石蜡基燃料的力学改性及其燃烧特性研究(2)

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4.1燃料的熔点测试24

4.2燃料的粘度测试26

4.3燃料燃烧热测试26

4.4燃料的力学性能测试27

5石蜡基复合燃料的燃烧性能实验33

5.1纯石蜡的燃烧性能33

5.2含添加剂石蜡基复合燃料的燃烧特性36

结论40

致谢41

参考文献42
1 引言1.1 研究背景和意义固液混合火箭发动机结合了固体发动机和液体发动机的优点，将不同相态的燃料和氧化剂分开储存在推进系统中。研究最为广泛的是固态燃料和液态氧化剂组合的固液混合推进系统。图1 所示为典型的固液混合火箭发动机结构示意图，其主要由液态氧化剂、液态氧化剂储箱增压系统、液态氧化剂储箱、调节阀、喷注器、固态燃料药柱、燃烧室壳体和喷管等组成。图 1 典型的固液混合火箭发动机结构示意图由于燃料和氧化剂为不同状态的物质，使其相比于传统的固体发动机或液体发动机具有如下几个优点[1-4]：（1）具有高安全性和较低爆炸危险性。固体燃料和液体氧化剂分开贮存，在没有液体氧化剂的情况下，反应不是自持的，没有爆炸危险。（2）发动机推力易调节，易关机和重新启动。可通过对氧化剂流量的调节达到推力调节、发动机启动、发动机关机。（3）经济性好。燃料和氧化剂都是常见的物质，研制、生产和运营成本低，操作维护使用方便。（4）药柱稳定性好、温度敏感性低，保证了发动机作用的安全性和稳定性。（5）环保性好。选用的燃料和氧化剂多为无毒或低毒，燃烧产物有毒气体少。混合发动机技术的研究已经有 80 余年的历史，美国、俄罗斯、德国、法国、日本和中国等都开展了该项技术相关研究工作。但是，混合推进技术的广泛应用受到燃料退移率低的制约，提高燃料的退移速率已经成为提高固液混合火箭发动机性能的关键技术。已有研究表明蜡燃料通过在表面形成不稳定的液体薄膜可以实现快速燃烧，其退移速率是同等条件下端羟基聚丁二烯(HTPB)燃料的 3-4 倍，而且石蜡基燃料比冲高（与煤油相当），加工、存放、运输的要求低，是固液混合发动机的理想能源。但是其缺点是力学性能差，易发生脆裂变形，限制了其应用。因此在保证其高燃速的前提下改善其力学性能尤为重要。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 混合推进技术的研究进展固液混合推进技术已有 80 年的发展历史。近年来由于商业竞争更加激烈，需要成本更低的火箭；另一方面“挑战者”号和两次“大力神”34D等运载火箭发生爆炸，造成重大事故，固液混合推进技术迎来新的发展高潮。美国 NASA 研究使用固液混合推进剂来替代单一的固体推进剂的可能性，促使固液混合推进剂的发展和研究日益增强[5]。美国宾夕法尼亚州立大学K.K. Kuo领导的小组针对用于混合推进的 HTPB 基燃料的燃烧性能开展了一系列研究工作[6-9]。斯坦福大学的A. Karabeyoglu[10-12]领导的小组研究发现石蜡基燃料的退移率远高于 HTPB燃料，是目前混合推进技术用燃料领域的新宠，然而其较差的力学性能有待提高。A. Karabeyoglu 等人还提出了利用LOX/石蜡燃料为组合的固液混合发动机研制两级空射小型运载火箭的方案[13]。我国从 20世纪 60 年代开始固液混合推进技术的研究。研究使用氧化剂主要有H2O2， N2O，LOX，GOX 和 HNO3，燃料主要有 HTPB，PMMA和 PE 等。国防科技大学宋志兵等人开展了H2O2／HTPB 固液混合发动机点火试验研究[14]，北京航空航天大学已成功完成了北航一号、二号固液混合探空火箭的试射，该校田辉等人针对混合火箭发动机喷管流场进行了模拟仿真[15-17]，西北工业大学武渊、杨玉新、胡松启等人研究了固液混合发动机固体燃料退移速率影响因素及其测试方法[18-20]，清华大学万科等人开展了N2O-PMMA小型混合火箭发动机试验[21, 22],南京理工大学秦钊等人研究了氟化物包覆纳米铝粉对HTPB燃料燃烧性能的影响[23]1.2.2改善石蜡力学性能的方法石蜡是从石油精制得到的一种固体烃混合物，无色或白色、近乎半透明的物质，具有晶体结构，无臭无，触摸时稍有油脂感，其熔点在(43．3～65．5℃)之间。可广泛用于塑料、橡胶、造纸、油墨、日用化工、纺织、农业、机械等领域。当前石蜡改性方法主要有物理方法、化学方法和乳化方法种方法。针对改善石蜡的力学性能，选取物理方法对石蜡进行实验改性。石蜡的物理改性是指用与石蜡互溶的任何化学品来调和制备出物理性能、化学性能均优的石蜡。石蜡调配在工艺上就是熔融、混合或研磨。改性后石蜡的物理性质如硬度、光泽、滴点(或熔点)、结晶结构、相对分子质量分布、分子结构种类等都有较大的改进。下面实验所用是几种含能聚合物添加剂