金属燃料对二氟氨基粘合剂热分解性能影响研究(4)
表1.4 5种金属燃料氧化物的部分理化性质
化学式 相对分子质量 密度/(g•cm-3) 熔点/℃ 沸点/℃
Li2O 29.88 2.01 1827 2327
BeO 25.01 3.01 2570 4260
B2O3 69.62 2.46 460 1860
MgO 40.30 3.58 2800 3580
Al2O3 101.96 3.97 2045 2980
铝粉密度高，耗氧量低，具有较高的燃烧焓，再加上其原材料丰富，成本低，因此作为能量添加剂被广泛使用。但是铝的熔点较低、沸点高、点燃温度也高，在火箭冲压发动机中一次燃烧时，容易熔化和结块，从而降低了一次喷射效率和二次补燃效率，有时甚至会堵塞喷管喉部，带来严重后果[10]。铝粉的粒径对于其燃烧动力学特性和点火时间具有很大的影响，因此在实际使用时应当考虑铝粉粒径的限制。铝粉在推进剂燃烧表面容易凝结成大的“集块”，从而延长了燃烧时间。比如较为常见的大凝滴尺寸，大约为20～50μｍ，需要10～100ms才能燃烧完全，若燃烧不完全则会出现喷管的两相流损失、形成羽烟状的气体排出和红外信号增加等缺陷[11]。而当金属粉达到纳米级的时候，推进剂单位体积所释放的能量可以大大增加，比冲增大，燃烧稳定性和燃速也得以提高。例如，添加质量分数为1%的纳米级铝粉，每克燃料的燃烧热就可增加1倍。纳米粒子粒径小，比表面大，而且表面原子缺少邻近配位，具有与其他原子结合的强烈趋势，再加上表面上还存在各种各样的结构缺陷，因此具有非常高的催化活性。刘磊力[12]等人用差热分析法（DTA）研究了纳米金属粉对AP热分解的影响，最终得出当纳米铝粉质量分数为5%时，AP的高温分解温度降低51.8℃，除此之外，表观分解热也明显增大。文献[13]中指出超细铝粉在推进剂燃面就发生了点火，而且在燃面附近燃烧就已完毕，因此超细铝粉对于提高燃速具有非常好的应用前景。
尽管镁与硼相比，密度、散热量等都比较差些，但它的耗氧量小，点火性能优越，而且反应生成物分子量小。如在高空中飞行，氧气浓度比较低的时候，它可以非常迅速地点火，燃烧也比较完全。在这方面，镁的性能不比硼差，但由于其密度不大，放热量不高，因此未被人们所重视。研究表明，镁蒸气能与氧分子迅速反应产生原子氧，而原子氧的反应活性极强，与之接触的燃料会迅速点火后燃烧。因此，添加镁可以提高二次燃烧效率。不过因为镁的密度和热值都比较低，通常在推进剂中不单独使用，而是和其他金属燃料一起使用，将一定数量的Al和少量的Mg加入双基推进剂以提高比冲。而将Al和少量Mg粉加入复合推进剂中后，其比冲可以达到260m•s-1，而且能够抑制发动机内的振荡燃烧，提高推进剂密度[14]。
为适应固体火箭冲压发动机的需要，含硼固体推进剂逐渐发展起来。在固体火箭推进剂领域，近期的战略方向是研制整体级发动机。而要想实现这一目标，前提是固体推进剂的燃烧产物要具有氧化性低且凝聚相产物较少的特点。而硼就很好的满足了这一点，因为其燃烧产物B2O3最初是气态的，到达喷管超音速区后才会开始凝聚成液态，因此可以明显减少两相流损失。但是硼的点火和燃烧过程相当复杂，因此其热值在实际应用中的发挥是很困难的。Macek[15]等人对晶体硼的点火和燃烧过程进行了详细研究，结果发现几个重要特点：一，点火温度容易确定；二，燃烧的硼粒子的火焰结构由3个区域组成：与颗粒直径十分相近的明亮的中心核，对称的、较宽的、明亮度较小的区域，还有宽度达1 cm的绿色外围层；三，硼的燃烧是分两阶段进行的。金属硼在放热量方面的性能是最为优越的，但是硼的价格相对较高，因此在使用时在经济上必然要谨慎考虑。
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