燒過程緊密聯(lián)系。因此，推進(jìn)劑的燃燒過程將極大影響不穩(wěn)定燃燒的發(fā)展過程。

為了探究固體發(fā)動機中的燃燒不穩(wěn)定問題，Culick[9-10]最早從固體推進(jìn)劑的角度展開了相關(guān)研究。針對均質(zhì)推進(jìn)劑，他歸納了“氣相準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)均勻推進(jìn)劑一元模型(簡稱QSHOD模型)”，并通過建立壓力耦合響應(yīng)函數(shù)，解釋了固體推進(jìn)劑的燃燒響應(yīng)對燃燒室壓強波動的放大機理。前蘇聯(lián)學(xué)者Zeldovich[11]和Novozhilov[12]通過推導(dǎo)氣相向凝聚相的熱反饋關(guān)系式，建立了ZN模型，這一模型可直接利用穩(wěn)態(tài)燃燒數(shù)據(jù)推導(dǎo)壓力耦合響應(yīng)函數(shù)關(guān)系式。Greatrix[13]基于ZN模型建立了通用的固體推進(jìn)劑瞬態(tài)燃速的數(shù)值計算模型，該模型能夠快速預(yù)測軸向不穩(wěn)定燃燒問題。

為了提高固體發(fā)動機比沖，固體推進(jìn)劑中加入了鋁粉等金屬燃料，其燃燒產(chǎn)生的凝相產(chǎn)物具有一定抑制振蕩的作用，這使得固體發(fā)動機不穩(wěn)定燃燒問題得到緩解。20世紀(jì)末，隨著金屬燃料和高能炸藥的使用，固體推進(jìn)劑的能量獲得了大幅提升，而不穩(wěn)定燃燒問題也重新得到人們的關(guān)注[14]。

2001年，針對固體火箭發(fā)動機出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，美國海軍空戰(zhàn)中心(Naval Air Warfare Center)的Blomshield教授[15]曾進(jìn)行了整理和比較，匯總?cè)鐖D2所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)，這些固體火箭發(fā)動機多采用復(fù)合推進(jìn)劑，占比達(dá)82%。為了減小或抑制燃燒不穩(wěn)定，研究人員大多選擇改變鋁粉與AP 的粒度和配比[16]，或者在推進(jìn)劑中加入穩(wěn)定劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%)。由此可見，改變顆粒相的粒度和配比，對改善推進(jìn)劑的燃燒穩(wěn)定性有很大作用，但仍然未能完全理解其機理。

圖2 出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒的固體火箭總結(jié)Fig.2 Summary of solid rockets showing combustion instability

針對異質(zhì)推進(jìn)劑，Beckstead等[17]根據(jù)復(fù)合推進(jìn)劑的火焰結(jié)構(gòu)特征，建立了BDP火焰模型，并進(jìn)一步獲得復(fù)合推進(jìn)劑的壓力耦合響應(yīng)函數(shù)，以實現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性的預(yù)測。Culick等[18]將均質(zhì)推進(jìn)劑壓力耦合響應(yīng)小擾動分析的經(jīng)典解析解推廣到任意雙組分復(fù)合推進(jìn)劑，分析發(fā)現(xiàn)可以得到兩種形式的壓強指數(shù)：第一種形式的壓強指數(shù)表現(xiàn)出組分的穩(wěn)態(tài)燃燒速率對壓力的依賴性；第二種形式的壓強指數(shù)是由非定常熱反饋和非定常耦合的振蕩引起的。針對高氯酸銨基復(fù)合推進(jìn)劑，其具有非穩(wěn)態(tài)耦合的頻率依賴性壓強指數(shù)特性，高氯酸銨因其凝聚相放熱和燃燒動力學(xué)而成為不穩(wěn)定的主要來源。Rezaiguia等[19]通過實驗探究了AP/Al/HTPB固體推進(jìn)劑在兩種平均壓力下對壓力擾動的燃燒響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)聲波對燃燒產(chǎn)物的流動、火焰結(jié)構(gòu)和位置、燃燒表面形貌、燃燒速率、鋁顆粒的流動速度以及團(tuán)聚體的分布都有很強的影響。

可以看出，固體推進(jìn)劑的燃燒穩(wěn)定性研究重點主要集中于燃燒模型的建立和燃燒響應(yīng)的理論推導(dǎo)與實驗測量[20-25]，而金屬顆粒與高能組分燃燒對燃燒穩(wěn)定性的影響機理也受到廣泛關(guān)注[26-32]。丁羥四組元復(fù)合推進(jìn)劑同時包含氧化劑、黏合劑、金屬燃料以及高能硝胺4種組分，具有很強的典型性。因此，本文主要圍繞該類推進(jìn)劑的重要組分進(jìn)行介紹。

2 丁羥復(fù)合推進(jìn)劑燃燒穩(wěn)定性機理

與均質(zhì)類的雙基推進(jìn)劑相比，復(fù)合推進(jìn)劑是一種典型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中，氧化劑顆粒和金屬顆粒依靠黏合劑粘結(jié)形成多相機械混合物，組分之間有明顯的界面，如圖3所示[33]。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了其燃燒過程的復(fù)雜性，包括凝聚相加熱、熔化相變、表面熱分解以及氣相產(chǎn)物的擴散混合與燃燒反應(yīng)等[34]。

圖3 復(fù)合推進(jìn)劑的三維隨機堆積模型Fig.3 Three-dimensional random packing model of composite propellant

以AP/Al/HTPB復(fù)合推進(jìn)劑為例，黏合劑和氧化劑的分解產(chǎn)物會相互混合，在推進(jìn)劑燃燒表面上方形成擴散火焰,如圖4所示[35]。同時，AP的分解產(chǎn)物會單獨形成預(yù)混火焰，其燃燒產(chǎn)物也會與黏合劑分解產(chǎn)物進(jìn)一步形成二次擴散火焰。當(dāng)推進(jìn)劑添加了鋁粉后，鋁顆粒還會在氣相區(qū)分布燃燒，進(jìn)一步影響火焰結(jié)構(gòu)。因此，復(fù)合推進(jìn)劑的異質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了其燃燒火焰的復(fù)雜性，燃燒火焰是非穩(wěn)態(tài)的，火焰結(jié)構(gòu)隨時間發(fā)生變化，且容易受到推進(jìn)劑成分和工作條件的影響。

圖4 AP復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒火焰結(jié)構(gòu)Fig.4 Combustion flame structure of AP composite propellant

當(dāng)推進(jìn)劑的非穩(wěn)態(tài)燃燒過程與燃燒室內(nèi)的聲波相互耦合時，燃燒響應(yīng)增強，壓力波動的振幅持續(xù)增加，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)出現(xiàn)壓強振蕩。此外，當(dāng)燃燒室出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象后，推進(jìn)劑的相變蒸發(fā)速率、氣相擴散燃燒會受到壓強振蕩的影響，最終影響推進(jìn)劑的燃燒速度，這就是聲場與推進(jìn)劑非穩(wěn)態(tài)燃燒的耦合過程。因此，各個組分的相變分解過程是復(fù)合推進(jìn)劑表面瞬態(tài)燃燒響應(yīng)的主要影響因素，也是影響固體推進(jìn)劑燃燒穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

2.1 高氯酸銨對燃燒穩(wěn)定性的影響

高氯酸銨(AP)是復(fù)合推進(jìn)劑中使用最廣泛的氧化劑，在推進(jìn)劑中有相當(dāng)大的占比(其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占70%以上)，顯著影響復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒過程。AP基復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒不穩(wěn)定性很大程度上被認(rèn)為是由于AP的不穩(wěn)定性、黏合劑的存在以及擴散火焰的不穩(wěn)定造成的[36]。

AP的燃燒分為3個階段[37]：當(dāng)加熱溫度在300℃以下時處于低溫分解階段；當(dāng)溫度達(dá)300～450℃時處于高溫分解階段。在這一過程AP可以完全分解，且釋放大量熱量。該過程生成的氧化物主要是NO，且分解產(chǎn)物的積累會使 AP 熔點下降，出現(xiàn)部分液化的現(xiàn)象，因此凝聚相表面上也會有分解過程產(chǎn)生[38]；當(dāng)溫度在440℃以上時，AP分解處于爆燃階段，這一階段燃燒條件與燃燒室環(huán)境更為接近。經(jīng)過大量研究，人們發(fā)現(xiàn)AP燃燒過程有以下特點[39-40]：(1)AP爆燃時的燃燒表面存在熔化層；(2)AP爆燃經(jīng)歷兩個過程。首先是凝聚相過程，即固相內(nèi)AP發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變并在液相內(nèi)熱分解氣化的吸熱過程，其次是分解產(chǎn)物NH3和HClO4在氣相中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的放熱過程，其燃燒火焰為預(yù)混火焰；(3)AP爆燃時的燃速受壓強影響較大。

壓強變化與AP燃燒表面的凝聚相分解反應(yīng)是影響丁羥推進(jìn)劑動態(tài)燃燒過程的重要因素。同時，通過對AP高溫分解機理和爆燃機理的研究，提出了 AP 推進(jìn)劑初始的分解反應(yīng)開始于凝聚相的推斷[41]。這一過程直接影響了進(jìn)入氣相反應(yīng)區(qū)的氣體流量和氣體成分，對氣相火焰的影響更大。盡管凝聚相反應(yīng)不是控制燃燒過程的主要原因，但會極大影響推進(jìn)劑的燃燒速率、壓強指數(shù)等燃燒特性。Capener等[36]針對不同推進(jìn)劑配方，利用脈沖觸發(fā)點火試驗，開展了高頻橫向燃燒穩(wěn)定性測試試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，高壓下只有含高氯酸銨的推進(jìn)劑配方對有限振幅脈沖響應(yīng)不穩(wěn)定。研究認(rèn)為，當(dāng)壓強升高時，燃燒速率的所有控制步驟都與固相過程或表面反應(yīng)有關(guān)，這些反應(yīng)可以與燃燒室中的聲波耦合，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定問題。這一研究結(jié)果說明在高壓條件下壓強振蕩對反應(yīng)前固相表面的融化和蒸發(fā)等過程的影響比較大。

AP還通過影響復(fù)合推進(jìn)劑表面的動態(tài)燃燒過程，進(jìn)一步對燃燒室內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。由于AP顆粒在復(fù)合推進(jìn)劑中是非均勻分布的，且粒徑各異(粗顆粒直徑約為200 μm左右，細(xì)顆粒約20 μm)，隨著燃面的退移，一個AP顆粒燃燒結(jié)束之后，顆粒上方的火焰消失，新的火焰就會重新出現(xiàn)在冒出的AP顆粒表面上方。因此，推進(jìn)劑表面的火焰結(jié)構(gòu)是非穩(wěn)態(tài)的。與此同時，同一個AP顆粒在燃燒過程中形成的火焰結(jié)構(gòu)也是不同的，如圖5所示。當(dāng)AP顆粒最初被點燃時，顆粒上方的火焰結(jié)構(gòu)為擴散火焰；隨著顆粒的燃燒，單組元分解焰產(chǎn)生，形成了經(jīng)典的BDP火焰結(jié)構(gòu)；最終，AP通過不斷分解，初焰在黏合劑上翻轉(zhuǎn)，形成蘑菇型結(jié)構(gòu)。

圖5 AP顆粒的瞬態(tài)燃燒過程Fig.5 Transient combustion process of AP particles

因此，在復(fù)合推進(jìn)劑燃燒的各個時刻，不同位置的AP顆粒處于不同的燃燒狀態(tài)，復(fù)合推進(jìn)劑表面的火焰結(jié)構(gòu)隨著AP的燃燒過程不斷改變?；鹧娼Y(jié)構(gòu)的變化會影響氣相對固相的熱反饋，從而使燃燒溫度產(chǎn)生波動，最終對推進(jìn)劑的動態(tài)燃速等燃燒特性產(chǎn)生影響。當(dāng)燃燒室內(nèi)的聲波與燃燒表面的非定常過程相互耦合時，會導(dǎo)致燃燒室的壓強振蕩[42]。當(dāng)燃燒室出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定后，推進(jìn)劑的相變蒸發(fā)速率、氣相擴散燃燒會受到壓強振蕩的影響，反過來繼續(xù)影響推進(jìn)劑的燃燒速度，形成自激振蕩，使不穩(wěn)定燃燒持續(xù)發(fā)展。

由上述可知，理解凝聚相成分相變蒸發(fā)過程對壓力振蕩(即燃燒過程的振蕩)的動態(tài)響應(yīng)特性，是進(jìn)一步探討不穩(wěn)定燃燒與固體推進(jìn)劑相變蒸發(fā)過程之間相互作用機制的理論前提；而AP動態(tài)燃燒過程是影響復(fù)合推進(jìn)劑非穩(wěn)態(tài)火焰結(jié)構(gòu)的主要影響因素之一，也是影響固體推進(jìn)劑燃燒穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

2.2 HTPB對燃燒穩(wěn)定性的影響

端羥基聚丁二烯(HTPB)是復(fù)合推進(jìn)劑中常用的黏合劑，在復(fù)合推進(jìn)劑中約占總質(zhì)量的 10%～15%。HTPB預(yù)聚物通過固化與交聯(lián)反應(yīng)形成規(guī)則分布的高分子聚合物，將高能粒子粘合在一起，形成多相機械混合的丁羥復(fù)合推進(jìn)劑。它不僅為推進(jìn)劑提供優(yōu)良的力學(xué)性能，并且還作為丁羥推進(jìn)劑中的燃料組分，提供了較好的燃燒特性[35]。

人們通過對HTPB在不同溫度、不同加熱速率下的熱分解機理分析發(fā)現(xiàn)，HTPB的氣相分解產(chǎn)物會隨燃燒條件而變化，這將改變推進(jìn)劑的氣相反應(yīng)過程，影響氣相對燃燒表面的熱傳導(dǎo)和燃燒表面熱平衡[43]。同時黏合劑的熱解產(chǎn)物會與AP分解產(chǎn)物發(fā)生氣相反應(yīng)，影響火焰溫度，從而使推進(jìn)劑的燃燒性能發(fā)生變化。Cohen等[44]研究認(rèn)為，HTPB的熱分解不是影響燃速的直接原因，而是通過影響氧化劑AP顆粒和燃燒火焰間接影響推進(jìn)劑的燃燒速度。張煒等[45]通過對凝聚相燃燒模型進(jìn)行理論分析發(fā)現(xiàn)，若要使推進(jìn)劑維持穩(wěn)態(tài)燃燒，黏合劑的熱分解速率與氧化劑的熱分解速率、熱點火延遲時間之間必須具備一定的匹配關(guān)系。

實驗還證明了在高溫高加熱速率的燃燒條件下，黏合劑會發(fā)生熔化相變，形成液膜。由于液膜具有流動性，易于流向AP顆粒表面甚至將其覆蓋，因此黏合劑會干擾 AP 顆粒的分解，嚴(yán)重時會降低AP爆燃對壓力的敏感性，從而降低壓強指數(shù)，并改變推進(jìn)劑燃燒表面的火焰形狀[45]。Cohen等[46]研究了黏合劑的熔層厚度和熔化粘度對推進(jìn)劑燃速的影響，結(jié)果表明，黏合劑的熔層厚度與AP顆粒大小、顆粒凸出高度有關(guān)；熔層黏度效應(yīng)與黏合劑熔層厚度有關(guān)。Chakravarthy等[47]研究了黏合劑液膜對AP顆粒燃燒和推進(jìn)劑燃速的影響(如圖6所示)。黏合劑熔融液膜的流動會使細(xì)小AP顆粒發(fā)生側(cè)向位移，導(dǎo)致AP重新分布，同時造成富含氧化劑局部位置處的不穩(wěn)定熱分解。在中壓范圍內(nèi)，黏合劑液膜層較厚，AP顆粒堆積在燃燒表面上，加劇了燃燒表面的非平面性，最終使燃燒表面出現(xiàn)中壓熄滅現(xiàn)象(見圖7[47])。這一過程阻礙了周圍粗AP粒子與擴散火焰(LEF)的近表面前緣的相互作用，導(dǎo)致推進(jìn)劑出現(xiàn)平臺燃燒的趨勢。

圖6 黏合劑熔化層對AP燃燒火焰的影響Fig.6 Effect of binder melting layer on AP combustion flame

圖7 黏合劑熔化層對燃燒表面的影響Fig.7 Effect of binder melting layer on combustion surface

液膜層對火焰穩(wěn)定性的影響，最早來源于液體火箭發(fā)動機的不穩(wěn)定燃燒。在液體火箭發(fā)動機中，液滴的蒸發(fā)過程被認(rèn)為是燃燒速率的控制過程，對液體火箭發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的影響。因此，很多研究者[48-49]將液滴的蒸發(fā)過程作為液體火箭發(fā)動機不穩(wěn)定燃燒激勵機制中的關(guān)鍵因素進(jìn)行研究。這是因為，一般情況下液體燃料的燃燒過程受蒸發(fā)速率限制，不穩(wěn)定燃燒中壓力振蕩的特征時間和液滴蒸發(fā)的特征時間非常接近，液滴蒸發(fā)速率受壓力的影響比較大，這些特征都具備激勵起不穩(wěn)定燃燒的可能性，如圖8所示[50-51]。這是一種燃料供應(yīng)與燃燒過程耦合的不穩(wěn)定燃燒誘發(fā)機制，最早在1942年由馮·卡門提出[52]。

圖8 液滴表面蒸發(fā)速率對壓力振蕩的影響Fig.8 Effect of droplet surface evaporation rate on pressure oscillation

固體火箭發(fā)動機工作時，高溫燃?xì)饧訜峁腆w推進(jìn)劑，固體推進(jìn)劑組分受熱熔化產(chǎn)生液膜層，液膜的厚度取決于火焰的加熱速率和工作壓強。如果液膜的蒸發(fā)速率受到擾動，那么液膜層上方的擴散火焰也會變得不穩(wěn)定，最終對推進(jìn)劑的燃燒速率、壓強指數(shù)和溫度敏感系數(shù)產(chǎn)生巨大影響。反之，燃燒室中的壓力擾動也會影響推進(jìn)劑表面的火焰，振蕩火焰通過熱反饋影響表面液膜的蒸發(fā)速率，最后液膜的蒸發(fā)速率又會影響火焰的穩(wěn)定性，這就是液膜蒸發(fā)不穩(wěn)定與火焰振蕩的相互影響。深入理解凝聚相成分相變蒸發(fā)過程對壓力振蕩(即燃燒過程的振蕩)的動態(tài)響應(yīng)特性，建立適用于壓力振蕩環(huán)境下的相變蒸發(fā)模型，有利于進(jìn)一步探討不穩(wěn)定燃燒與固體推進(jìn)劑相變蒸發(fā)過程之間的相互作用機制。

以上研究表明，黏合劑相變蒸發(fā)和分解過程會對復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒過程產(chǎn)生一定影響，從而影響推進(jìn)劑的燃燒穩(wěn)定性。

2.3 鋁粉對燃燒穩(wěn)定性的影響

為了提高固體推進(jìn)劑的性能，以鋁粉為代表的金屬燃料被大量加入其中。鋁粉的加入能夠顯著提高推進(jìn)劑的能量，增大比沖，但同時也具有易生成煙霧、燃燒過程復(fù)雜等缺點。

復(fù)合推進(jìn)劑在燃燒過程中，黏合劑與氧化劑顆粒會在燃燒表面上熔化，形成一層較薄的液層。與此同時，鋁顆粒經(jīng)過氧化，會在外表面形成熔點較高的氧化鋁(Al2O3)外殼，由于高熔點外殼的保護(hù)，鋁顆粒會在燃燒表面的液層內(nèi)滯留、積聚、結(jié)團(tuán)，形成大的顆粒，直徑可達(dá)到200 μm。隨后隨著氣相產(chǎn)物從表面逃逸，進(jìn)入溫度更高的氣相反應(yīng)區(qū)。該過程僅有數(shù)毫秒。在氣相反應(yīng)區(qū)，鋁顆粒不斷被分解產(chǎn)物形成的擴散火焰迅速加熱，在幾毫秒內(nèi)，鋁顆?？焖偃紵鹧鏈囟雀哌_(dá)3 800 K，釋放出大量的高溫燃燒產(chǎn)物，同時會形成新的固體顆粒。還有部分鋁不參與團(tuán)聚，從表面逃逸后直接燃燒。這就是鋁顆粒在固體發(fā)動機 中的分布燃燒現(xiàn)象，如圖9所示[37]。Yang等[53]對微米級鋁顆粒燃燒過程中的4個典型階段進(jìn)行了總結(jié)，如圖10所示[53]。

圖9 復(fù)合推進(jìn)劑中鋁顆粒的燃燒過程 Fig.9 Combustion process of aluminum particles in composite propellant

圖10 Yang總結(jié)的微米級鋁顆粒燃燒的4個階段Fig.10 Four stages of micron aluminum particle combustion summarized by Yang

根據(jù)鋁粉的燃燒過程，研究人員總結(jié)了鋁粉對推進(jìn)劑燃燒穩(wěn)定性的兩大主要影響[14]：

(1)阻尼作用。鋁粉的惰性燃燒產(chǎn)物會對不穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，即顆粒阻尼。燃燒后形成的Al2O3會對聲振形成強烈的抑制作用，從而阻礙不穩(wěn)定燃燒的發(fā)展[54]。含Al2O3顆粒的兩相流在運動過程中，顆粒能夠與氣體進(jìn)行動量與能量的交換，引起聲能的耗散，這里應(yīng)用最廣的理論是微粒松弛理論[13]。

顆粒阻尼的影響作用與粒徑有較大關(guān)系。Blomshield等[27]對含不同粒徑鋁粉的推進(jìn)劑進(jìn)行了實驗研究，證實了粒徑較小的顆粒在高頻條件下顆粒阻尼較小，如圖11所示[27]。Dupays等[28]在法國ASSM項目中研究漩渦脫落發(fā)現(xiàn)表面渦脫落條件下惰性顆粒的顆粒阻尼理論不再適用，惰性顆粒產(chǎn)生了放大振蕩的作用。國內(nèi)金秉寧等[29]通過脈沖激勵實驗發(fā)現(xiàn)，粒子阻尼的大小取決于流場中的凝相燃燒產(chǎn)物粒徑分布和振蕩頻率。李軍偉等[30]通過建立甲烷平面燃燒器研究了鋁粉在不同振蕩頻率下的產(chǎn)物阻尼特性，發(fā)現(xiàn)燃燒的鋁粉粒度越大，聲壓振蕩強度越大，阻尼相對越小。

圖11 0.34 MPa與5.5 MPa下4種含不同粒徑鋁粉推進(jìn)劑的顆粒阻尼Fig.11 Particle damping of four aluminum powder propellants with different particle sizes under 0.34 MPa and 5.5 MPa

需要注意的是，鋁粉的顆粒阻尼作用主要體現(xiàn)在燃燒室流場為均勻且非旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，而在發(fā)生漩渦脫落的情況下，惰性顆粒的阻尼作用并不顯著。在對 Ariane5 P230發(fā)動機的研究中，Ballereau和Godfroy[31]指出在表面漩渦脫落的環(huán)境下，顆粒相對壓強振蕩起了增益作用，而非阻尼作用。Orlandi等[32]的研究也表明，在存在表面漩渦脫落的情況下，鋁的燃燒有兩種效應(yīng):第一種是由于惰性凝聚產(chǎn)物集中在不穩(wěn)定渦旋的外邊緣，這些粒子束通過噴管軸線時加劇了壓力振蕩，然而這種增益效應(yīng)是有限的；第二種效應(yīng)與鋁液滴的燃燒和表面漩渦脫落不穩(wěn)定性引起的熱釋放和流動波動之間的耦合有關(guān)，這種耦合發(fā)生在發(fā)動機前部時會產(chǎn)生增益效應(yīng)，發(fā)生在發(fā)動機尾部時會產(chǎn)生阻尼效應(yīng)。

(2)增益作用。由于鋁顆粒燃燒時會隨著燃?xì)庖黄鹆鲃?，燃燒放熱量和燃燒位置時刻在變化。如果短時間內(nèi)迅速釋放大量高溫燃?xì)?猶如爆炸)，那么燃燒室中就會激發(fā)出壓強脈沖。此外，如果鋁顆粒燃燒放熱的位置與燃燒室固有聲場相耦合，燃燒放熱量和燃燒位置滿足 Rayleigh準(zhǔn)則，則會對燃燒室內(nèi)的壓強振蕩產(chǎn)生增益作用。如果鋁顆粒燃燒放熱的區(qū)域超出Rayleigh準(zhǔn)則中的特定區(qū)域，則聲能會衰減。因此，鋁顆粒的微觀燃燒狀態(tài)及其在燃燒室中發(fā)生燃燒的位置等因素，會影響固體火箭發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性。

Beckstead等[55]的研究認(rèn)為，鋁粉燃燒的能量釋放率與粒徑成比例，鋁粉顆粒燃燒還對發(fā)動機內(nèi)聲能有增益作用。Dupays和Vuillot[56]的研究在理論上證明，大片的鋁滴“云團(tuán)”蒸發(fā)引起的質(zhì)量釋放能引起聲波。Beckstead和Raun[57-58]針對鋁顆粒在Rijke燃燒器中的燃燒進(jìn)行了仿真計算，結(jié)果表明，分布燃燒對聲不穩(wěn)定性的放大作用是由軸向溫度分布不均勻和顆粒燃燒造成的，溫度不均勻會引起速度波腹發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致火焰響應(yīng)的增加。Sabnis[59]的研究表明，熔融鋁滴會擴大燃燒區(qū)域，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)流場不等溫，燃?xì)獾幕瘜W(xué)組分和密度在燃燒室內(nèi)呈現(xiàn)空間不均勻分布狀態(tài)。

Gallier[60]證實聲場能夠與鋁顆粒分布燃燒耦合并產(chǎn)生燃燒響應(yīng)，從而對不穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生激勵作用，如圖12所示。同時還建立了層流中鋁分布燃燒的增益項表達(dá)式，結(jié)果表明燃燒不穩(wěn)定程度的決定因素是鋁顆粒燃燒區(qū)域的厚度及燃燒釋放的熱量。金秉寧等[29]在T型燃燒器中對含鋁復(fù)合推進(jìn)劑進(jìn)行了試驗，研究了鋁粉粒度對分布燃燒響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，初始鋁粉粒度越大，燃燒過程中產(chǎn)生的分布燃燒增益越大，無益于發(fā)動機的穩(wěn)定燃燒。

圖12 聲場與鋁顆粒分布燃燒的耦合關(guān)系示意圖Fig.12 Schematic diagram of the coupling relationship between sound field and aluminum particle distributed combustion

2.4 硝胺組分對燃燒穩(wěn)定性的影響

為了提高固體推進(jìn)劑的能量，部分AP被高能硝胺組分(RDX或HMX)所取代，這實現(xiàn)了復(fù)合推進(jìn)劑的高能化，提高了復(fù)合推進(jìn)劑的清潔性，但也帶來了燃燒穩(wěn)定性問題[61]。

硝胺含量能顯著影響推進(jìn)劑的壓強指數(shù)和燃燒特性[62]。魯國林[63]對硝胺/AP /HTPB推進(jìn)劑高壓燃燒特性進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)隨著硝胺含量的增大，復(fù)合推進(jìn)劑的高壓壓強指數(shù)也呈增大趨勢。賈小鋒等[64]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，高壓下向AP/Al/HTPB推進(jìn)劑中加入粗HMX可增大壓強指數(shù)。硝胺的壓強指數(shù)較高(接近1)，導(dǎo)致四組元推進(jìn)劑在微弱的壓力擾動下，燃速可產(chǎn)生劇烈波動，燃速的敏感性會增大與聲能耦合的可能性，從而對火箭發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性帶來不利影響。Kubota等[61]測試了RDX/AP復(fù)合推進(jìn)劑燃燒性能，發(fā)現(xiàn)RDX/AP復(fù)合推進(jìn)劑較AP復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒不穩(wěn)定工作范圍更廣，但未對這一現(xiàn)象的原因進(jìn)行詳細(xì)解釋。Kalal等[65]對不同RDX含量下的丁羥四組元復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒特性進(jìn)行了測量，實驗結(jié)果表明，隨著RDX含量的增大，推進(jìn)劑的熱導(dǎo)率與比熱都呈增大趨勢，且比熱的增加更為顯著。Shusser等[66]研究表明，由于燃速對比熱有一定的依賴性，因此RDX的增加會影響推進(jìn)劑的燃燒速率。此外，實驗還表明固相的傳熱速率與燃燒表面放熱量隨RDX含量的增加而增大。因此，高RDX含量下復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒響應(yīng)將更加顯著。

硝胺組分可增大復(fù)合推進(jìn)劑的壓力耦合響應(yīng)函數(shù)。袁佩珍等[67]通過T型燃燒器對含HMX的復(fù)合推進(jìn)劑進(jìn)行了壓力耦合響應(yīng)函數(shù)的實驗測量。結(jié)果表明，隨著HMX含量的增加，HMX/AP/HTPB推進(jìn)劑的壓力耦合響應(yīng)函數(shù)隨之增大，更傾向于燃燒不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)HMX質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%時,對不穩(wěn)定性的影響不明顯。作者認(rèn)為，隨著HMX含量的增加，絕熱火焰溫度降低，造成聲振能量的增加，從而更易產(chǎn)生不穩(wěn)定燃燒問題。Greatrix[68]研究指出，爆熱增加，會顯著增大推進(jìn)劑的響應(yīng)函數(shù)，見圖13。

圖13 不同爆熱的氧化劑對推進(jìn)劑壓力耦合響應(yīng)的影響Fig.13 Effect of different explosive oxidizer on pressure coupling response of propellant

RDX和HMX的爆熱是AP 爆熱的5倍，這兩種硝胺組分燃燒時會釋放出大量的燃燒熱。從圖13可以看出[68]，爆熱增加5倍，響應(yīng)函數(shù)會增加1.56倍。Blomshield等[69]通過T型燃燒器分別對HMX和RDX進(jìn)行了壓力耦合響應(yīng)函數(shù)的測量，發(fā)現(xiàn)在高壓下RDX和HMX均表現(xiàn)出高頻下的響應(yīng)，但HMX在低壓和低頻時較RDX表現(xiàn)出更高的壓力耦合響應(yīng)。

硝胺的添加還對鋁的團(tuán)聚行為產(chǎn)生一定影響。Liu等[70]對Al/HTPB/AP/硝胺推進(jìn)劑的鋁團(tuán)聚體尺寸進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)RDX比HMX能引起更嚴(yán)重的團(tuán)聚。Glotov[71]也證明了這一點，他通過采樣法分別研究了HMX和RDX的添加對四組元復(fù)合推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的鋁團(tuán)聚物尺寸的影響。研究發(fā)現(xiàn)，粗粒徑的硝胺會增大鋁團(tuán)聚物尺寸。此外，RDX基推進(jìn)劑具有比HMX基推進(jìn)劑更嚴(yán)重的鋁團(tuán)聚現(xiàn)象。這種鋁團(tuán)聚現(xiàn)象與HMX和RDX在燃燒波中的行為有關(guān)，RDX的反應(yīng)始于較低的溫度，這會導(dǎo)致在非均勻的推進(jìn)劑表面，凝聚相的鋁氧化更活躍。氧化物的存在有助于增大鋁顆粒在燃燒表面的滯留時間，從而產(chǎn)生更大的團(tuán)聚體。團(tuán)聚體的大小決定了鋁在燃燒過程中的宏觀動力學(xué)，從而影響含鋁推進(jìn)劑的燃燒穩(wěn)定性。

硝胺還會造成火焰結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，從而促進(jìn)三維氣相火焰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)瞬態(tài)變化。當(dāng)火焰結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)變化與聲能耦合時，會增大燃燒不穩(wěn)定性。實驗發(fā)現(xiàn)，RDX 復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒波呈現(xiàn)兩層火焰結(jié)構(gòu)，靠近固體推進(jìn)劑的部分是暗區(qū)，沒有火焰。在暗區(qū)的上方是火焰區(qū)，類似于雙基推進(jìn)劑的火焰結(jié)構(gòu)，如圖14所示[35]。

圖14 AP推進(jìn)劑和RDX推進(jìn)劑的火焰圖像對比Fig.14 The comparison of flame images between AP propellant and RDX propellant

因此，RDX 推進(jìn)劑的燃燒波不同于AP推進(jìn)劑的燃燒波。由于RDX熔點較低，在低溫加熱時就會氣化分解，在四組元推進(jìn)劑中，RDX與黏合劑的火焰會改變傳統(tǒng)AP三組元推進(jìn)劑的燃燒波結(jié)構(gòu)，同時改變 AP推進(jìn)劑燃燒表面上方的火焰溫度，如圖15所示[72]。RDX/AP推進(jìn)劑的氣相火焰溫度低于純 AP 推進(jìn)劑溫度，又高于純RDX推進(jìn)劑溫度。溫度的下降會減小AP的相變分解速率，同時又會增加RDX相變蒸發(fā)速率，從而導(dǎo)致三維氣相火焰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)瞬態(tài)變化，引起火焰溫度振蕩。

圖15 RDX與AP推進(jìn)劑的燃面溫度比較Fig.15 Comparison of burning surface temperature between RDX and AP propellants

盡管硝胺組分的添加會對丁羥推進(jìn)劑的燃燒火焰結(jié)構(gòu)、壓強指數(shù)產(chǎn)生一定影響，但有關(guān)硝胺組分在丁羥推進(jìn)劑中的燃燒穩(wěn)定性研究工作仍然較少，機理仍未明確，其影響規(guī)律也并不清晰。因此，需要進(jìn)一步開展穩(wěn)定性機理研究工作，以深入探究硝胺組分對丁羥推進(jìn)劑穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

3 研究展望

盡管國內(nèi)外學(xué)者已對復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒過程與穩(wěn)定性問題開展了大量研究，但研究成果缺乏系統(tǒng)性，研究機理尚不健全。為避免固體發(fā)動機工作過程中出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定問題，針對四組元復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒特點，建議從以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn)：

(1)改善調(diào)整推進(jìn)劑配方，如增加燃燒穩(wěn)定劑、改變鋁粉粒度、改變AP級配以及改變硝胺組分比例等途徑，以降低推進(jìn)劑的壓力耦合響應(yīng)函數(shù)，增大顆粒阻尼，從而削弱推進(jìn)劑燃燒過程中對燃燒室壓強振蕩的響應(yīng)程度；

(2)針對不同的發(fā)動機結(jié)構(gòu)，需要對選用的推進(jìn)劑進(jìn)行調(diào)整，以保證發(fā)動機固有頻率與推進(jìn)劑壓力耦合響應(yīng)函數(shù)最大值對應(yīng)的頻率錯位；

(3)針對丁羥四組元復(fù)合推進(jìn)劑，除了進(jìn)行固體推進(jìn)劑燃燒響應(yīng)的規(guī)律性分析外，還需要從復(fù)合推進(jìn)劑的組成特征角度對燃燒過程中組分的燃燒特性與分布特性進(jìn)行分析。研究組元之間燃燒機理的耦合關(guān)系和影響機制能夠更加全面、準(zhǔn)確地分析復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒過程。通過掌握不同壓強下微觀火焰結(jié)構(gòu)和固相顆粒尺寸，建立推進(jìn)劑表面火焰加熱模型與顆粒阻尼預(yù)估方法，可進(jìn)一步預(yù)估推進(jìn)劑火焰熱反饋對燃燒室壓強振蕩的響應(yīng)規(guī)律；

(4)為了保證研究結(jié)果的一致性，需要考慮實際飛行工況下過載與振動條件對燃燒室內(nèi)的燃燒與流動情況、推進(jìn)劑的燃燒特性所造成的影響。建立過載和振動條件下四組元復(fù)合推進(jìn)劑的燃速模型，探究凝聚相產(chǎn)物在過載工況下的集聚形態(tài)，獲得飛行工況下壓力耦合響應(yīng)函數(shù)與阻尼的變化規(guī)律，有助于建立起完整的穩(wěn)定性預(yù)估程序，從而對工程實踐有更強的指導(dǎo)性。