• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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基于光学诊断的某新型含铝推进剂燃烧特性分析

杨云杰 邢时越 张少华 余西龙 王泽众 王海燕

杨云杰, 邢时越, 张少华, 余西龙, 王泽众, 王海燕. 基于光学诊断的某新型含铝推进剂燃烧特性分析[J]. 爆炸与冲击, 2023, 43(4): 042301. doi: 10.11883/bzycj-2022-0316
引用本文: 杨云杰, 邢时越, 张少华, 余西龙, 王泽众, 王海燕. 基于光学诊断的某新型含铝推进剂燃烧特性分析[J]. 爆炸与冲击, 2023, 43(4): 042301. doi: 10.11883/bzycj-2022-0316
GAO Weitao, PENG Kefeng, ZHANG Yongliang, ZHENG Hang, ZHAO Kai, ZHENG Zhijun. On ballistic performance of a metal target with crescent-shaped cavity structure[J]. Explosion And Shock Waves, 2021, 41(5): 053303. doi: 10.11883/bzycj-2020-0473
Citation: YANG Yunjie, XING Shiyue, ZHANG Shaohua, YU Xilong, WANG Zezhong, WANG Haiyan. Investigation of combustion characteristics of a new aluminum-containing propellant based on optical diagnosis[J]. Explosion And Shock Waves, 2023, 43(4): 042301. doi: 10.11883/bzycj-2022-0316

基于光学诊断的某新型含铝推进剂燃烧特性分析

doi: 10.11883/bzycj-2022-0316
基金项目: 国家自然科学基金(11672359)
详细信息
    作者简介:

    杨云杰(1997- ),男,硕士研究生,yyjmail88@163.com

    通讯作者:

    张少华(1982- ),女,博士,副研究员,shzh@imech.ac.cn

  • 中图分类号: O383;TJ55

Investigation of combustion characteristics of a new aluminum-containing propellant based on optical diagnosis

  • 摘要: 为探究某新型含铝固体推进剂燃烧特性和规律,在模拟固体发动机的高压条件下,采用可调功率激光器结合高速摄影、发射光谱等光学诊断技术对该新型含铝固体推进剂开展了系统的点火及燃烧过程研究。通过对该推进剂的点火延迟、退移速率、燃烧温度以及团聚物颗粒尺寸的定量测量和分析,明确了该推进剂的点火延迟量级;证实此推进剂的退移速率严格遵循Summerfield燃速公式;判断出其最高燃烧温度高于3 300 K,且随压力增大而升高;通过对燃烧过程中发光凝聚相产物面积的量化分析得出推进剂产物中团聚物粒径尺寸受环境参数的影响规律。
  • 图  1  固体推进剂激光点火燃烧特性光学研究实验系统

    Figure  1.  Optical experimental system for laser ignition combustion characteristics of solid propellant

    图  2  新型含铝高能推进剂的激光点火及燃烧过程

    Figure  2.  Laser ignition and combustion process of a new aluminum-containing high-energy propellant

    图  3  含铝固体推进剂点火燃烧模型

    Figure  3.  Ignition combustion model of aluminum-containing solid propellant

    图  4  新型含铝高能推进剂燃烧发射光谱

    Figure  4.  Combustion emission spectra of the new aluminum-containing high energy propellant

    图  5  不同压力条件下点火延迟的变化规律

    Figure  5.  Variation of ignition delay time with pressure

    图  6  Δtp的变化规律

    Figure  6.  Variation law of Δt with p

    图  7  不同压力下退移速率的变化规律

    Figure  7.  Variation of regression rate under different pressures

    图  8  不同压力下AlO光谱强度曲线

    Figure  8.  Spectral intensity curves of AlO under different pressures

    图  9  不同压力条件下燃烧温度

    Figure  9.  Combustion temperature diagram under different pressure conditions

    图  10  不同压力条件下凝聚相颗粒平均面积

    Figure  10.  Average area of condensed phase particles under different pressure conditions

    表  1  激光点火的实验参数

    Table  1.   Experimental parameters of laser ignition

    序号点火功率/W点火时间/ms环境压力/MPa
    12002000.1,1,2,3,4,5
    24002000.1,1,2,3,4,5
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    表  2  不同点火延迟时间t(ms)随压力p(MPa)变化规律公式

    Table  2.   Formula of variation of ignition delay time t(ms) with pressure p(MPa)

    点火功率/W拟合公式R2
    200t = 0.16 p−0.0600.97
    400t = 0.13 p−0.0180.96
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    表  3  燃速公式的参数

    Table  3.   Parameters of burning rate formula

    激光功率/WasbsR2
    200 0.004580.424680.99371
    400−0.013640.375910.99777
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  • [1] 《固体火箭技术》编辑部. 2021年固体推进动力领域发展综述 [J]. 固体火箭技术, 2022, 45(2): 167–180. DOI: 10.7673/j.issn.1006-2793.2022.02.001.

    Editorial Department of JSRT. Development review of solid propulsion technology in 2021 [J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2022, 45(2): 167–180. DOI: 10.7673/j.issn.1006-2793.2022.02.001.
    [2] 田维平, 王立武, 王伟. 固体火箭发动机技术发展和面临的关键技术问题 [J]. 固体火箭技术, 2021, 44(1): 4–8. DOI: 10.7673/j.issn.1006-2793.2021.01.002.

    TIAN W P, WANG L W, WANG W. Technological development and key technical problems in solid rocket motors [J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2021, 44(1): 4–8. DOI: 10.7673/j.issn.1006-2793.2021.01.002.
    [3] 刘继宁, 李苗苗, 陶锴, 等. 固体推进剂铝基燃料高效燃烧的研究进展 [J]. 上海航天, 2019, 36(S1): 1–6. DOI: 10.19328/j.cnki.1006-1630.2019.S1.001.

    LIU J N, LI M M, TAO K, et al. Research progress on high combustion performance of aluminum based fuel in solid propellant [J]. Aerospace Shanghai, 2019, 36(S1): 1–6. DOI: 10.19328/j.cnki.1006-1630.2019.S1.001.
    [4] GILL R J, BADIOLA C, DREIZIN E L. Combustion times and emission profiles of micron-sized aluminum particles burning in different environments [J]. Combustion and Flame, 2010, 157(11): 2015–2023. DOI: 10.1016/j.combustflame.2010.02.023.
    [5] MOHAN S, FURET L, DREIZIN E L. Aluminum particle ignition in different oxidizing environments [J]. Combustion and Flame, 2010, 157(7): 1356–1363. DOI: 10.1016/j.combustflame.2009.11.010.
    [6] BADIOLA C, GILL R J, DREIZIN E L. Combustion characteristics of micron-sized aluminum particles in oxygenated environments [J]. Combustion and Flame, 2011, 158(10): 2064–2070. DOI: 10.1016/j.combustflame.2011.03.007.
    [7] TAO H. Shock wave ignition of aluminum particles [J]. Journal De Physique Ⅳ, 2002, 12(7): 105–112. DOI: 10.1051/jp4:20020272.
    [8] 胡栋, 叶松, 吴旌贺, 等. 铝粉点火微观机理的光谱研究 [J]. 高压物理学报, 2006, 20(3): 237–242. DOI: 10.11858/gywlxb.2006.03.003.

    HU D, YE S, WU J H, et al. The spectro-studies on micro-mechanism of shock ignition for aluminium [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2006, 20(3): 237–242. DOI: 10.11858/gywlxb.2006.03.003.
    [9] ROBERTS T A, BURTON R L, KRIER H. Ignition and combustion of aluminummagnesium alloy particles in O2 at high pressures [J]. Combustion and Flame, 1993, 92(1/2): 125–143. DOI: 10.1016/0010-2180(93)90203-F.
    [10] FOELSCHE R O, BURTON R L, KRIER H. Ignition and combustion of aluminum particles in H2/O2/N2 combustion products [J]. Journal of Propulsion and Power, 1998, 14(6): 1001–1008. DOI: 10.2514/2.5365.
    [11] BELYAEV A F, FROLOV Y V, KOROTKOV A I. Combustion and ignition of particles of finely dispersed aluminum [J]. Combustion, Explosion and Shock Waves, 1971, 4(3): 182–185. DOI: 10.1007/BF00750857.
    [12] FRIEDMAN R, MAČEK A. Combustion studies of single aluminum particles [J]. Symposium (International) on Combustion, 1963, 9(1): 703–712. DOI: 10.1016/S0082-0784(63)80078-8.
    [13] TAKAHASHI K, OIDE S, KUWAHARA T. Agglomeration characteristics of aluminum particles in AP/AN composite propellants [J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2013, 38(4): 555–562. DOI: 10.1002/prep.201200187.
    [14] ANAND K V, ROY A, MULLA I, et al. Experimental data and model predictions of aluminium agglomeration in ammonium perchlorate-based composite propellants including plateau-burning formulations [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2013, 34(2): 2139–2146. DOI: 10.1016/j.proci.2012.07.024.
    [15] 刘佩进, 白俊华, 杨向明, 等. 固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的收集与分析 [J]. 固体火箭技术, 2008, 31(5): 461–463, 479. DOI: 10.3969/j.issn.1006-2793.2008.05.009.

    LIU P J, BAI J H, YANG X M, et al. Collection and analysis on the condensed-phase particles in the chamber of SRM [J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2008, 31(5): 461–463, 479. DOI: 10.3969/j.issn.1006-2793.2008.05.009.
    [16] 曹向宇. 固体推进剂中铝颗粒温度测量方法及燃烧特性试验研究 [D]. 长沙: 国防科技大学, 2018: 51–52. DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2018.001156.

    CAO X Y. Experimental study on temperature measurement and combustion characteristics of aluminum particles in solid propellant [D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2018: 51–52. DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2018.001156.
    [17] 郝海霞, 裴庆, 赵凤起, 等. 固体推进剂激光点火性能研究综述 [J]. 含能材料, 2009, 17(4): 491–498. DOI: 10.3969/j.issn.1006-9941.2009.04.028.

    HAO H X, PEI Q, ZHAO F Q, et al. Summarization of laser ignition characteristics of solid propellants [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2009, 17(4): 491–498. DOI: 10.3969/j.issn.1006-9941.2009.04.028.
    [18] 敖文, 刘佩进, 吕翔, 等. 固体推进剂燃烧过程铝团聚研究进展 [J]. 宇航学报, 2016, 37(4): 371–380. DOI: 10.3873/j.issn.1000-1328.2016.04.001.

    AO W, LIU P J, LV X, et al. Review of aluminum agglomeration during the combustion of solid propellants [J]. Journal of Astronautics, 2016, 37(4): 371–380. DOI: 10.3873/j.issn.1000-1328.2016.04.001.
    [19] BECKSTEAD M W, LIANG Y, PUDDUPPAKKAM K V. Numerical simulation of single aluminum particle combustion: Review [J]. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2005, 41(6): 622–638. DOI: 10.1007/s10573-005-0077-0.
    [20] BUCHER P, YETTER R A, DRYER F L, et al. PLIF species and ratiometric temperature measurements of aluminum particle combustion in O2, CO2 and N2O oxidizers, and comparison with model calculations [J]. Symposium (International) on Combustion, 1998, 27(2): 2421–2429. DOI: 10.1016/S0082-0784(98)80094-5.
    [21] 张炜, 朱慧. 铝镁贫氧推进剂低压燃烧性能表征方法研究 [J]. 含能材料, 2002, 10(3): 125–127. DOI: 10.3969/j.issn.1006-9941.2002.03.009.

    ZHANG W, ZHU H. Characterization methods of combustion properties of aluminum-magnesium fuel-rich propellant at low pressure [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2002, 10(3): 125–127. DOI: 10.3969/j.issn.1006-9941.2002.03.009.
    [22] 张林, 张志杰, 李岩峰. 双波段比色测温技术的应用 [J]. 现代电子技术, 2019, 42(8): 1–5. DOI: 10.16652/j.issn.1004-373x.2019.08.001.

    ZHANG L, ZHANG Z J, LI Y F. Application of dual-waveband colorimetric temperature measurement technology [J]. Modern Electronics Technique, 2019, 42(8): 1–5. DOI: 10.16652/j.issn.1004-373x.2019.08.001.
    [23] 闫白, 郝晓剑, 周汉昌. 基于比色法的纯镁及镁合金燃点测试系统 [J]. 激光与光电子学进展, 2013, 50(11): 112301. DOI: 10.3788/LOP50.112301.

    YAN B, HAO X J, ZHOU H C. Ignition test system of pure magnesium and magnesium alloys based on colorimetric method [J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2013, 50(11): 112301. DOI: 10.3788/LOP50.112301.
  • 期刊类型引用(13)

    1. 蔡静静,徐轩,陈占扬,杨军. 孔内空气间隔对有/无金属罩聚能装药定向侵彻效果的影响. 含能材料. 2024(07): 726-736 . 百度学术
    2. 何志杰,王猛,赵康,胡坤伦. 起爆环半径对三层串联药型罩成型影响数值模拟. 火工品. 2021(05): 24-27 . 百度学术
    3. 李瑞,李伟兵,王晓鸣,李文彬. 三点起爆控制参数对尾翼爆炸成型弹丸成型的影响. 爆炸与冲击. 2018(03): 501-508 . 本站查看
    4. 王俊晓,向红军,吕庆敖,张华祥. 电磁轨道炮超高速弹丸软回收技术需求及研究现状分析. 飞航导弹. 2018(11): 6-10 . 百度学术
    5. 沈慧铭,李伟兵,王晓鸣,李文彬,郑宇,董晓亮. 多点起爆方式对EFP侵彻能力增益的研究. 弹道学报. 2017(03): 49-55 . 百度学术
    6. 张孝中,赵太勇,陈智刚,郭光全,李建飞. 尾翼型EFP形成的数值模拟研究. 弹箭与制导学报. 2017(04): 47-50 . 百度学术
    7. 龙源,刘健峰,纪冲,钟明寿,刘影,周辉. 多点起爆对双层药型罩爆炸成型弹丸成型及侵彻特性的数值模拟研究. 兵工学报. 2016(12): 2226-2234 . 百度学术
    8. 刘健峰,龙源,纪冲,许道峰,钟明寿,赵华兵. 起爆环半径对双层药型罩爆炸成形弹丸成形和侵彻特性的影响. 兵工学报. 2016(S2): 203-209 . 百度学术
    9. 张健,程春,相升海,李然,赵爽,韩继龙. 基于量纲分析法的EFP速度计算模型. 弹箭与制导学报. 2016(03): 31-34 . 百度学术
    10. 李瑞,李伟兵,王晓鸣,李文彬. 三点起爆同步误差对尾翼EFP成型性能的影响. 含能材料. 2016(11): 1041-1047 . 百度学术
    11. 刘伟,李素丽. TC4钛合金微型液滴成形热应力分析. 兵器材料科学与工程. 2014(04): 67-70 . 百度学术
    12. 郭帅,李小军,于小洁,陈智刚,裴思行,付建平. 双层药型罩内罩开槽对EFP形成尾翼的影响. 爆破器材. 2014(06): 11-15 . 百度学术
    13. 刘建青,顾文彬,徐浩铭,陆鸣,武双章. 多点起爆装药结构参数对尾翼EFP成型的影响. 含能材料. 2014(05): 594-599 . 百度学术

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-21
  • 修回日期:  2023-02-07
  • 网络出版日期:  2023-02-23
  • 刊出日期:  2023-04-05

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