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为适应新一代导弹技术的发展,固体火箭冲压发动机用富燃料推进剂正向高能化方向发展。硼以其高的质量热值和体积热值被认为是固体富燃料推进剂的首选高能燃料,但硼的大量加入给含硼富燃料推进剂的工艺性能和燃烧性能带来了很大的不良影响,硼颗粒的表面处理是解决这些问题的有效途径之一。针对含硼富燃料推进剂对工艺性能和燃烧性能的要求,本研究建立了硼的提纯、包覆和团聚等方法,系统研究了不同表面处理硼颗粒的热氧化特性、能量释放特性、点火特性及含硼富燃料推进剂一次燃烧特性,进一步开展了含硼富燃料推进剂一次燃烧机理研究,在此基础上建立了含硼富燃料推进剂的一次燃烧模型,为含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的改善提供理论依据和指导。本研究主要成果如下:研制出了满足含硼富燃料推进剂使用要求的提纯硼、包覆硼和团聚硼。进一步,研究了不同类型硼颗粒的热氧化特性和燃烧过程中的能量释放特性。研究结果表明,包覆材料LiF有利于降低硼颗粒的氧化峰温,且LiF含量的增大有利于提高硼的氧化反应百分数;包覆材料AP、LiF均有利于提高硼颗粒燃烧过程中的能量释放效率,LiF的作用效果更为明显,LiF含量的增大可显著提高硼的能量释放效率;团聚硼的能量释放效率显著高于包覆硼。系统考察了氧气摩尔分数、氧气流量、环境压强、环境温度、硼的包覆及团聚对硼颗粒点火特性的影响。研究发现,增大氧气摩尔分数和环境压强有利于降低提纯硼颗粒的点火温度;包覆材料LiF有利于降低硼颗粒的点火温度;增大环境温度有利于降低提纯硼颗粒的点火延迟时间;进一步以King点火模型为基础,建立了团聚硼的理论点火模型。计算结果表明,团聚硼有利于降低硼颗粒的点火温度,且随团聚硼粒径的增大,降低幅度越大,但团聚硼延长了硼颗粒的点火延迟时间。系统研究了氧化剂粒度级配、包覆材料的种类和含量及团聚硼含量对含硼富燃料推进剂一次燃烧特性的影响,并阐明了各主要影响因素的作用机理。研究发现,细粒度AP和团聚硼对推进剂的一次燃烧特性具有显著影响,即增大细粒度AP和团聚硼的含量,均有利于提高推进剂的燃速及燃速压强指数;包覆材料AP的含量对推进剂燃烧性能的影响较为复杂,低含量有利于提高推进剂的低压燃速,但对燃速压强指数不利;高含量有利于提高推进剂的燃速压强指数,但对低压燃速不利;包覆材料LiF有利于提高推进剂的低压燃速,但过高的含量降低了推进剂的燃速压强指数。还研究了不含燃速催化剂时,不同粒度和不同种类团聚硼对推进剂燃速特性的影响。结果表明:随团聚硼颗粒粒度的增大,含硼富燃料推进剂的燃速增大,且低压下的效果更明显,推进剂的燃速压强指数呈下降的趋势;在一定的压强范围内,团聚硼颗粒的粒度小于200μm时,推进剂的燃速压强指数较高;硼颗粒经AP和LiF包覆后,有利于提高推进剂的燃速,但对提高燃速压强指数不利;推进剂的最低可燃压强与推进剂的燃速相关,提高推进剂的燃速有利于拓宽其低压可燃极限。系统研究了含硼富燃料推进剂及其主要组分的热分解特性。热分解实验研究结果表明,在150～190℃之间,存在GFP二茂铁催化剂与AP的放热反应;含硼富燃料推进剂的热分解过程包含AP的热分解、HTPB的热分解、AP氧化性分解产物与HTPB分解产物之间的反应及与硼颗粒的氧化反应;AP的热分解反应是含硼富燃料推进剂热分解反应的开始,其加速分解有利于加速整个含硼富燃料推进剂的热分解过程。提纯硼及团聚硼富燃料推进剂热分解过程中AP的分解峰温与其燃速存在相关关系,即推进剂中AP的热分解峰温越低,相应的推进剂燃速越高。研究了含硼富燃料推进剂的一次燃烧机理,获得了该类推进剂的火焰结构和燃烧波温度分布,明确了含硼富燃料推进剂的燃烧特性。火焰结构照片表明,提纯硼富燃料推进剂与团聚硼富燃料推进剂的火焰结构存在显著差异。燃烧波曲线表明,含硼富燃料推进剂的气相反应区温度变化比较复杂,在温度升高过程中存在明显的吸热降温区。依据推进剂燃烧波温度分布,分析了推进剂气相反应区的燃烧过程,并计算得到了推进剂燃面温度、气相温度梯度、最终火焰温度等燃烧波参数。进一步分析了压强、包覆材料种类和含量、团聚硼含量等因素对燃烧波参数的影响。研究发现,随压强的升高,推进剂的燃面温度不断增大,气相温度梯度也是不断增大的趋势。含硼富燃料推进剂的燃速相关性分析结果表明,气相温度梯度对提纯硼富燃料推进剂燃速的影响显著;燃面温度对团聚硼富燃料推进剂燃速的影响显著。基于对含硼富燃料推进剂燃烧特征的分析,在充分考虑硼颗粒对推进剂燃面结构、氧化剂对粘合剂和硼部分氧化、硼在气相点火和燃烧对燃面热反馈等因素影响的基础上,以PEM模型为基础建立了多分散氧化剂的含硼富燃料推进剂的一次燃烧模型。模型数值计算结果表明,该模型计算精度较高,反映了不同类型含硼富燃料推进剂的燃烧特性,可分析推进剂燃面结构、燃面温度、AP和硼颗粒粒度等因素对推进剂燃烧性能的影响规律,可用于含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的计算研究及理论分析。