环境气体氧含量对NEPE推进剂激光点火过程的影响

相恒升，陈　雄，周长省，赖华锦

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)



环境气体氧含量对NEPE推进剂激光点火过程的影响

相恒升，陈雄，周长省，赖华锦

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

摘要：为研究环境气体氧含量对硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂激光点火过程的影响，采用CO2激光辐射点火并利用高速摄影仪记录NEPE推进剂的点火过程，讨论了环境气体氧含量对NEPE推进剂初焰位置与点火延迟时间的影响。结果表明，当环境气体氧含量小于NEPE推进剂热解产物中氧化性气体含量时， NEPE推进剂点火的气相反应发生在推进剂热解产物的分散区，初焰紧靠NEPE推进剂表面，环境气体氧含量变化不影响NEPE推进剂的点火延迟时间；当环境气体氧含量大于NEPE推进剂热解产物中氧化性气体含量时， NEPE推进剂点火的气相反应发生在推进剂热解产物与环境气体的扩散区，初焰远离NEPE推进剂表面，此时由于扩散区氧含量高于NEPE推进剂热解产物分散区氧含量，NEPE推进剂的点火延迟时间减小。

关键词：物理化学；点火延迟时间；激光点火；氧含量；NEPE推进剂

引 言

NEPE推进剂综合了双基推进剂和复合推进剂的优点，是目前广泛应用的高能固体推进剂[1]，但是由于NEPE推进剂燃烧机理的独特性，需要深入研究其燃烧与点火机理[2]。

PANG Weiqiang等[3]发现含二硝酰胺铵(ADN)的NEPE推进剂燃烧时存在随机成核与核的发展现象；王瑛等[4]采用燃烧火焰单幅照相技术拍摄NEPE推进剂在稳态燃烧条件下的火焰结构，发现NEPE推进剂的火焰属于典型的扩散火焰。李疏芬等[5]研究了常压下NEPE推进剂中AP的表面积、燃速催化剂、初温、热流密度等因素与点火延迟时间的关系，结果表明AP是缩短点火延迟时间的主要因素；初温对点火延迟时间的影响程度取决于热流密度的大小，存在 “拉平效应”。王鸿美[2]与Ritchie S J等[6]分析了激光辐射功率密度对推进剂点火延迟时间的影响，发现点火延迟时间与激光辐射功率密度呈幂函数关系。影响固体推进剂点火过程的因素除点火能量、推进剂组分、点火压力外，环境气体组分对点火过程也有影响[7]。Ulas等[8]研究了不同环境组分中压力、激光辐射功率密度对推进剂点火延迟时间的影响，结果表明环境气体组分对推进剂点火延迟有影响，但并未对影响机理进行深入研究。目前关于环境气体氧含量对NEPE推进剂点火过程影响的相关研究报道较少。

减少推进剂的点火延迟时间有利于提高固体火箭的机动性。本实验采用激光点火技术研究环境气体氧含量(体积分数，下同)对NEPE推进剂点火初焰位置、点火延迟时间的影响，为通过增加固体火箭发动机点火药中氧化剂含量或增加火箭发动机内气体的氧含量来减少NEPE推进的点火延迟时间的可行性提供参考。

1实验

1.1样品制备

NEPE推进剂由西安近代化学研究所提供，其主要配方(质量分数)为： AP 28%，粒径100～120μm； RDX 26%～27%,E /H 级；1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)17.5%；醋酸丁酸纤维素(CAB)7.5%；铝粉18%～19%，粒度5～7μm；配方中无催化剂。样品尺寸为Φ4mm×5mm，样品圆柱面用硅橡胶包覆。

1.2实验装置[2]

实验装置主要由CO2激光器、燃烧室和数据采集设备组成，示意图如图1所示。CO2激光器最高输出功率为200W，激光波长10.6μm，光斑直径3.7mm。

图1　实验装置示意图Fig.1　Schematic diagram of the experimental setup

1.3实验方法

考虑光学系统中各镜片对激光的吸收，实验前用功率计测量实际照射到推进剂表面的激光功率。

燃烧室进气口并联两个高压气瓶：高压N2瓶和高压混合气瓶， 高压混合气瓶内是O2与N2的混合气体(O2体积分数为40%)，联合使用这两个气瓶按照理想气体状态方程可调节燃烧室内O2含量。实验在一个大气压及室温条件下进行。

采用对激光和火焰敏感的光电二极管对激光信号和推进剂火焰信号进行探测。燃烧室视窗外的高速摄像机以240帧/s的速度拍摄推进剂的点火过程。

推进剂的点火延迟时间tig定义为激光开始产生到推进剂火焰光强可以使光电二极管产生光电流的时间间隔。激光辐射功率密度用q表示，环境气体氧含量用Xo2表示。试验分别设置q为0.375、0.514、0.711和1.368W/mm2，调节Xo2依次为0、10%、20%、30%、40%。每次试验激光加载时间均为1.83s，每种工况重复5次。

2结果与分析

2.1NEPE推进剂激光点火火焰传播过程

激光辐射功率密度为0.375W/mm2、不同氧含量时NEPE推进剂的激光点火过程如图2所示。图中0ms时刻是指NEPE推进剂出现初焰的时刻。

图2　不同环境气体氧含量时NEPE推进剂点火过程Fig.2　Ignition process of NEPE propellant with differentoxygen contents in environment gas

由图2可见，Xo2为0和20% 时，NEPE推进剂初焰紧靠推进剂表面且初焰尺寸小、亮度低，火焰从推进剂表面开始向外传播；Xo2为40% 时，NEPE推进剂初焰远离推进剂表面，初焰亮度比Xo2为0和20%时高，在4.17～8.33ms内，NEPE推进剂火焰既向推进剂表面传播也向外传播。

上述现象应和NEPE推进剂热解产物与环境气体之间的扩散有关。在激光辐射作用下固体推进剂产生的典型流场结构包括3部分:迎着热流方向高速运动的导引冲击、作用产物沿轴向运动的流动、作用产物沿垂直于轴向的径向流动[9]。据此可建立图3所示的NEPE推进剂热解产物与环境气体的扩散模型。

图3　NEPE推进剂热解产物与环境气体的扩散模型Fig.3　Model of the diffusion process of pyrolysisproducts of NEPE propellant and environment gas

图3中A区是在激光辐射作用下NEPE推进剂热解产物的分散区，C区是环境气体，B区是推进剂的热解产物与环境气体的扩散区域。由于NEPE推进剂是可自持燃烧推进剂，其热解产物中既含有氧化性气体也有还原性气体。当环境气体氧含量低时，B区中的氧化性气体被环境气体稀释，使B区中的氧含量比A区低，初焰出现在氧含量高的A区，所以NEPE推进剂初焰出现在推进剂表面。随着NEPE推进剂不断热解，火焰从A区向上传播；当NEPE推进剂在富氧环境中点火时，B区氧含量比A区高，所以NEPE推进剂在Xo2为40%的环境中点火时较为明亮的初焰出现在远离推进剂表面的B区，火焰从B区向推进剂表面的A区与远离推进剂表面的C区传播。利用图3所示的扩散模型可以解释NEPE推进剂在氧含量低的环境中点火时初焰紧靠NEPE推进剂表面、在氧含量高的环境中点火时初焰远离NEPE推进剂表面的现象。

2.2氧含量对NEPE推进剂点火延迟时间的影响

图4为在3种激光辐射功率密度下环境气体氧含量不同时NEPE推进剂的点火延迟时间。

图4表明，在相同激光辐射功率密度下当Xo2≤35.14%时， NEPE推进剂的点火延迟时间对氧含量变化不敏感，点火延迟时间约等于前4项工况(Xo2=0、10%、20%、30%)点火延迟时间的平均值；当Xo2为40%时，NEPE推进剂的点火延迟时间明显减小。当Xo2≤35.14%时，氧含量变化对NEPE推进剂的点火延迟时间无影响，这应与该推进剂组分和点火机理有关。

图4　不同激光辐射功率密度下NEPE推进剂的点火延迟时间随氧含量的变化Fig.4　Change of ignition delay time of NEPE propellant withoxygen content under different laser radiation power densities

表1为NEPE推进剂主要组分在点火过程中发生的主要分解反应。

推进剂分解产物之间的主要反应如下：

0.4CO2+0.36H2O

(1)[10]

(2)[6,11]

(3)[11]

(4)[11]

(5)[10-11]

NEPE推进剂气相区的真实反应远比上述反应复杂，但上述过程是NEPE推进剂具有代表性的反应过程。NEPE推进剂热解产物中的氧化性气体只有AP分解产生的O2，其余产物如CH2O、C2H2、NO、CO等为还原性气体。按照上述反应过程计算得到该推进剂热解产物中氧含量为35.14%。

根据计算结果并结合图3的扩散模型可解释当Xo2≤35.14%时，环境气体氧含量变化对NEPE推进剂的点火延迟时间无影响。推进剂的点火延迟时间tig由两部分组成，即推进剂惰性加热时间(t1)和气相区化学反应时间(t2)，tig=t1+t2，同一激光辐射功率密度下t1相同。对气相反应时间t2，图3中A区的氧含量为NEPE推进剂热解产物氧含量35.14%，当Xo2≤35.14%时，因环境气体的稀释作用，B区氧含量小于35.14%，点火时推进剂初焰皆出现在氧含量高的A区，所以此时环境气体氧含量变化不影响NEPE推进剂的点火延迟时间；当Xo2=40%时，因气体扩散作用，B区氧含量在35.14%～40%，点火时NEPE推进剂初焰出现在氧含量高的B区。因B区的氧含量比A区高，所以出现在B区的初焰比出现在A区的初焰亮度高，光电二极管在短时间内便可以产生光电流，即气相反应时间t2缩短，所以点火延迟时间减小。

因受实验材料的限制，仅对1种NEPE推进剂进行了研究，对上述结论是否适合其他配方或类型的推进剂还需要进一步研究。

2.3点火延迟时间与激光辐射功率密度及氧含量的关系

假设激光垂直照射到推进剂表面,不考虑推进剂表面对激光的反射和激光照射时推进剂内部的化学反应，推进剂内部温度(T)分布满足方程：

(6)

式中：α为推进剂内部激光吸收系数；ρ为NEPE推进剂密度；C为比热容；λ为导热系数；假设ρ、C与λ为常数。

CO2激光功率密度(q)分布为高斯分布[12-13]， 假设NEPE推进剂表面达到某一固定温度(Td)便开始分解，则NEPE推进剂固相反应时间为

(7)

对于NEPE推进剂的气相反应，在激光持续照射下要考虑气相对激光的吸收作用，同时要考虑推进剂热解产物与环境气体之间的扩散和化学反应，难以给出气相反应时间(t2)的解析解表达式。参照文献[8]将点火延迟时间(tig)与激光辐射功率密度(q)采用式(8)进行拟合

tig=aqb

(8)

式(8)关于q的幂级数展开包含式(7)的q幂级数形式，因此Xo2相同时点火延迟时间与激光辐射功率密度可采用式(8)拟合。因为当Xo2≤35.14%时，同一激光辐射功率密度下不同Xo2时NEPE推进剂的点火延迟时间无差异，将同一激光辐射功率密度下氧含量分别为0、10%、20%、30%的点火延迟时间平均值作为该热流密度下的点火延迟时间。式(8)的拟合结果如表2所示。

表2　不同Xo2时NEPE推进剂的点火延迟时间与激光

拟合结果的矫正决定系数接近于1，表明拟合效果较好。公式(8)可计算激光辐射功率密度在0.375～1.368W/mm2时NEPE推进剂的点火延迟时间。将拟合结果tig(1)除以tig(2)，可得

(9)

式(9)中含有激光辐射功率密度q，说明氧含量变化对NEPE推进剂的点火延迟时间的影响与激光辐射功率密度有关。

3结论

(1)环境气体氧含量小于NEPE推进剂热解产物中的氧含量时，NEPE推进剂点火过程中的气相反应发生在热解产物分散区，初焰紧靠NEPE推进剂表面；环境气体氧含量变化不影响NEPE推进剂的点火延迟时间。

(2)环境气体氧含量大于NEPE推进剂热解产物中氧含量时，NEPE推进剂点火的气相反应发生在热解产物与环境气体的扩散区，初焰远离NEPE推进剂表面；高氧含量的环境气体可减小NEPE推进剂的点火延迟时间，但减小程度还与激光辐射功率密度有关。

参考文献:

[1]刘云飞，姚维尚，李晓萌，等．NEPE推进剂燃烧性能研究[J]．火炸药学报，2003, 26(4)：30-32．

LIU Yun-fei, YAO Wei-shang, LI Xiao-meng, et al. Study on combustion properties of NEPE propellant[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2003, 26(4): 30-32.

[2]王鸿美，陈雄，赵超，等．NEPE推进剂激光辐照下点火燃烧性能研究[J]．推进技术，2015, 36(4)：1262-1267．

WANG Hong-mei, CHEN Xiong, ZHAO Chao, et al. Study on ignition and combustion characteristics of NEPE propellant under laser irradiation[J]. Journal of Propulsion Technology, 2015,36(4): 1262-1267.

[3]PANG Wei-qiang, FAN Xue-zhong, YI Jian-hua, et al. Thermal behavior and non-isothermal decomposition reaction kinetics of NEPE propellant with ammonium dinitramide[J]. Chinese Journal of Chemistry, 2010, 28(5): 687-692.

[4]王瑛，孙志华，赵凤起，等．NEPE推进剂燃烧机理研究[J]．火炸药学报，2000, 23(4)：24-26．

WANG Ying, SUN Zhi-hua, ZHAO Feng-qi, et al. Study on combustion mechanism of NEPE propellant[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2000, 23(4): 24-26.

[5]李疏芬，牛和林，张钢锤，等．NEPE推进剂激光点火特性[J]．推进技术，2002, 23(2)：172-175．

LI Shu-fen, NIU He-lin, ZHANG Gang-chui, et al. Laser ignition of NEPE propellant [J]. Journal of Propulsion Technology, 2002, 23(2): 172-175.

[6]Ritchie S J, Thynell S T, Kuo K K. Modeling and experiments of laser-induced ignition of nitramine propellants[J]. Journal of Propulsion and Power, 1997, 13(3): 367-374.

[7]郭K，萨默菲尔德,M．固体推进剂燃烧基础[M]．朱荣贵等，译.北京：宇航出版社，1988．

[8]Ulas A, Kuo K K. Laser-induced ignition of solid propellants for gas generators[J]. Fuel, 2008, 87(6): 639-646.

[9]南宝江，吴平．固体推进剂激光烧蚀推进流场分析[J]．推进技术，2012, 33(3)：495-498．

NAN Bao-jiang, WU Ping. Analysis of laser ablation propulsion flow field of solid propellant[J]. Journal of Propulsion Technology, 2012, 33(3): 495-498.

[10] Beckstead M W, Puduppakkam K, Thakre P, et al. Modeling of combustion and ignition of solid-propellant ingredients[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2007, 33(6): 497-551.

[11] Yan Q, Song Z, Shi X, et al. Combustion mechanism of double-base propellant containing nitrogen heterocyclic nitroamines (II): the temperature distribution of the flame and its chemical structure[J]. ACTA Astronautica, 2009, 64(5/6): 602-614.

[12] Ostmark H, Roman N. Laser ignition of pyrotechnic mixtures: ignition mechanisms[J]. Journal of Applied Physics, 1993, 73(4): 1993-2003.

[13] Kakami A, Hiyamizu R, Shuzenji K, et al. Laser-assisted combustion of solid propellant at low pressures[J]. Journal of Propulsion and Power, 2008, 24(6): 1355-1360.

Effect of Oxygen Content in Environment Gas on the Laser Ignition Process of NEPE Propellant

XIANG Heng-sheng， CHEN Xiong， ZHOU Chang-sheng， LAI Hua-jin

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:To study the effect of oxygen content in environment gas on the laser ignition process of nitrate ester plasticizer polyether (NEPE) propellant, the ignition process of NEPE propellant ignited by radiation of CO2laser was recorded by high speed video camera, and the influence of oxygen content in environment gas on the first flame position and ignition delay time of NEPE propellant was discussed. The results show that the ignition gas phase reaction of NEPE propellant occurs in the dispersion region of the NEPE propellant pyrolysis product, the first flame is close to the NEPE propellant surface and the changing of oxygen content in environment gas has no effect on the ignition delay time of NEPE propellant when the oxygen content in environment gas is less than that of the oxidizing gas in the pyrolysis products of the propellant; when the oxygen content in environment gas is larger than that of the oxidizing gas, the ignition gas phase reaction of NEPE propellant occurs in the diffusion zone of the NEPE propellant pyrolysis products and the environment gas, the first flame is away from the propellant surface. At this condition, the oxygen content in the diffusion zone is higher than that of the dispersion region of the NEPE propellant pyrolysis product, the ignition delay time of NEPE propellant decreases.

Keywords:physical chemistry; ignition delay time; laser ignition; oxygen content; NEPE propellant

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.0015

收稿日期:2016-01-29；修回日期:2016-05-10

基金项目:总装瓶颈项目(No.20101019)

作者简介:相恒升(1989-)，男，硕士，从事固体推进剂激光点火特性研究。E-mail:xhswork@163.com

中图分类号：TJ55;V512

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)03-0075-05