Al基粉末燃料改性方法及点火燃烧特性

邓　哲，胡春波，刘林林，朱小飞，魏祥庚

(西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安　710072)



Al基粉末燃料改性方法及点火燃烧特性

邓哲，胡春波，刘林林，朱小飞，魏祥庚

(西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安710072)

铝粉热值高且密度大，是粉末火箭发动机及冲压发动机的理想燃料。使用CO2激光点火结合燃烧光谱诊断方法，分析了不同粒度铝粉在不同压强下的点火燃烧特性，并研究了镁铝合金和使用HTPB将1 μm铝粉团聚为大颗粒2种改性方法对铝粉燃烧特性的影响。结果表明，铝粉粒度减小和压强提高都能够提高点火燃烧性能；虽然铝镁合金和团聚铝粉在常压下的点火延迟大于1 μm铝粉，但其成功点火后向均相反应的转换速度与燃烧强度都远大于1 μm铝粉，且其自然松装密度也分别比1 μm铝粉增大46%和47%。

粉末燃料；改性方法；激光点火；发射光谱

0　引言

金属粉末燃料具有很高的质量热值和体积热值，是固体推进剂的常用高能燃料。随着推进技术的不断发展，以纯金属粉末作为燃料的火箭发动机[1-2]、冲压及水冲压[3-4]发动机相继问世，金属燃料能量密度高，储存时间长，维护成本低，并可实现脉冲启动及推力调节[1，5]，几乎同时具备固体推进剂和液体推进剂的优势。对金属粉末燃料火箭发动机研究，由于应用背景的不同，有几个分支。在深空探测[1]动力系统方面，主要选取Mg粉作为燃料，这是因为Mg与CO2燃烧性能最好。而在常规航天推进动力系统研制上，则采用Al粉末作为燃料[2，6]。在粉末冲压发动机领域，国外主要研究Al颗粒的燃烧性能[7]，而国内偏重于Mg颗粒的研究[8]，在粉末水冲压燃料的研究方面也展现出了相同的趋势[3，9]。由于大部分金属燃料都具备高能量密度，故燃料的选取原则主要是考虑到燃烧性能。硼虽然具有很高的能量性能，但硼在固体冲压发动机这种预加热燃烧模式中的燃烧效果尚不理想，且粉末燃料发动机以冷态喷注再点火燃烧的模式为主，故硼在目前研究现状下并不是理想的粉末燃料。Al粉比Mg粉具有更高的密度及能量，但其缺点在于熔点和沸点均高于Mg，且高温下易聚团，使其燃烧性能不如Mg理想。若能对Al粉末燃料进行改性，弥补燃烧性能方面存在的劣势，Al粉将成为理想的粉末发动机燃料。

虽然小粒径颗粒的点火延迟小，燃烧速度快，能大大提高燃烧性能，但小粒径颗粒微观斥力大，其装填效率没有大粒径颗粒高，进而降低了粉末发动机的能量密度。如何在大粒径粉末装填的情况下，仍得到较好的点火燃烧特性，是粉末发动机需要解决的关键技术。固体推进剂性能改进的工艺及方法十分成熟，如在添加铝颗粒的情况下，添加一定的镁颗粒或镁铝合金，以改善药柱的燃烧特性，含硼富燃推进剂常将小颗粒硼粉团聚为大颗粒硼粉，进而改善硼粉的工艺性能。

纯金属粉末燃料在火箭发动机中的改性方法及燃烧特性研究尚存在不足，故本文参考借鉴固体推进剂相关改性工艺方法，使用激光点火器作为加热源，用光谱仪和高速摄影仪采集图像，研究铝粉粒度及压强对其燃烧性能的影响，并探索镁铝合金、铝粉团聚等方式对粉末燃料燃烧性能的改进效果，以评估各种方案对粉末燃料性能的影响，为粉末燃料实际应用提供参考。

1　实验

1.1供粉装置

实验装置实物如图1所示，由燃烧器、点火模块、采集模块、触发模块、气压控制模块等部分组成，燃烧器开设2扇石英玻璃窗同时进行光谱和图像采集。

图1　实验装置示意图

点火模块采用功率为150 W的CO2激光点火器加热颗粒样品，采集模块使用光谱仪(Avaspec-2048)采集其燃烧过程中的发射光谱，光谱仪最小采集时间间隔为1.05 ms，并使用摄像机拍摄火焰形状。触发模块使用NI公司的6008板卡结合Labview软件编程，实现激光点火器和光谱仪的同时触发，进而实现点火延迟的测量功能。气体控制模块使用空气作为氧化剂，并使用压强传感器对燃烧器内压强进行控制。

1.2数据分析方法

1.2.1点火延迟

铝颗粒的燃烧主要分为点火阶段和燃烧阶段。点火阶段起始于外部热源开始加热到出现特征光谱为止，在铝液滴燃烧过程中其主要的发射光谱为486、568 nm。国外研究认为，在铝颗粒点火过程中，存在穿透Al2O3氧化物薄膜的扩散氧与Al固体表面之间的异相反应，同时也可能存在Al蒸气与氧之间的均相反应，异相反应与均相反应均会发出568 nm特征光谱，故定义点火延迟为开始加热至出现568 nm光谱的时间。

1.2.2特征光谱比

点火延迟的长短在一定程度上表征了反应难度与速度，然而不同的点火状态下，铝颗粒开始反应的机制是不同的。均相反应的速率由扩散控制，异相反应速率由动力学控制。故研究点火阶段颗粒的反应机制，对于颗粒总的燃烧时间及燃烧机理的判断很有必要，铝和氧的反应[10]可用以下9步反应机制表示：

(1)表面反应：

Al+AlO(g)→Al2O(g)

(2)气相反应：

Al(g)+O2→AlO+O

AlO+O2→AlO2+O

O+O→O2

(3)离解反应：

(4)冷凝反应：

Al2O+O2→Al2O3(1)

AlO的生成有气相反应和离解反应2种情况，而离解反应产生的AlO光谱是液态Al2O3发出，液态Al2O3温度已不低于2 300K。国内外普遍认为，Al颗粒在2 100K以上已进入扩散控制的液滴燃烧阶段，故Al2O3(1)离解反应的AlO光谱强度与Al燃烧生成的AlO光谱强度相比可忽略，定义特征光谱强度比[11]RAlO=I486/I586，以此表征点火阶段均相反应的强度。

1.3实验工况

国外粉末火箭发动机研究中，通过改变粒度级配的方法，实现装填率最大化。在燃烧性能方面，小粒度颗粒拥有更大的比表面积，比大颗粒传热速度更快，拥有更好的点火燃烧性能。然而，颗粒之间微观斥力的作用使得小粒径颗粒在堆积密度方面并没有优势。实验工况如表1所示，统一称取40mg试样，置于φ4.8mm×3.4mm圆柱形氧化铝坩埚中，激光光斑的能量密度统一设置为480～510W/cm2。

表1　实验工况

先研究铝粉颗粒在15 μm和1 μm 2种粒径及1 μm铝粉在高压强情况下点火燃烧情况，然后研究铝镁合金(Al50%Mg50%)、1 μm铝粉团聚为100 μm铝粉(Al90%HTPB10%)2种改性方法对其点火燃烧特性的提升作用，铝镁合金(Al50%Mg50%)和团聚铝粉(Al90%HTPB10%)的理论热值分别为27.92 kJ/kg和32.16 kJ/kg，是纯铝粉热值的89.9%和103.5%。所有金属粉末购于上海水田材料科技公司，纯度99.9%。所使用的样品SEM照片如图2所示。

(a)15 μm铝粉　　(b)1 μm铝粉

(c)MgAl合金　　(d)团聚铝粉

除团聚铝粉外，各个样品的球形度都很高；30 μm MgAl合金的球形度最高；从团聚铝粉放大照片可见，大颗粒表面的1 μm铝粉被HTPB均匀包覆，包覆表面光滑无破损，且相比工况2～4样品，其颗粒间隙被HTPB填充，故其松装密度更大；MgAl合金的松装密度较小，主要是Mg的密度较小造成的。

2　实验结果与讨论

2.1铝粉

铝颗粒的粒径越小，则比表面积越小，受到外部热源加热时升温速率越快，点火更加迅速，并且小粒径铝粉使单位质量燃料接触到的氧化剂更多，故其燃烧速率也更高。图3为15、1 μm铝粉在常压、点火器启动后100 ms时的点火燃烧情况。由图3可见，15 μm铝粉燃烧较为平缓，整个粉体呈现木炭样红斑，样品周围没有明显的火焰将其包围，可清晰观察到样品轮廓，可判断图3(a)燃烧过程以动力学控制的异质反应为主。而1 μm铝粉燃烧时，出现了强烈的光斑将样品包围，有很大一部分以蒸气形态进行扩散燃烧。

(a)工况1(15 μm铝粉)　(b)工况2(1 μm铝粉)

光谱仪采集的工况2三维燃烧发射光谱数据如图4所示，光谱的绝对强度与光纤探头的位置及角度、样品位置、样品燃烧时是否飞溅等因素有关，能够定性反映燃烧过程的剧烈程度。所有工况下，光纤探头水平放置，并对准样品坩埚轴线正上方1 mm处。点火延迟、相对光谱强度(光谱比)通过光谱分析软件数据转换后进一步处理得到。

铝粉燃烧时486、568 nm特征光谱及其比值(RAlO)随时间变化如图5所示，图中用虚线标出RAlO的零点位置及486 nm光谱的出现时刻。由于在某些工况下568 nm特征谱出现时间较晚，486、568 nm特征谱都呈现出接近于“零”的噪声信号状态，导致RAlO出现大幅振荡，故486 nm特征谱开始明显变大之前的RAlO没有实际意义，不予绘出。

图4　铝燃烧三维发射光谱

由图5(a)、(b)可见，常压下，15、1 μm铝颗粒的点火延迟分别为90、6 ms；在500 ms时刻，2个样品的568 nm光谱绝对强度分别为35和780，在一定程度上表明1 μm铝粉的燃速更高，而15 μm和1 μm铝粉的AlO特征谱(486 nm)延迟分别达1 130、283 ms，说明1 μm铝粉更快地进入了蒸发速率控制的均相反应阶段，这也与点火实验录像结果一致；15 μm铝粉的RAlO在500 ms之前没有出现，而1 μm铝粉的RAlO在500 ms时刻已达0.21，故颗粒粒径对颗粒点火延迟、燃速、燃烧模式转换速度都存在巨大影响。

由图5(c)、(d)可见，在1.0、2.0 MPa下，1 μm铝粉的点火延迟分别达到了12、6.3 ms，AlO特征谱延迟较常压下也缩短至121、102 ms，特征光谱的绝对强度也达到了上万级别，充分说明环境压强对于铝颗粒的点火延迟、燃速、燃烧模式等都有较大影响，点火延迟缩短的原因是压强增大导致了氧浓度的增大，进而加快了氧透过熔融Al2O3薄膜向Al表面扩散的速率，加剧了动力学控制的异相反应速率及放热量，导致铝颗粒表面Al2O3更快挥发，促使Al更快进入熔化、蒸发阶段，蒸发燃烧模式快速建立。

从图5(c)、(d)还可看出，在AlO特征谱出现时刻，568 nm特征谱的出现拐点，其一阶导数明显变大，燃烧强度剧增，从而证明了蒸发燃烧的燃速远大于表面异相反应的燃速。在图5(d)中，特征谱线在334 ms出现了下降，并不是燃烧强度降低，其原因在于样品盛于圆筒状Al2O3坩埚中，表层样品的快速燃烧导致瞬间放热量完全将燃烧产物转化为气态，从坩埚中快速溢出，导致底层低温样品突然暴露出来，出现了燃烧强度降低的假象。工况1～4的RAlO最大值分别为0.15、0.21、0.31、0.35，表明减小粒径及提高压强，均有利于提高蒸发燃烧所占的比重。

(a)工况1

(b)工况2

(c)工况3

(d)工况4

2.2镁铝合金

图6(a)为在常压下、24 mg、粒径20 μm纯镁粉的点火燃烧情况，可见，其火焰形态类似于气体燃烧，说明镁粉燃烧是蒸发扩散模式为主。图6(b)为铝镁合金燃烧情况，对比纯镁粉燃烧，可见大量火星四射飞溅，说明镁铝合金在燃烧过程中，先是镁的快速燃烧产生大量气相燃烧产物，然后将刚刚点燃的高温铝颗粒吹撒出去，再与周围气体氧化剂快速掺混燃烧。

(a)镁粉燃烧　　　(b)工况5在100～120 ms

(c)工况5在200～500 ms

铝镁合金发射光谱及光谱比随时间变化见图7。从图7可见，铝组分的点火延迟很短，且RAlO在初期接近于1。这是镁燃烧的预热作用造成的，100 ms左右有一个高强度光谱峰，从录像观察是因为点火后样品呈现爆炸状扩散所致，铝粉燃烧特征光谱较弱，甚至出现了波动状。原因可能是因为初期的“爆炸风”将坩埚上层铝颗粒吹散至燃烧器周边区域，坩埚底层样品内由于镁蒸发快(图6(c))，所以占据坩埚出口处并优先消耗掉氧化剂，铝蒸发难度大，故在坩埚底部熔融聚团，且只能是部分铝蒸汽上浮后与氧化剂反应，这是坩埚的构型特征决定的。实际发动机工作中，并不会产生此种现象，被吹散至燃烧器周边的铝由于没有正对于光纤探头，其燃烧情况无法体现在光谱上，镁燃烧对铝颗粒的预热作用，使铝镁合金的RAlO达到0.5以上，在颗粒粒径较大的情况下，其均相燃烧所占比重仍大于纯铝粉。可见，镁铝合金在常压燃烧性能上优于1 μm铝粉，且松装密度比1 μm铝粉高46%。

图7　铝镁合金发射光谱及光谱比随时间变化

2.3团聚铝粉

团聚铝粉的松装密度比1 μm铝粉高47%，图8和图9分别为团聚铝粉点火燃烧录像及光谱特性曲线。

(a)40.95 ms　　(b)59.85 ms

(c)100 ms

图8(a)对应568 nm光谱出现时刻(40.95 ms)。由于HTPB的分解及初步燃烧加热，使坩埚内气相组分比例及动压剧烈增加，白色铝颗粒如火山喷发般被竖直向上吹起，这与镁铝合金的周向四散吹撒有很大区别。图8(b)对应图9中59.85 ms的强烈光谱峰，其形成原因是被竖直吹起的高温铝颗粒与燃烧器内的氧化性气氛强烈掺混并快速高效燃烧，图8(b)对应时刻的RAlO高达0.78。之后，在图8(c)100 ms摄像图片观察到的光强更加耀眼。然而，特征光谱的强度并不如图8(b)时强。这是因为光纤探头采集的是点光源强度且正对样品坩埚正上方位置，图8(b)时刻样品正上方氧浓度最高，燃烧最剧烈，100 ms时作为反应物的氧化剂已经大量消耗、浓度偏低，而光纤探头对应位置生成物浓度却变高，故燃烧强度降低。从图9可见，180 ms之前的高速燃烧消耗了光纤探头处大量氧化剂，故光谱强度不断下降；而180 ms之后，由于外围氧化剂向光纤探头位置的缓慢扩散作用，燃烧反应逐渐加强。由点火燃烧参数可知，团聚铝粉能够更快扩散掺混，在蒸发燃烧模式转换速率及松装密度上都比1 μm铝粉更具优势。

所有工况实验结果参数如表2所示。

图9　团聚铝粉发射光谱及光谱比随时间变化

工况点火延迟/ms486nm光谱延迟/msRAlO最大值190.30112.350.15215.75283.500.21311.55120.750.3146.30101.850.35534.65185.851.29640.9563.000.22

虽然镁铝合金粉和团聚铝粉(工况5、6)相比1 μm铝粉(工况2)常压下在点火延迟上不占优势，然而在燃烧模式的装换速度与强度方面都占明显优势，这种优势也可从特征光谱的绝对强度得到定性体现。

3　结论

(1)常压燃烧时，1 μm比15 μm铝粉的光谱强度更强，能够更快进入均相反应阶段；两者的点火延迟分别为16、90 ms，486 nm特征光谱出现延迟分别为112.35、283.5 ms，最大RAlO分别为0.21、0.15，故粒径减小能缩短颗粒燃烧的点火延迟，促进燃烧模式转换，提高燃烧强度。1 μm铝粉在1.0、2.0 MPa下的燃烧实验，证明了相同的趋势。

(2)30 μm铝镁合金点火实验表明，镁燃烧使铝预热并更快进入蒸发装态，镁蒸气及其燃烧产物的吹撒作用，加快了高温铝滴向周边的扩散作用，对提高铝组分的燃烧性能十分有益，点火延迟、486 nm特征光谱延迟及最大RAlO分别为34.65、185.85 ms、1.29。虽然铝镁合金的点火延迟比1 μm铝粉长，但486 nm特征光谱更早出现，均相燃烧所占比重更大，且粒度更大，有利于装填密度的提高。

(3)100 μm团聚铝粉点火实验表明，HTPB高温分解产物能够将铝颗粒与周围氧化剂高效快速掺混，加速了氧化剂向铝颗粒表面的扩散速率，使其比团聚之前的点火延迟更短，燃烧模式更快向均相反应转化，大粒径使其同样在装填密度上具有优势。RAlO的变化并不明显，结合30 μm铝镁合金点火实验来看，可能是常压条件下，加快预热比加快扩散对RAlO的提高影响更大。

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(编辑：刘红利)

Modification methods and ignition combustion characteristics of aluminum-based powder fuel

DENG Zhe，HU Chun-bo，LIU Lin-lin，ZHU Xiao-fei，WEI Xiang-geng

(Science and Technology on Combustion Internal Flow and Thermal-Structure Laboratory，Northwestern Polytechnical University，Xi’an710072，China)

Aluminium,which has high calorific value and high density,is an ideal fuel for powder propellant rocket engine and powder ramjet.In this paper,ignition and combustion characteristics of aluminum under different size and pressure were analyzed,using CO2laser as ignition source and spectrometer as diagnosis method.The effects of two modification methods as magnalium alloy and assembling 1 micro aluminium particles with HTPB on combustion characteristic were studied.The results show that decreasing particle size and increasing pressure can improve combustion behavior of aluminum particles. Although the ignition delay of magnalium alloy and reunion aluminium particles are longer than 1 micro aluminum particle,they have faster switching rate for homogeneous reaction and larger intensity of combustion after ignition.Their apparent density increase 46% and 47%, respectively.

powder fuel；modification method；laser ignition；emission spectrum

2015-06-13；

2015-07-06。

西北工业大学基础研究基金(JC20110205)；国家自然科学基金(51266013)。

邓哲(1987—)，男，博士生，研究领域为航空宇航推进。E-mail：mail_express@163.com

V512

A

1006-2793(2016)01-0017-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.01.003