基于含硼推进剂的微推进器燃烧特性及推进性能

基于含硼推进剂的微推进器燃烧特性及推进性能李和平;席剑飞;罗淋旺;赵文敬;梁导伦;刘建忠【摘要】In order to study the ignition and combustion characteristics,and propulsion properties of microthrusters using boronbased propellants,the laser ignition test bench was set up.Three different boron-containing propellants (the formulation B/AP,the formula B/KNO3 and the formulation B/AP/HTPB) were modulated,and they were carried on combustion tests in different internal micro-combustion chambers (2～ 6 mm).The experimental results show that with quick burning rate and large thrust,the B/KNO3 has the average thrust of 28.56 mN in the combustion chamber with 2.76 mm inner diameter;with long effect time and large impulse,the formulation B/AP has the maximum impulse of 0.042 28 N · s in the combustion chamber with 4.92 mm inner diameter.The combustion of formulation B/AP/HTPB is more stable,and the addition of adhesive can improve combustion performance,but also reduce the thrust performance.And thrust,specific thrust,impulse,specific impulse and other propulsion performances increase first and then decrease with the increase diameter of combustion chamber.%为研究使用含硼推进剂的微推进器点火燃烧特性及推进性能,搭建了激光点火测试实验台,配制了B/AP、B/KNO3及B/AP/HTPB三种含硼推进剂配方,分别在2～6 mm不同内径微燃烧室中进行了燃烧测试实验.实验结果表明,配方B/KNO3的燃速快,推力大,在内径为2.76 mm燃烧室中的平均推力达到0.028 56 N;配方B/AP的推力作用时间长,冲量大,在内径为4.92 mm燃烧室中的最大冲量为0.042 28 N·s;配方B/AP/HTPB燃烧较稳定,粘合剂的添加可改善燃烧特性,但会降低推进性能,且推力、比推力、冲量、比冲量等推进性能均随燃烧室内径的增大呈先增大、后减小的趋势.【期刊名称】《固体火箭技术》【年(卷),期】2017(040)006【总页数】7页(P671-677)【关键词】微推进器;含硼推进剂;燃烧特性;推进性能【作者】李和平;席剑飞;罗淋旺;赵文敬;梁导伦;刘建忠【作者单位】浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州 310027;杭州电子科技大学能源研究所,杭州 310018;南京师范大学能源与机械工程学院,南京 210042;杭州电子科技大学能源研究所,杭州 310018;杭州电子科技大学能源研究所,杭州310018;浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州 310027;浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】V4350 引言随着航天领域的卫星朝着体积更小、质量更轻的微卫星方向发展，结构简单、小体积、轻质量、易于集成的微推进器迎来良好的发展机遇。

微卫星在运行过程中需要很小很精确的推力来完成轨道位置的保持或者更变，而传统的推进器因质量和体积较大，无法满足微卫星的要求，这就使得推进器必须朝着微型化方向发展。

基于MEMS技术，可将化学推进器做的更小更轻，以便安装在微卫星上，在航天领域具有广泛的发展前景[1]。

相比于传统推进器，微推进器的比表面积大，热损失大；燃烧室尺寸小，使燃料的停留时间减小；表面力、粘性力、摩擦力等微通道效应也显著增加，这使得燃料的燃烧效率低于传统燃烧室[2-3]。

选用高热值的燃料是提升微推进器性能的关键[4]。

固体燃料与气体、液体燃料相比，不需要泵、阀等复杂的系统，且不存在泄露等问题，结构较紧凑，利于整个系统的整合，特别适用于微推进器[5-8]。

相比于传统的镁、铝、合金等金属燃料，硼的比体积和比质量的热值较高[9-10]，且硼燃料在燃烧过程中产物较为洁净，受到国内外学者的广泛关注。

但硼点火燃烧性能差，因其表面覆盖的B2O3氧化膜需要很高的温度才能蒸发，阻碍了外界氧化剂与硼颗粒的接触和反应，导致硼的点火延迟时间长、燃烧效率低等问题[11-12]。

国内有不少学者对硼的点火燃烧特性进行了研究[13-15]，但对含硼推进剂的推力测试还缺乏较全面的研究[6]。

本文在自行搭建的激光点火测试实验台上，进行不同含硼推进剂(B/AP、B/KNO3、B/AP/HTPB)在不同内径(2～6 mm)微燃烧室中的燃烧实验，研究对比各工况下微推进器的点火燃烧特性和推进性能，以期为现有微推进器的能量和性能提升提供可供选择的推进剂配方。

1 实验1.1 实验设备激光点火测试实验台主要由点火模块、燃烧诊断模块、推力测试模块和燃烧器模块构成，如图1所示。

点火模块主要控制点火的功率和时间，由功率为50～150 W的CO2激光发生器构成。

试验时，点火功率设置为150 W，激光通过反射镜射入微燃烧室，当管口的燃料被点燃后，关闭激光器。

燃烧诊断模块主要由高速摄影仪、高速测温仪、光纤光谱仪构成，记录样品在微燃烧室中的火焰形貌、火焰温度、产物光谱的变化。

其中，高速摄影仪的频率为200 Hz，最大拍摄张数为1500张，图片分辨率为2320×863。

高速测温仪的温度测量范围为350～3000 ℃，频率设置为1000 Hz。

将测温仪探头焦点对微燃烧室管口处，测量燃烧过程中管口火焰的温度。

光纤光谱仪的可测量波长范围为200～1100 μm，频率为125 Hz。

光谱仪具有外部触发功能，可实现与激光器同步，通过观测光谱产生的时刻，得到点火延迟时间。

如图2所示，光谱开始有变化的时刻，即为样品被点燃时刻(前一张输出为杂波，后一张输出有变化)。

样品c6的相关参数见表1。

光谱强度表示燃烧的剧烈程度。

图1 激光点火测试实验台Fig.1 Laser ignition test bench图2 样品c6点着前和点着后的光谱强度对比Fig.2 Contrast spectral intensityof the sample c6 before and after ignition表1 不同含硼推进剂配方及样品编号Table 1 Different boron-based propellant formulations and sample number配方推进剂组分组分质量比在不同内径微推进器中的样品编号2．00mm2．76mm4．02mm4．92mm5．90mm配方aB/AP4/6a2a3a4a5a6配方bB/KNO34/6b2b3b4b5b6配方cB/AP/HTPB3．6/5．4/1c2c3c4c5c6推力测试模块主要由压力传感器、MPS-010602采集卡、多功能信号记录仪软件、外接电源等构成，可实时记录微推进器产生的推力。

其中，压力传感器用于检测微推进器产生的推力，量程为0～30 g，频率设置为500 Hz。

采集卡将压力传感器产生的电信号传输到计算机，再通过多功能信号记录仪软件转换为模拟信号。

外接电源为推力测试模块提供电源，外接电源电压为-12～12 V。

燃烧器模块由装填了含硼推进剂的微燃烧室构成，微燃烧室采用耐高温的石英玻璃制成便于观察。

试验时将装有配方的燃烧器固定在压力传感器上，激光点燃配方从而产生推力。

1.2 实验配方燃料：无定形硼[13](B)，粒径5 μm，纯度95%，为棕色粉末。

氧化剂：高氯酸铵(AP)，纯度99%，白色晶体；硝酸钾(KNO3)，纯度99%，白色粉末。

粘合剂：端羟基聚丁二烯(HTPB)，透明粘性液体，具有较好的固化、耐储存、耐老化性能[17]。

含硼推进剂配方[18-21]、样品的编号如表1所示。

其中，装药长度为30 mm，配方a和配方b的平均密度分别为935、949 kg/m3，且不同管径之间的密度差别不大，可认为密度是相同的，对实验结果的影响不大[22]。

配方c由于添加了粘合剂，平均密度高于其他配方，为1195 kg/m3，但不同管径之间的密度差别不大，可认为不同管径微燃烧室内的药柱密度是一致的。

1.3 数据处理方法1.3.1 燃速计算燃速是评价推进剂性能的重要指标，反映了燃烧的速度。

定义为燃面随时间的移动速度，等于药柱长度/燃烧时间。

由于高速摄影仪的拍摄时间有限，如果燃烧时间大于高速摄影仪拍摄的上限时间，则需要改进燃速计算方法。

通过GetData图像处理软件，得到时刻t1～t2燃面移动的图示距离和药柱的图示长度分别是(c-a)和(f-d)，如图3所示。

(a)t1时刻样品a5燃面的位置(b)t2时刻样品a5燃面的位置图3 GetData软件处理后的燃烧过程高速图像Fig.3 High-speed image of the burning process by the GetData software药柱实际长度用L表示，则燃速公式为V={[(c-a)/(f-d)]L}/(t2-t1)(1)1.3.2 推力数据处理1.3.2.1 压力传感器标定压力传感器输出数值和推力之间的关系需要通过标定得到。

将已知重量的标定物置于传感器上，记录下输出值的平均值，重复标定5次，用Excel软件进行线性拟合，得到如图4的曲线图，线性度较好，其关系式为y=0.114x+0.020 8(2)式中 y为标定物的重量；x为压力传感器的输出值。

图4 标定物质量与压力传感器输出值的关系Fig.4 Relationship between the mass of the calibrated object and the output value of the pressure sensor1.3.2.2 推力和比推力图5所示为各样品燃烧过程中压力传感器的输出数值，发现压力传感器在燃烧开始前和燃烧结束后都有一段稳定的输出值，且燃烧后的输出值小于燃烧前的输出值。