目前对硼的处理方法有:(1)加入添加剂加某些化合物( 如LiF) , 与B2O3反应后同样使B2O3 迅速离开硼表面。用碳化硼( B4C) 取代硼, 碳化硼的燃烧性能与硼稍差或相似, 但碳化硼本身成本高。加耐熔材料( 如陶瓷粉末) , 以免硼进一步结块,但这种方法将使推进剂能量降低。68581
在含硼推进剂中添加点火性能较好的金属, 如Mg、Ti、Zr 和镁铝合金等, 通过易燃金属的燃烧, 提高硼颗粒周围温度, 减小硼颗粒的点火延迟期。
Tsujikado 等人[4,5]研究发现, 在硼中搀混20% 以下的镁或镁铝合金, 在高氯酸铵中掺少量钾盐, 可以显著降低留在燃气发生器中的固体残渣, 并可确保其在冲压燃烧室内的二次燃烧。
在3-7MPa 条件下, 含40%B和40%氧化剂贫氧推进剂基础配方为: 含10%镁铝合金的硼为40%, 含33%KP 和67%AP的混合氧化剂为40% , HTPB为20%。添加氧化铁可提高推进剂燃速, 添加LiF可降低燃速, 其配方见表1.1, 燃速规律见图1.1 和图1.2。
表1.1 实验用贫氧推进剂组成
Table 1 Experimental formulations of some fuel-rich propellants %
注: 1) 直径为1Lm 的硼是非晶体型, 15um 是晶体型;
2) 仅用非晶体型硼, 需要较高含量的粘合剂以达到需要的机械性能。
图1.1 高燃速贫氧推进剂燃速特性
Fig. 1 Burning rate of high burning rate
Boron-based fuel rich propellants
图1.2 低燃速推进剂的燃速特性
Fig. 2 Burning rate of low burning rate
boron-based fuel rich pro pellants
在燃气发生器中,高硼含量贫氧推进剂(约50%)出现约100〜300毫秒为特征时间的周期燃烧现象。这个周期包括三个主要阶段:
(1)贫氧推进剂的表面下发生凝结,进行慢速,不发光或发光的爆燃;
(2)成层的凝结物和成块的扇状物进入气相;
(3)凝结的金属颗粒燃烧和未燃尽的高速颗粒流。但是,在一个燃气发生器迅速燃烧一般不易发生。
桑原卓雄等研究了硼含量和粒度对贫氧推进剂燃烧性能的能量特性的影响。能量性理论计算配方为30% HTPB,硼含量20%至40%,AP的变化范围50%至30%。能量计算结果表明:随着空燃比E的增加,含硼推进剂的比冲具有提高,且随硼含量升高的而增加;当硼的体积分数增加,推进剂燃烧产物的硼含量增加。当硼小于10%的体积分数时, 硼在燃气发生器中反应结束。含硼推进剂的燃速的实验表明,降低硼的粒径,有利于提高推进剂的燃速,但燃速压力指数增加。直联式固体火箭冲压发动机冲压实验结果为:粒径较小的硼粒子的推进剂燃烧效率较高;粒径增大,燃烧效率降低; 在冲压燃烧室轴线方向安排多组进气道时推进剂的燃烧效率明显高于只有一组进气道的设置。论文网
久保田等研究了硼含量在AP/ CTPB推进剂丰富燃烧特性的影响。使用含30%CTPB,70%的AP和硼粉推进剂的药物试验结果燃烧速度(在图3中所示,其中含有30%硼)可以看出,随着硼粉的粒径减小,贫氧推进剂的燃烧速度增加,燃速压力指数增加;2.7um粒径硼粉的压力指数为0.61,而硼粉粒径9um时,燃速压强指数降低到0.17。这些数据表明,AP/CTPB/B推进剂粉末粒径和硼的含量的燃烧速率是非常敏感的。
图1.3 含硼贫氧推进剂的燃速特性
Fig. 1.3 Burning rate o f boron-based fuel richpropellant with different partical size
(2) 硼颗粒表面包覆
用高能氧化剂或粘合剂(如GAP)包覆硼粒子。即利用一种含能粘合剂分解时放出大量的热,以加热氧化硼和硼颗粒,并缩短点火延迟时间。