1 引言

固体火箭冲压发动机以富燃料推进剂作为能源，而含硼富燃料推进剂作为富燃料推进剂的一种，以其高质量能量密度(58.74 kJ·g^-1)和体积能量密度(137.45 kJ·cm^-3), 使添加了硼的含硼富燃料推进剂的能量达到30 kJ·g^-1以上，而有望成为未来固体火箭冲压发动机的最佳能源^[1-2]。

固体火箭冲压发动机由燃气发生器、进气道、补燃室、冲压喷管等部件组成，含硼富燃料推进剂在燃气发生器中进行一次燃烧，由于燃气发生器中几乎无氧，因此一次燃烧是含硼富燃料推进剂依靠自身的氧来维持其燃烧。由于含硼富燃料推进剂的氧系数较小(一般为0.2~0.3)，因此一次燃烧是推进剂的不完全燃烧，生成的大多数都是燃烧的中间产物。一次燃烧产物经一次喷射进行入到补燃室中与发动机吸入的压缩空气反应，形成含硼富燃料推进剂的二次燃烧。由含硼富燃料推进剂的燃烧过程可知，含硼富燃料推进剂的一次燃烧是其二次燃烧的基础，同时为二次燃烧提供燃料和初始燃烧条件，因此对含硼富燃料推进剂的一次燃烧性能进行研究具有重要意义^[3-5]。

推进剂的配方从本质上决定着其燃烧性能，含硼富燃料推进剂组分较多，每种组分都不同程度地影响着推进剂燃烧的燃烧性能，而对于配方特别是金属组分对一次燃烧的影响，到目前为止尚未有文献进行系统的报道。本研究从配方的角度出发，通过测定不同金属组分推进剂的一次燃烧各参数，较为系统地探索了金属组分对含硼富燃料推进剂一次燃烧(以下简称燃烧)性能的影响，结果可以为含硼富燃料推进剂配方的选择及燃烧规律的研究提供帮助与参考。

2 试样准备

当前，含硼富燃料推进剂中的硼粉含量约为25%~35%, 是含硼富燃料推进剂中含量最高的金属燃料。因此研究硼对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响非常重要。另外，为了改善含硼富燃料推进剂的点火及燃烧性能，要加入其它燃烧温度较高且燃烧较容易的金属燃料，一般选择镁、铝或镁铝合金。镁虽然燃烧热值较低，但其具有较高燃烧温度及良好的点火性能，且单位质量的镁燃烧完全所需氧的质量较低(即耗氧量较低)，能够使推进剂中本来就极为缺乏的氧元素发挥最大作用。虽然铝的燃烧温度较低，点火性能较差，而且单位质量铝的耗氧量比镁高，但铝比镁的燃烧热值高。考虑到镁和铝各自的优缺点，更多情况下含硼富燃料推进剂中添加镁铝合金来改善其燃烧性能。为了说明金属组分对含硼富燃料推进剂燃烧性能的影响，制备了6种含硼富燃料推进剂的配方，各配方的组分见表 1。

3 含硼富燃料推进剂一次燃烧参数的测试 3.1 爆热Q_v

采用改进型的GR3500型热量仪进行燃烧热测试，其主要由恒温系统、点火系统、氧弹系统、数据采集处理系统四大部分组成。实验时，称取3 g左右的含硼富燃料推进剂试样置于坩埚中，在对试样缠绕点火丝后装配好氧弹，然后对氧弹连续充放3次氩气，以排出氧弹内的空气。点火后，对采集到的温度信息采用精确度高的冷却校正原理进行处理，得到试样的爆热值。每个试样最少进行5次平行实验，以每次实验结果的平均值作为试样的实测爆热值。

3.2 燃烧温度T_f

对含硼富燃料推进剂的燃烧温度采用在推进剂中埋置钨铼热电偶的方法进行测试。将含硼富燃料推进剂切成尺寸为7 mm×7 mm×30 mm的长方体药条，并使用专用刀具将已焊接好的钨铼热电偶埋置于试样内，具体方法可参考文献[6]。将埋置好热电偶的药条侧面用包覆液(聚乙烯醇缩丁醛8%，乙醇92%)进行包覆，然后置于密闭燃烧器中并充入一定压强的氮气(本研究充入氮气为1 MPa)，点燃药条。将测得的电压值按热电偶分度表转换为温度值，并取最高温度作为试样的燃烧温度。

3.3 成气率η

所谓成气率，即推进剂燃烧后气相物质的质量占燃烧前推进剂质量的百分比，记为η。本研究所用的成气率测试装置如图 1所示。此装置由点火部分、燃烧器部分及过滤部分组成。过滤器内装有过滤物质，其功能是阻止燃烧生成的固相产物通过，而使气相产物可以顺利排出，实验时可综合实验情况确定过滤器的个数，为保证过滤效果又提高测试的准确度，一般选择三个过滤器为宜，每个过滤器间置有带孔的挡板以阻止各过滤器内的过滤物质移动，同时形成不同的过滤层。由于燃烧器内容积较小且含硼富燃料推进剂较易点火，故使用电热丝在燃烧器内进行点火。点火后的推进剂迅速燃烧，产生的压力使燃烧生成的气体快速通过过滤层而被排出装置。通过称量推进剂质量m_p、推进剂燃烧前装置质量m₀及推进剂燃烧后装置质量m₁，由成气率的定义可知$\eta =\frac{{{m}_{0}}-{{m}_{1}}}{{{m}_{\rm{p}}}}$。

成气率不但为以实验条件为约束的含硼富燃料推进剂的热力学计算提供了一个可靠的参数，而且成气率的低可以作为一个重要指标来间接评判同一系列含硼富燃料推进剂的一次燃烧喷射效率。一般来说，对于同一系列的含硼富燃料推进剂，成气率越高，一次燃烧的喷射效率也越高。

4 实验结果与讨论 4.1 实验结果

含硼富燃料推进剂燃烧的实验结果见表 2。

4.2 镁、铝及镁铝合金对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

由表 1可见，在1^#、2^#和3^#三种试样中，1^#试样爆热值和燃烧温度均最低，成气率介于2^#和3^#试样之间；2^#试样具有高的爆热和燃烧温度，但成气率最低；3^#试样具有最高的成气率值，爆热和燃烧温度介于其它两种试样之间。

由于镁与铝相比，具有较高的燃烧温度且镁与氧的结合能力较强具有较高的燃烧效率，因此添加了镁的含硼富燃料推进剂比添加了铝的含硼富燃料推进剂具较高的燃烧温度。由铝燃烧后生成产物Al₂O₃可知，1 g铝完全燃烧需要8/9 g的氧元素，而1 g镁完全燃烧需要的氧元素为2/3 g，显然单位质量铝完全燃烧的耗氧量大于镁。在含硼富燃料推进剂中，一般镁和铝只是作为小组分添加剂用来改善推进剂的点火和燃烧性能，所占质量百分数较小(约5%)，而且这两种金属均容易燃烧，能够在氧化剂含量较低的情况下基本燃烧完全，因此对于1^#和2^#推进剂试样，虽然铝在燃烧过程中释放的热量大于镁所放出的热量，但却过多地消耗了推进剂中的氧元素，减少了其它组分燃烧时发生氧化反应的放热量，从而使2^#推进剂的爆热值大于1^#推进剂。由于3^#推进剂含有两种金属元素，故爆热值介于1^#推进剂和2^#推进剂之间。

由于高的燃烧温度能够使推进剂的各组分发生化学反应的剧烈程度也更强，导致成气率也相应升高，由表 2可知2^#推进剂燃烧温度比1^#推进剂高，加上2^#推进剂中的镁燃烧耗氧量较低，使有更多的氧元素能与HTPB及其它成分反应，生成更多的气体产物，因此比1^#推进剂成气率高。3^#推进剂的成气率在3种推进剂中最高，而爆热及燃烧温度却介于其它两种推进剂之间，说明对于爆热及燃烧温度，镁铝合金基本上表现为镁与铝混合物的性质，而对于成气率来说，可能影响了推进剂燃烧的反应历程，从而生成更多的气相产物。

4.3 硼对含硼富燃料推进剂一次燃烧性能的影响

由表 1、表 2中3^#~5^#样品可见, 配方组成相同时，硼粉粒径对推进剂爆热等性能的影响不同。与硼粉粒度为130~150 μm的3^#样品或50~70 μm的5^#样品相比，粒度为90~110 μm的4^#样品的爆热及燃烧温度较高，成气率较低。即当硼粉粒度适中时，推进剂的爆热值及燃烧温度均较高但成气率较低。这主要是因为硼粉的熔点较高，含硼富燃料推进剂燃烧时，硼粉的燃烧反应主要是凝聚相反应，反应速率较低，而且硼的表面包覆着一层硼的氧化物，使硼粉的燃烧变得比较困难。当硼粉的粒度较粗时，硼粉的比表面积较小，而燃面的弧厚却较大，当推进剂燃烧结束后，参与燃烧反应的硼粉比例较低，从而造成推进剂爆热值和燃烧温度均较低，由于参与反应的硼的比例降低，使得推进剂中的氧元素能更多地与其它组分发生反应(特别是HTPB)，从而使成气率升高。

由于硼粉表面需包覆一定量的氧化剂，以避免因硼粉与粘结剂体系相容性较差而造成的工艺困难，因此当硼粉的粒度较细时，硼的比表面积较大，包覆硼粉所用的氧化剂含量也较高，当氧化剂总含量一定时，分散在推进剂中孤立的氧化剂含量便相应地减少。推进剂燃烧时，一方面，虽然更多的硼粉接触到氧化剂使硼粉的氧化程度得以提高，但由于推进剂的燃烧温度较低，硼粉总的氧化程度依然较低，硼粉反应程度的提高对推进剂的放热量提升效果有限。另一方面，分散于推进剂中的氧化剂含量的减少对推进剂其它组分的燃烧反应有较大的影响，尤其会使镁铝合金的燃烧更加不完全，促使推进剂的燃烧温度及爆热下降。两种影响叠加使含粗粒度硼的富燃料推进剂的爆热和燃烧温度均较低。另外，这两方面因素也使留在推进剂中AP分解产物的量减少，使成气率升高。

由3^#和6^#试样的实验结果可知，当含硼富燃料推进剂中硼粉的含量高(氧化剂AP的含量低)时，爆热、成气率较低，而燃烧温度较高。这是因为硼粉含量增加，虽然推进剂潜在的总能量随之增大，但由于氧化剂含量随之减少，从而使推进剂潜在的能量得不到有效发挥，降低了其它各组分氧化程度，因此爆热、成气率均较小。由于硼的燃烧温度较高，故当硼的含量增大时，推进剂的燃烧温度有所升高。

5 结论

(1) 含硼富燃料推进剂的爆热较高时，其燃烧温度也较高。添加了镁的含硼富燃料推进剂的爆热值、燃烧温度及成气率均比添加了铝的含硼富燃料推进剂高。镁铝合金与镁相比，虽然能够使推进剂爆热及燃烧温度降低，但能够提高推进剂燃烧的成气率。

(2) 硼粉粒度对含硼富燃料推进剂的燃烧性能有较大影响，当硼粉粒度较粗或较细时，推进剂的爆热及燃烧温度均较高，成气率较低；当硼粉粒度适中时，推进剂的爆热值及燃烧温度均较低，而成气率较高。

(3) 含硼富燃料推进剂中硼粉的含量增大(氧化剂AP的含量减小)时，爆热、成气率均降低，而燃烧温度升高。