金属燃料的物理化学途径及其对电位驱动固态燃烧中推力相关燃烧动力学的影响

《Combustion and Flame》：Physical and chemical pathways of metal fuels and their implications for thrust-relevant combustion dynamics in electric potential-driven solid combustion

　　

摘要

本研究实验性地探讨了铝（Al）和钛（Ti）金属燃料如何改变与推力形成相关的电势驱动固体推进剂燃烧场参数，包括火焰结构、燃速和粒子喷射行为。对非金属化、铝金属化和钛金属化的电控固体推进剂（ECSPs）在火焰温度、火焰结构、金属化学状态和流速方面进行了表征。燃速作为代表性的质量转化性能参数进行了分析，而粒子喷射速度则用于表征下游输送行为。结果表明，金属燃料能够通过不同的路径主导与推力相关的燃烧行为，即热反馈趋势和下游动量输送。铝金属化推进剂由于铝的燃烧参与增强，表现出空间受限的火焰结构、高火焰温度和相对较长的驻留时间。这些特征与增强的向推进剂表面热反馈趋势一致，导致高燃速。相比之下，钛金属化推进剂由于钛的碎裂产生了扩展的、以粒子为主的火焰结构。尽管其较短的驻留时间表明上游热反馈趋势有所降低，但基于钛的粒子的高存活率使得气体膨胀产生的动量能够有效地传递到流场中。因此，铝主要通过热反馈和燃速增强主导的化学路径做出贡献，而钛则通过粒子存活率和快速下游传播相关的动量输送路径做出贡献。因此，金属燃料应被视为主导热量释放、粒子输送、火焰发展和下游速度分布的关键物质。本研究阐明了金属化固体推进剂燃烧中反应和粒子输送特性如何通过热反馈和下游动量输送调节能量传递，这对于任务特定的金属燃料优化是必要的。

新颖性和意义声明

本研究通过利用火焰结构、火焰温度、燃速和粒子喷射速度作为固体推进剂燃烧中质量转化、热反馈趋势和下游动量输送的间接燃烧场指标，将局部推进剂化学与下游火焰动力学和粒子输送联系起来。通过整合多种诊断技术，本研究表明金属燃料通过不同的热学和动力学路径强烈影响热量释放、粒子输送和下游传播速度。通过提供非金属化、铝金属化和钛金属化电势驱动燃烧之间的严谨对比分析，本研究提供了通过耦合热反馈和动量输送管理多相流的第一个机理基础，为电驱动和常规固体推进系统提供了关键的适用见解。

引言

固体推进剂系统已发展出满足广泛任务需求的能力[[1], [2], [3]]。然而，常规固体推进剂无法提供对燃速的主动控制，这对操作灵活性造成了重大限制。电控固体推进剂（ECSPs）已被提出以解决这一限制，因为其燃速可以通过施加的电势和推进剂组成来调节[4]。所供应的电能通过电化学分解和焦耳加热辅助热解的耦合序列引发点燃并维持燃烧。因此，通过调整推进剂组成和输入功率可以控制ECSP的燃速。除了实现燃速调制外，ECSPs还具备多次启停操作的优势。完全移除施加的电能相当于消除了点燃所需的电解强度。因此，断电阻断了初始点燃阶段中由自由电子碰撞引发的自由基形成过程，从而导致立即熄灭。燃速控制方面的这些广泛应用可以有助于扩展固体火箭发动机的任务能力，并允许使用同一推进系统推导出针对各种任务优化的功率施加条件。

基于这一优势，大量努力已投入到优化ECSP配方的氧化剂组成中[[5], [6], [7]]。羟胺基硝酸铵（HAN）基ECSPs因其低毒性和高性能特性而作为环境友好的固体推进剂备受关注[[8], [9], [10], [11]]。然而，HAN的高吸湿性表现出长期储存的脆弱性，因此高氯酸锂（LP）基推进剂被引入作为替代方案[12,13]。在ECSP发展的多年来，研究一直关注燃速作为与推进剂性能相关的代表性参数，并考察了组成、电功率和压力如何影响燃速增强[[14], [15], [16], [17]]。

然而，燃速仅仅代表了推进剂整体性能特征中的质量转化速率。为了准确控制封闭腔室内的固体推进剂燃烧，还必须详细考察下游火焰和粒子行为。一项先前的研究表明，粒子的传播行为可以根据金属燃料的类型引发结构性火焰不稳定性[18]。因此，本研究旨在实验性地分析金属燃料对与推力相关的燃烧行为的影响。通过与非金属化推进剂进行比较，确定了每种金属燃料的物理和化学贡献。特别是，详细考察了反应层下游羽流区域中的粒子-火焰相互作用和动态行为。这一方法旨在提供不仅适用于电势驱动燃烧，也适用于常规固体推进剂燃烧的基本见解。

几项先前的研究表明，气态火焰的结构变化可以显著影响下游流场、声场和热量释放速率[19,20]。这表明在封闭燃烧系统中，火焰结构和动态行为可以通过热反馈影响上游区域。同时，单一金属燃料的燃烧特性也得到了广泛研究[[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]。然而，对于推进剂中包含的金属燃料如何影响火焰传播、粒子团聚、氧化行为以及由此产生的火焰-粒子相互作用，关注有限。

因此，本研究旨在实验性地阐明含Al和Ti的ECSPs的火焰结构和传播特性。分析了金属燃料对与推力相关的燃烧行为的贡献，以填补这一研究空白。将广泛应用于气态火焰研究中的平面激光诱导荧光（PLIF）和粒子图像测速（PIV）应用于表征下游羽流区域的动态行为[[28], [29], [30]]。利用激光诱导击穿光谱（LIBS）识别金属物种的化学状态[31,32]。还使用多波长高温计测量火焰温度[[33], [34], [35]]。通过将这些光学诊断技术扩展到包含粒子的ECSP火焰中，比较性地考察了多相流场中粒子的传播、火焰结构和动态行为。

在定义固体燃烧中的火焰锋面时，必须考虑一些局限性。OH自由基不能作为完美的区域标记物，因为非均相凝聚相燃烧涉及复杂的链式反应。此外，金属燃料的宽带发射可以产生不均匀的OH信号，并可能与金属发射信号部分重叠[36]。LIBS信号的定量解释也很困难，因为无法为具有复杂固体推进剂组成的火焰建立明确的参考值。尽管如此，PLIF比常规正常成像提供了更可靠的火焰锋面识别依据[37,38]。此外，虽然绝对定量不可行，但追踪归一化的金属相关信号可以利用LIBS进行有意义的趋势分析[[39], [40], [41]]。

考虑到这些诊断局限性，本研究中的OH-PLIF信号仅用作火焰结构分析的指标。它不被解释为反应强度的直接标记物。同样，LIBS的作用仅限于识别金属物种的可区分化学状态。金属在传播过程中的化学行为基于相同样品内归一化强度的相对变化进行解释。通过对光学诊断技术的这种受限使用，建立了应用分析方法以表征气固多相流下游羽流区域中的瞬时火焰截面、粒子-火焰相互作用和火焰动态行为。

因此，金属燃料可被视为参与化学反应路径并决定下游火焰结构和动态特征的主导因素。因此，为了在不同任务配置中扩展适用性，选择任务特定的金属燃料是最大化ECSPs和常规固体推进剂推力产生能力的必要考虑因素。因此，本研究强调，不应简单地将金属解释为燃速调节剂。相反，应将它们视为通过不同的化学和动力学路径——与热反馈趋势和下游动量输送相关——修改燃烧场行为的关键物质。通过识别与气固多相火焰中推力相关参数相关的不同金属依赖性反应路径，本研究表明金属燃料通过耦合的化学和物理机制影响固体推进剂燃烧。这些发现支持了基于期望的热反馈、粒子传播和动量输送之间的平衡进行任务特定金属燃料选择的必要性。然而，应注意的是，本研究中并未直接测量推力和比冲。因此，建议的燃烧场参数被用作能量释放、质量转化和下游输送行为的间接或潜在指标。

章节摘要

样品制备

表1列出了本研究中使用的推进剂的初始和最终组成。LP（Thermo Fisher Scientific Inc.，纯度99%）和聚乙烯醇（PVA，Sigma-Aldrich Ltd.，分子量：146,000–186,000）分别用作氧化剂和燃料。推进剂按照先前研究[18]中报道的程序制备。为了考察金属燃料对推进剂性能的影响，使用了Al（Avention Inc.，粉末，10 μm，纯度99.9%）和Ti（Avention

预期火焰温度

为了表征燃烧过程，考察了供应给推进剂的电功率，如图3所示。总燃烧周期（t_b）定义为点燃时间（t_ign）和熄灭时间（t_end）之间的时间间隔。总燃烧周期被分为五个区间，以比较不同阶段的燃烧特性。根据每种推进剂配方的整体电导率，燃烧所需的电功率

结论

铝金属化推进剂的光学测量确认了结构动力学和下游输送行为之间存在明确的权衡。铝添加形成的簇状火焰结构由于粒子团聚导致流速减缓。这种行为可以被视为下游动量输送的不利因素。同时，簇状火焰结构提高了火焰温度和燃速，增强了腔室内热能释放

CRediT作者贡献声明

Daehong Lim：撰写—初稿，可视化，调查，形式分析，数据管理。Rajendra Rajak：调查，数据管理。Jia Xuan Lim：调查。Eunseo Jin：调查。Jinkyu Lee：调查。Jack J. Yoh：撰写—审阅与编辑，项目管理，调查，资金获取，形式分析，概念化。

Daehong Lim|Rajendra Rajak|Jia Xuan Lim|Eunseo Jin|Jinkyu Lee|Jack J. Yoh