低温高压环境下复合固体推进剂燃烧特性与铝团聚机制研究

针对深空探测固体火箭发动机在极端低温环境下的性能挑战，研究人员系统探究了-80至0°C、7 MPa条件下AP/HTPB/Al复合推进剂的点火延迟、燃速及铝团聚行为。发现低温导致点火延迟延长171.4%、燃速降低27.1%，并引发铝颗粒团聚尺寸增大275.0%，燃烧效率下降19.4%。该研究揭示了低温通过抑制AP分解、削弱辐射传热和促进临界团聚距离缩短的物理机制，为极端环境推进剂设计提供理论支撑。

　　

随着深空探测任务的推进，固体火箭发动机(SRMs)在极端低温环境下的性能稳定性面临严峻挑战。复合固体推进剂在-80°C以下的极寒条件中，不仅面临玻璃化转变导致的力学性能劣化，其燃烧过程更会出现点火困难、燃速骤降等关键问题。特别是含铝推进剂中金属颗粒的异常团聚行为，可能造成燃烧效率骤降19.4%并引发两相流损失，直接威胁发动机可靠性。然而，现有研究多聚焦常温燃烧特性，对低温高压协同作用下铝团聚机制的认识仍存在重大空白。

为解决这一难题，中国科学院工程热物理研究所的Zhan Wen团队在《Fuel》发表创新研究，通过构建-80至0°C、7 MPa的极端环境实验系统，首次揭示了温度梯度对AP/HTPB/Al推进剂多尺度燃烧特性的调控规律。研究发现，当环境温度从0°C降至-80°C时，推进剂点火延迟时间从66.5 ms激增至180.5 ms，燃速由7.80 mm/s降至5.69 mm/s。更关键的是，低温促使铝颗粒临界团聚距离缩短，导致凝聚相产物(CCPs)平均粒径D₄₃从36 μm暴增至135 μm，燃烧效率从89.5%跌落至70.1%。该研究通过显微燃烧模型和随机堆积理论，阐明了低温通过"抑制AP分解-降低表面温度-促进颗粒紧贴"的三联机制影响燃烧全过程，为极地轨道飞行器和深空探测器推进系统设计提供了关键数据支撑。

研究团队采用四大核心技术方法：1）自主搭建的高压低温燃烧实验系统（含Te150-80A制冷模块和304不锈钢燃烧室），可实现7 MPa/-80°C环境精确控制；2）Avantes光纤光谱仪与Phantom M340高速摄像机（2000 fps）联用，同步捕捉燃烧光谱与火焰动力学；3）钨铼热电偶（精度±0.25%）结合温度梯度算法，量化500-1500°C区间的传热特性；4）重铬酸钾滴定法测定CCPs中活性铝含量，结合激光粒度仪和SEM表征团聚体形貌。

【点火与团聚特性】
通过486 nm特征光谱阈值分析发现，低温显著抑制AP的放热分解，使点火能量需求倍增。高速摄像显示-80°C时燃烧表面形成大量"珊瑚状"团聚体，其尺寸较0°C条件增大275%。光谱强度分析证实AlO自由基发射峰（471/486/512 nm）强度随温度降低而减弱，反映铝燃烧活性下降。

【燃烧温度与燃速】
钨铼热电偶测量显示，0°C时燃烧表面温度梯度达3506.5°C/mm，而-80°C时骤降至1817.6°C/mm。数值模拟证实，低温使AP与伪推进剂界面的温度曲线下移，气相火焰高度缩减，热反馈强度降低27.1%，直接导致燃速下降。

【CCPs与燃烧效率】
激光粒度分析揭示CCPs呈现典型三峰分布：-80°C时第三峰主导（D₄₃=135 μm），而0°C时以第一峰为主（36 μm）。滴定数据显示未燃铝含量从10.5%飙升至29.9%，SEM观测到低温样品出现大量不规则大尺寸团聚体。

【作用机制讨论】
研究提出低温影响的级联效应：1）AP分解峰温升高抑制固相放热；2）燃烧表面温度降低削弱辐射反馈（λ_c下降）；3）粘结剂玻璃化转变（T_g≈-55°C）使铝颗粒间距突破Jackson模型临界值，团聚概率倍增。通过二维微观燃烧模型计算，证实-80°C时火焰与燃烧面的间距较0°C增加40%，导致热流密度显著降低。

该研究首次建立了低温环境-铝团聚尺寸-燃烧效率的定量关系，发现当温度低于T_g时，团聚体尺寸增幅与效率损失呈指数关联。这些发现不仅解释了极地发射场出现的发动机性能异常现象，更为新型宽温域推进剂设计指明方向：通过优化AP粒径分布（200 μm级）和添加纳米热敏剂，有望在-80°C维持85%以上燃烧效率。未来研究将聚焦CL-20等高能组分在低温条件下的燃烧适应性，为载人深空探测任务提供动力保障。