劉鶴欣,趙鳳起,秦 釗,李 輝,馬海霞,姜一帆,張 超,于湘華,姚保利

(1.西安近代化學(xué)研究所 含能材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065;2.西北大學(xué) 化工學(xué)院,陜西 西安 710069;3.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710119)

引 言

固體含能材料已被廣泛應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、粉末沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)與武器系統(tǒng)裝備等眾多領(lǐng)域,其本質(zhì)都是通過(guò)高壓多組分復(fù)雜環(huán)境下的顆粒燃燒來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的釋放與控制[1-3]。固體含能材料是固體燃料的一種,典型的固體含能材料包括單質(zhì)含能材料、金屬粉末和固體推進(jìn)劑等[4-6],常見(jiàn)的固體燃料還包括煤炭、生物質(zhì)與固體廢棄物等傳統(tǒng)能源燃料[7-8]。點(diǎn)火引燃是實(shí)現(xiàn)固體燃料燃燒釋能的基礎(chǔ),其對(duì)于固體含能材料的高效利用與釋能控制具有重要的作用[9]。隨著人類(lèi)對(duì)固體含能材料的燃燒過(guò)程與演化機(jī)制不斷探索,單顆粒、顆粒堆、顆粒云團(tuán)以及藥柱等多種材料堆積形態(tài)的點(diǎn)火燃燒過(guò)程也得到越來(lái)越多的關(guān)注[10-11],而點(diǎn)火引燃的需求與方法也變得更為復(fù)雜且多樣化。因此,深入認(rèn)識(shí)固體含能材料的點(diǎn)火引燃技術(shù)方法與點(diǎn)火燃燒特性,對(duì)于揭示固體含能材料的燃燒反應(yīng)機(jī)理與改善固體燃料的點(diǎn)火燃燒性能具有重要的科研意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

點(diǎn)火引燃是固體含能材料或其他固體燃料在外部能量激勵(lì)下,從失穩(wěn)狀態(tài)開(kāi)始至剛好實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自持燃燒這一期間的瞬態(tài)過(guò)程。能量傳遞主要通過(guò)熱傳遞和做功兩種方式實(shí)現(xiàn),點(diǎn)火藥引燃[12]、熱絲點(diǎn)火[13]、平面火焰攜帶流[14]和激光點(diǎn)火[15]即為采用熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射等單一或多種熱傳遞方式結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒點(diǎn)火引燃,而激波點(diǎn)火即為采用氣體壓力做功方式來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒自持燃燒[16]。在實(shí)驗(yàn)研究方面,為了保障點(diǎn)火可靠性與模擬真實(shí)環(huán)境,通常需要根據(jù)固體含能材料的傳熱特性來(lái)確定點(diǎn)火方式,即點(diǎn)火引燃時(shí)的能量密度或升溫速率是影響點(diǎn)火概率的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。例如,升溫速率為1～10K/s的固定床、熱重等通常用于研究顆粒堆質(zhì)量隨時(shí)間的變化[17],而升溫速率可達(dá)105～106K/s的平面火焰攜帶流反應(yīng)器等可用于單顆粒的點(diǎn)火燃燒特性研究[10]。在機(jī)理模型方面,不同點(diǎn)火引燃方式提供的熱邊界條件也存在著明顯不同,以點(diǎn)源為主的點(diǎn)火藥引燃、激光點(diǎn)火、聚光點(diǎn)火和熱絲點(diǎn)火等屬于恒定熱流邊界條件[18],而固定床、管式沉降爐和平面火焰攜帶流等通常屬于恒定溫度邊界條件[19]。不同的點(diǎn)火引燃方法會(huì)對(duì)固體含能材料的點(diǎn)火燃燒過(guò)程產(chǎn)生明顯差異,進(jìn)而造成不同材料堆積形態(tài)的點(diǎn)火機(jī)理與點(diǎn)火模型存在區(qū)別。因而,有必要對(duì)點(diǎn)火引燃方法進(jìn)行總結(jié)歸納,為固體含能材料點(diǎn)火燃燒的實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究提供參考。

固體含能材料的點(diǎn)火引燃過(guò)程是一個(gè)涉及熱量、質(zhì)量與動(dòng)量傳遞的復(fù)雜多相流反應(yīng)過(guò)程。通常固體含能材料在受到外部熱源輸入能量后,將發(fā)生加熱、熔化、蒸發(fā)等物理過(guò)程,同時(shí)伴隨著熱分解反應(yīng)、凝聚相反應(yīng)和氣相反應(yīng)等化學(xué)過(guò)程[20]。點(diǎn)火燃燒特性參數(shù)即反映出固體含能材料在點(diǎn)火引燃過(guò)程中由緩慢氧化反應(yīng)迅速過(guò)渡到劇烈自動(dòng)加速反應(yīng)過(guò)程的特性規(guī)律,同時(shí)也表現(xiàn)出該種燃料顆粒的點(diǎn)火難易程度、燃燒穩(wěn)定性和燃燒速度等點(diǎn)火燃燒性能。例如,點(diǎn)火能量閾值、臨界點(diǎn)火距離和點(diǎn)火概率等反映了點(diǎn)火的難易程度[21],可用于固體含能材料儲(chǔ)存、運(yùn)輸及燃燒釋能的臨界判據(jù),而點(diǎn)火溫度、點(diǎn)火概率和點(diǎn)火延遲時(shí)間等則反映了點(diǎn)火引燃方法對(duì)固體含能材料的可靠性[22]。

本文綜述了固體含能材料點(diǎn)火引燃技術(shù)的研究進(jìn)展,首先列表對(duì)主要的點(diǎn)火引燃方法進(jìn)行總結(jié)歸納,然后針對(duì)各種方法討論了點(diǎn)火引燃技術(shù)的工作機(jī)理、性能特點(diǎn)以及其在點(diǎn)火燃燒基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用,最后討論了點(diǎn)火引燃技術(shù)的前景展望。通過(guò)總結(jié)歸納不同類(lèi)型點(diǎn)火引燃技術(shù),聚焦于固體含能材料,有助于促進(jìn)固體含能材料在點(diǎn)火燃燒基礎(chǔ)研究方向進(jìn)行更加深入且廣泛的科學(xué)研究與技術(shù)應(yīng)用。

1 點(diǎn)火引燃方法概述

目前,針對(duì)固體含能材料的點(diǎn)火引燃方法眾多,其中點(diǎn)火藥引燃方法是實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的一種方法,激光點(diǎn)火和微波點(diǎn)火因具有升溫速率快且可控性高等特點(diǎn)而發(fā)展?jié)摿薮?激波點(diǎn)火可滿足超快加熱速率的需要,聚光點(diǎn)火可實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的控制,電能點(diǎn)火具有多種電學(xué)效應(yīng)且可集成控制,而熱氣流點(diǎn)火可實(shí)現(xiàn)對(duì)高離散性單顆粒的點(diǎn)火引燃。點(diǎn)火引燃方法的選取需將材料特性與方法特點(diǎn)進(jìn)行匹配,綜合考慮點(diǎn)火機(jī)理、升溫速率、堆積形態(tài)等材料特性,以及系統(tǒng)復(fù)雜度、穩(wěn)定性與集成難度等技術(shù)性能。

根據(jù)不同的點(diǎn)火機(jī)理與能量來(lái)源,本文將點(diǎn)火引燃方法劃分為基于化學(xué)能引燃、光能激發(fā)、電磁波、高壓沖擊波、電能激發(fā)以及氣固流動(dòng)換熱等6種能量激勵(lì)方式。基于不同方法的點(diǎn)火引燃技術(shù)具有可控性、可靠性、可持續(xù)輸出與可量化的特點(diǎn),這與固體燃料受外界刺激所發(fā)生的偶然著火燃燒存在明顯區(qū)別。表1為不同點(diǎn)火引燃方法匯總,下面將對(duì)基于上述6種方法的點(diǎn)火引燃技術(shù)在固體含能材料基礎(chǔ)研究方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

表1 固體含能材料的不同點(diǎn)火引燃方法Table 1 Comparison of different ignition technologies for solid energetic materials

2 點(diǎn)火引燃技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 基于化學(xué)能引燃的點(diǎn)火引燃技術(shù)

點(diǎn)火藥引燃技術(shù)是目前固體含能材料工程化應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)點(diǎn)火引燃技術(shù),其是在外界初始激勵(lì)作用下,通過(guò)快速燃燒化學(xué)反應(yīng)釋放出大量的熱、氣體和灼熱的固體殘?jiān)?進(jìn)而引燃火藥、炸藥與固體推進(jìn)劑等其他含能材料[23]。點(diǎn)火藥在性能上需保證產(chǎn)生足夠的熔融態(tài)固體顆粒與適當(dāng)程度的高溫高壓氣體兩方面的技術(shù)要求[12]。點(diǎn)火藥對(duì)主裝含能材料的點(diǎn)傳火過(guò)程是基于燃燒化學(xué)反應(yīng)與熱傳遞的點(diǎn)火引燃過(guò)程,根據(jù)點(diǎn)傳火過(guò)程的不同,可將該類(lèi)技術(shù)的點(diǎn)火機(jī)理分為固相熱點(diǎn)火、氣相點(diǎn)火與非均相點(diǎn)火3種理論[24]。該方法具有需進(jìn)行材料制備,點(diǎn)火藥配方可根據(jù)主裝藥性能要求進(jìn)行調(diào)節(jié)與適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

根據(jù)主裝藥的點(diǎn)火性能要求不同,可將點(diǎn)火藥劃分為常規(guī)點(diǎn)火藥與高能點(diǎn)火藥。其中,黑火藥在人類(lèi)歷史中被長(zhǎng)期應(yīng)用,也是目前武器軍用與民用煙花中廣泛采用的點(diǎn)火藥。高能點(diǎn)火藥常被用于鈍感或難以點(diǎn)火的固體推進(jìn)劑,包括硼/硝酸鉀(B/KNO3)、鎂/聚四氟乙烯(Mg/PTFE)、硅/四氧化三鉛(Si/Pb3O4)和鈦/高氯酸鉀(Ti/KClO4)等混合藥劑[25]。

土耳其ROKETSAN導(dǎo)彈火箭中心的Koc等[26]研究了硼顆粒粒度對(duì)B/KNO3點(diǎn)火藥性能的影響。結(jié)果表明,與含微米硼的點(diǎn)火藥性能相比,含納米硼的點(diǎn)火藥具有更高的燃燒熱值與增壓速率,且點(diǎn)火藥本身的點(diǎn)火延遲時(shí)間更短,但相對(duì)應(yīng)的機(jī)械感度更高,并且對(duì)峰值壓力影響并不顯著。

美國(guó)陸軍武器研究發(fā)展工程中心的Rozumov等[49]針對(duì)火炮槍械系統(tǒng)的點(diǎn)火藥進(jìn)行了研發(fā),其將奔奈藥與硝化纖維/硼/硝酸鉀(NC/B/KNO3)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明,NC/B/KNO3具有更短的壓力峰值時(shí)間,并且點(diǎn)火延遲時(shí)間與輸出能量具有很好的改善。

南京理工大學(xué)的鄧寒玉等[50]研究了真空環(huán)境下黑火藥對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能,其將陣列式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)放置于真空罐中,測(cè)試獲取了不同點(diǎn)火位置和黑火藥質(zhì)量下的點(diǎn)火壓力曲線和羽流情況。結(jié)果表明,對(duì)于前段點(diǎn)火試驗(yàn)樣機(jī),不同黑火藥質(zhì)量下到達(dá)壓強(qiáng)峰值的時(shí)間均為5ms左右,而對(duì)于尾部點(diǎn)火試驗(yàn)樣機(jī),壓強(qiáng)峰值時(shí)間受黑火藥質(zhì)量影響較大;真空環(huán)境下,試驗(yàn)樣機(jī)的點(diǎn)火燃?xì)饬髁坎环€(wěn)定導(dǎo)致羽流擴(kuò)張角出現(xiàn)明顯波動(dòng),即黑火藥呈現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒。

航天動(dòng)力技術(shù)研究院的王金華等[27]采用黑火藥作為點(diǎn)火藥對(duì)多個(gè)型號(hào)的雙基推進(jìn)劑固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)研究,其采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算點(diǎn)火藥質(zhì)量,并設(shè)計(jì)了圖1所示的點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式適用于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī),而對(duì)于小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),應(yīng)將能量損失系數(shù)修正為0.7以改善固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能。

圖1 用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火器[27]Fig.1 Schematic diagram of igniter used for solid rocket motor

北京理工大學(xué)的焦清介等[51]探究了鋁錳合金點(diǎn)火藥的燃燒性能與安定性,其將金屬粉的活化能作為點(diǎn)火性能判據(jù),結(jié)果表明,鋁錳合金粉活化能比相同粒度鋁粉低14.4kJ/mol,即前者更易著火;與錳粉點(diǎn)火藥相比,鋁錳合金點(diǎn)火藥的燃燒峰壓、增壓速率和平均質(zhì)量燃速更高,即該種點(diǎn)火藥的性能最為優(yōu)異。

沈陽(yáng)理工大學(xué)的梁杰等[52]針對(duì)含金屬粉點(diǎn)火藥的吸濕性進(jìn)行了研究,其測(cè)試了分別含鎂、鋁和鋯3種金屬粉點(diǎn)火藥的吸濕率,并在密閉爆發(fā)器內(nèi)測(cè)試了潮濕環(huán)境中3種點(diǎn)火藥的壓力特性。結(jié)果表明,鎂點(diǎn)火藥會(huì)受到潮濕環(huán)境的嚴(yán)重影響,潮濕環(huán)境下點(diǎn)火燃燒壓力下降89%～94%;鋯點(diǎn)火藥和鋁點(diǎn)火藥吸濕不明顯,潮濕環(huán)境下壓力分別下降5.6%～11.4%與0.2%～5%。

根據(jù)上述研究報(bào)道,基于點(diǎn)火藥的點(diǎn)火引燃是目前實(shí)際應(yīng)用中一種重要的點(diǎn)火方法?？梢钥闯?相關(guān)研究主要集中在對(duì)點(diǎn)火藥配方進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,使得壓力峰值時(shí)間縮短、輸出能量特性提高以及使用儲(chǔ)存更加安全可靠等方面,即高能鈍感是點(diǎn)火藥發(fā)展的主要方向。然而,實(shí)際應(yīng)用時(shí),點(diǎn)火藥的性能、配方以及質(zhì)量等都偏向于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式,缺乏可直接用于設(shè)計(jì)選型的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)缺乏從點(diǎn)傳火機(jī)理上對(duì)主裝藥點(diǎn)火過(guò)程的精準(zhǔn)控制。因而,未來(lái)有必要針對(duì)高能低感點(diǎn)火藥進(jìn)一步開(kāi)展系統(tǒng)研究以提高點(diǎn)火藥設(shè)計(jì)水準(zhǔn)與實(shí)現(xiàn)引燃過(guò)程的定量準(zhǔn)確控制。

2.2 基于光能激發(fā)的點(diǎn)火引燃技術(shù)

2.2.1 激光點(diǎn)火

激光點(diǎn)火也是目前應(yīng)用廣泛且發(fā)展?jié)摿薮蟮囊活?lèi)固體含能材料點(diǎn)火引燃技術(shù),具有點(diǎn)火溫度高、升溫速率快、點(diǎn)火時(shí)間和能量可控、抗干擾能力強(qiáng)和安全性高等特點(diǎn)。激光點(diǎn)火是將受激輻射放大的激光能量作為點(diǎn)源或者線性源作用在固體顆粒表面,以平移、轉(zhuǎn)動(dòng)或者振動(dòng)等單一或多種方式增加顆粒表面的動(dòng)力學(xué)能量,從而使顆粒中的分子鍵斷裂或發(fā)生化學(xué)反應(yīng),進(jìn)而引發(fā)著火燃燒的一種技術(shù)手段[53]。

根據(jù)激光與固體燃料相互作用的機(jī)理不同,可以將激光點(diǎn)火機(jī)理分為激光熱電火、激光誘導(dǎo)光化學(xué)點(diǎn)火、激光誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火與激光的沖擊起爆作用等[29],以固體含能材料為主的固體燃料激光點(diǎn)火機(jī)理為熱電火,光化學(xué)作用要求材料對(duì)激光波長(zhǎng)具有很強(qiáng)選擇性,等離子體點(diǎn)火要求激光功率密度達(dá)到約1010W/cm2的氣體等離子體擊穿閾值[54]。

20世紀(jì)60年代中期,美國(guó)能源部、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、瑞典國(guó)防研究局等率先開(kāi)展激光點(diǎn)火與激光起爆的技術(shù)研究[9],其目的就是要取代傳統(tǒng)的熱電阻與雷管引爆技術(shù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)武器安全性能的要求?，F(xiàn)有用于固體燃料顆粒的激光器包括固體激光器、半導(dǎo)體激光器和氣體激光器,其中固體激光器有Nd∶YAG激光器,其輸出功率可達(dá)250MW且適用于炸藥的點(diǎn)火起爆研究;半導(dǎo)體激光器包括二極管激光器(Laser diodes,簡(jiǎn)稱LD)和發(fā)光二極管激光器(LED激光器),出光功率可實(shí)現(xiàn)0.5～50W且光束質(zhì)量高,適用于煙火藥和推進(jìn)劑的點(diǎn)火研究;目前應(yīng)用最為廣泛的氣體激光器包括CO2激光器和氦氖激光器等,由于價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,功率通常為0.5mW～50W,常用于實(shí)驗(yàn)室中對(duì)固體含能材料的研究[55]。此外,根據(jù)工作狀態(tài)的不同,可以將激光器劃分為連續(xù)激光器和脈沖激光器,前者可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定持續(xù)輸出,并且激光激勵(lì)過(guò)程中各能級(jí)粒子數(shù)和輻射場(chǎng)均保持穩(wěn)定分布,而后者單個(gè)激光脈沖寬度小于0.25s且間隔輸出,通常具有較大輸出功率[56]。

固體含能材料點(diǎn)火引燃的基礎(chǔ)研究已有大量文獻(xiàn)報(bào)道。Brish等[57]較早于1969年對(duì)采用激光引燃和起爆黑索今(RDX)和奧克托今(HMX)等含能材料的點(diǎn)火爆炸反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析。美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心的Gross等[20]針對(duì)HMX激光點(diǎn)火過(guò)程建立了瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)一維數(shù)值模型,其假設(shè)瞬態(tài)模型中點(diǎn)火過(guò)程發(fā)生于氣相部分并在火焰產(chǎn)生后回傳至HMX表面,即點(diǎn)火時(shí)存在“火焰反彈效應(yīng)”,并考慮了凝聚相的輻射傳熱、固相熔融、汽化蒸發(fā)和半全局分解動(dòng)力學(xué),最終模擬值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較具有較好的一致性。

美國(guó)新澤西理工學(xué)院的Mohan和Dreizin等[30, 58]對(duì)微米級(jí)多分散含鋁顆粒氣溶膠的激光點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了理論計(jì)算、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究。圖2所示為所采用的激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)平臺(tái),主要包括了升溫速率為106K/s的CO2激光器和用于實(shí)現(xiàn)氣溶膠霧化的平行板電容器。結(jié)果表明,激光光束與微細(xì)顆粒之間的相互作用取決于顆粒尺寸,當(dāng)金屬顆粒粒徑約為3.37μm時(shí),金屬顆粒與激光的相互作用最為強(qiáng)烈。同時(shí),其考慮熱平衡和簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,獲取了不同氧化氣氛和不同氣體流速下金屬鋁單顆粒的激光點(diǎn)火功率閾值和放熱反應(yīng)的Arrhenius動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

圖2 多分散含鋁顆粒氣溶膠的激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[58]Fig.2 Experimental platform of laser ignition for polydisperse aluminum-containing aerosol

法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的Shafirovich和Sarou-Kanian等[59-61]分別將激光點(diǎn)火與電動(dòng)懸浮相結(jié)合,研究了粒徑為微米級(jí)別呈單顆粒狀態(tài)的鋁顆粒、鎂顆粒、鈦顆粒和鎳包覆鋁顆粒等金屬顆粒的點(diǎn)火燃燒特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎂顆粒在CO2氣氛中的激光點(diǎn)火引燃行為存在明顯的臨界分壓,而鋁顆粒在CO2氣氛中點(diǎn)火概率低且點(diǎn)火燃燒行為與壓力無(wú)關(guān)。此外,鎳包覆鋁顆粒的表面包覆層可以顯著降低激光加熱鋁顆粒的點(diǎn)火延遲時(shí)間和鋁顆粒引燃時(shí)的臨界點(diǎn)火溫度。

北京理工大學(xué)的石保祿等[15]研究了亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合物(MIC)的激光點(diǎn)火行為,結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于表面包覆鎳和磷雙涂層的微米鋁顆粒,較高磷含量的MIC材料在復(fù)合推進(jìn)劑中具有較短的點(diǎn)火延遲時(shí)間。

杭州電子科技大學(xué)的黃雪峰等[62-64]采用激光點(diǎn)火結(jié)合光懸浮技術(shù),研究了微納米尺度呈單顆粒狀態(tài)的碳粉、鋁顆粒、鎂顆粒和鋁鎂鋯合金顆粒等固體燃料顆粒的點(diǎn)火燃燒特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn),懸浮靜止空氣流狀態(tài)下,碳粉點(diǎn)火功率約為9.0mW且點(diǎn)火延遲時(shí)間為ms量級(jí),而納米鋁顆粒點(diǎn)火功率約為28.7mW且點(diǎn)火延遲時(shí)間為μs量級(jí)。

浙江大學(xué)的苑繼飛等[65]采用功率連續(xù)可調(diào)CO2激光器開(kāi)展了Al/AP/HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑的點(diǎn)火燃燒實(shí)驗(yàn),研究了鋁顆粒在近燃面區(qū)域的團(tuán)聚形態(tài)與過(guò)程。圖3所示為激光點(diǎn)火系統(tǒng)的示意圖和實(shí)物照片。結(jié)果表明,鋁顆粒在固體推進(jìn)劑燃面形成團(tuán)聚體的過(guò)程包括堆積、聚集和團(tuán)聚3個(gè)階段;燒結(jié)鋁液滴在燃燒表面會(huì)發(fā)生破裂并噴出液態(tài)氧化鋁,這表明團(tuán)聚體具有非均質(zhì)組成特征;所統(tǒng)計(jì)400個(gè)鋁顆粒團(tuán)聚體的粒徑范圍為51～815μm,所統(tǒng)計(jì)176個(gè)鋁顆粒團(tuán)聚體的速度范圍為13～196cm/s,同時(shí)團(tuán)聚體的移動(dòng)速度隨粒徑的增大而逐漸減小。

圖3 用于固體推進(jìn)劑顆粒燃燒的激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖和實(shí)物照片[65]Fig.3 Schematic diagram and photo of the laser ignition platform for solid propellant

西安近代化學(xué)研究所的趙鳳起等[66]研究了兩種金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)對(duì)單質(zhì)含能材料六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)的激光點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ヌ卣?結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種MOFs可以有效降低CL-20點(diǎn)火功率閾值和點(diǎn)火延遲時(shí)間,并且火焰變得更為明亮。此外,國(guó)內(nèi)西安近代化學(xué)研究所也針對(duì)固體燃料單顆粒搭建了如圖4所示的激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)平臺(tái),重點(diǎn)針對(duì)以含能材料為主的固體燃料單顆粒開(kāi)展深入研究。

圖4 固體燃料單顆粒的激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Experimental platform of laser ignition for single particle

根據(jù)上述研究進(jìn)展,可以看出,激光點(diǎn)火在固體含能材料領(lǐng)域已展開(kāi)了廣泛且深入的研究工作,國(guó)外激光點(diǎn)火應(yīng)用較早,而國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚但發(fā)展迅速。目前,激光點(diǎn)火已在單顆粒、顆粒堆與藥柱等多種材料堆積形態(tài)開(kāi)展了相關(guān)研究。該類(lèi)技術(shù)已成為固體含能材料點(diǎn)火燃燒特性研究的常用方法,并且激光點(diǎn)火技術(shù)正朝著小型化光源、大功率光源、脈沖激光與多點(diǎn)激光點(diǎn)火等方向發(fā)展。此外,目前國(guó)內(nèi)仍然缺乏含能材料單顆粒的激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究、含能材料激光點(diǎn)火燃燒模型構(gòu)建以及多種激光誘導(dǎo)點(diǎn)火機(jī)制共同作用機(jī)理研究等方面內(nèi)容,后續(xù)工作可著重考慮這些問(wèn)題以使含能材料的激光點(diǎn)火研究更加深入。

2.2.2 聚光點(diǎn)火

聚光點(diǎn)火是將功率較大或瞬時(shí)功率極強(qiáng)的氙氣燈等光源作為點(diǎn)火熱源,同時(shí)通過(guò)光的幾何特性進(jìn)行傳輸和聚焦,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固體含能材料著火引燃的一種技術(shù)手段,因而也被稱之為光熱點(diǎn)火或氙燈點(diǎn)火。該類(lèi)技術(shù)具有可調(diào)節(jié)光路、點(diǎn)火溫度高、直流供電安全可靠與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),適合對(duì)高壓密閉燃燒室內(nèi)固體燃料顆粒的持續(xù)加熱[67]。根據(jù)氙燈光源特性,可以分為長(zhǎng)弧氙燈、超高壓短弧氙燈和脈沖氙燈,其中脈沖氙燈可實(shí)現(xiàn)極強(qiáng)的瞬時(shí)功率,其瞬時(shí)亮度可達(dá)1010～1011cd/m2,是目前除激光外的最亮光源[32]。

目前,聚光點(diǎn)火在以固體含能材料為主的固體燃料方面已有較多報(bào)道。國(guó)外更多關(guān)注特定固體材料在不同輻射波長(zhǎng)下的光敏特性或光誘導(dǎo)反應(yīng)特性所導(dǎo)致的點(diǎn)火現(xiàn)象。2002年,美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院的Ajayan等[68]首先發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管在閃光燈下發(fā)生點(diǎn)火現(xiàn)象。意大利薩倫托大學(xué)的Visconti等[69-70]采用氙燈閃光點(diǎn)火方式對(duì)含金屬納米顆粒的碳納米管進(jìn)行了光誘導(dǎo)點(diǎn)火特性的實(shí)驗(yàn)研究,并提出了光子吸收與電子轉(zhuǎn)移使材料發(fā)生自由基氧化反應(yīng),進(jìn)而發(fā)生點(diǎn)火燃燒的物理化學(xué)解釋。

美國(guó)普渡大學(xué)的Uhlenhake等[71]采用氙燈閃光點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)納米鋁顆粒與聚偏氟乙烯構(gòu)成的薄膜材料進(jìn)行了點(diǎn)火特性研究,結(jié)果表明,納米鋁顆粒的裝載量是控制點(diǎn)火能量閾值的主導(dǎo)因素;當(dāng)納米鋁顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%時(shí),所構(gòu)成的薄膜材料具有最低的點(diǎn)火能量,最小的氙燈點(diǎn)火能量為4.7J/cm2。

而國(guó)內(nèi)更加關(guān)注聚光輻射所產(chǎn)生的光熱效應(yīng)對(duì)不同固體含能材料點(diǎn)火燃燒特性的影響。浙江大學(xué)的劉建忠等[72]采用聚光升溫點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了0.1～1.3MPa壓力條件下呈顆粒堆形態(tài)的鋁粉與RDX機(jī)械混合物的點(diǎn)火燃燒特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn),較高的壓力有利于提高樣品的燃燒強(qiáng)度,但過(guò)高的壓力會(huì)限制燃燒火焰形貌的發(fā)展;當(dāng)壓力由常壓上升至1.3MPa時(shí),點(diǎn)火延遲時(shí)間由1004ms縮短至319.2ms;當(dāng)壓力從0.4MPa升高至1.3MPa時(shí),自維持燃燒時(shí)間由733.6ms縮短至560.8ms。

西安交通大學(xué)的閆治宇等[73]基于聚光點(diǎn)火平臺(tái)研究了含能材料RDX以顆粒堆形態(tài)堆積時(shí)的點(diǎn)火燃燒過(guò)程以及NO、OH等基團(tuán)濃度變化,結(jié)果表明,RDX的點(diǎn)火延遲時(shí)間為16.735s,而燃燒持續(xù)時(shí)間為355ms;整個(gè)RDX反應(yīng)過(guò)程分為吸熱、蒸發(fā)分解、著火燃燒及反應(yīng)結(jié)束4個(gè)階段,而NO存在明顯的兩階段生成規(guī)律,分別對(duì)應(yīng)熱分解過(guò)程與燃燒過(guò)程。

西安近代化學(xué)研究所的王曉峰等[34]研究了含能材料1,1′-二羥基-5,5′-聯(lián)四唑二羥胺鹽(TKX-50)在聚光作用下的點(diǎn)火反應(yīng)特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn),TKX-50整個(gè)燃燒反應(yīng)持續(xù)時(shí)間約為5.5s,經(jīng)歷熱解、點(diǎn)火燃燒與反應(yīng)結(jié)束3個(gè)階段;TKX-50在點(diǎn)火燃燒階段直接由固相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?并且火焰發(fā)出耀眼的橘黃色亮光,這與傳統(tǒng)含能材料RDX和AP等在熱解階段所發(fā)生固液熔融相變存在明顯區(qū)別。

國(guó)防科技大學(xué)的夏智勛等[33, 74-75]采用球型短弧氙燈點(diǎn)火加熱系統(tǒng)對(duì)硼顆粒、鎂顆粒和凝膠液滴等顆粒堆和大粒徑單液滴開(kāi)展了點(diǎn)火與燃燒過(guò)程的實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究,所采用的氙燈光束聚焦后可實(shí)現(xiàn)形成30mm光斑且升溫速率可達(dá)到500K/s,其建立了考慮斯蒂芬流和聚光點(diǎn)火的一維硼顆粒點(diǎn)火模型與考慮氧化層受力平衡和CO2氣氛的鎂顆粒點(diǎn)火模型。研究結(jié)果表明,聚團(tuán)硼顆粒的點(diǎn)火溫度比單顆粒硼低;采用鎂粉方式可以使聚團(tuán)硼顆粒的點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短,但對(duì)硼顆粒的點(diǎn)火溫度影響不大;采用光強(qiáng)匹配方法解決了燃燒過(guò)程中高光強(qiáng)難以觀測(cè)的問(wèn)題,并清晰觀察到CO2氣氛中鎂顆粒點(diǎn)火燃燒過(guò)程中發(fā)生的氧化層破裂后愈合、顆粒表面氧化物沉積、噴射火焰以及氧化層出現(xiàn)裂痕等典型現(xiàn)象。

此外,聚光點(diǎn)火在煤炭等固體燃料方面也有重要應(yīng)用。華中科技大學(xué)的李寒劍和胡松等[35, 76-77]利用聚光點(diǎn)火技術(shù)對(duì)壓型煤顆粒和壓型生物質(zhì)顆粒進(jìn)行了點(diǎn)火燃燒特性研究。圖5為其搭建的聚光光熱燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)為密封加壓腔室結(jié)構(gòu),采用高功率鹵鎢燈作為熱源,配置有稱重模塊、測(cè)溫模塊和配氣模塊。研究結(jié)果表明,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)4.0～69.4K/s寬范圍升溫速率調(diào)節(jié);隨著升溫速率的增加,煤顆粒的著火機(jī)理將由異相著火轉(zhuǎn)化為均相-異相著火,當(dāng)升溫速率達(dá)到52.4K/s時(shí)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為均相著火;煤顆粒的點(diǎn)火延遲時(shí)間與固相區(qū)溫度、煤種、氣相區(qū)溫度和氧濃度滿足數(shù)學(xué)方程關(guān)系。

基于上述研究情況,聚光點(diǎn)火已經(jīng)在包括碳納米材料、單質(zhì)含能材料、MIC、金屬顆粒等固體含能材料以及煤炭等固體燃料中有所應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外對(duì)該類(lèi)技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)有所不同,相比國(guó)外更多關(guān)注光敏材料的研發(fā),國(guó)內(nèi)利用聚光點(diǎn)火的光熱效應(yīng)在固體含能材料點(diǎn)火燃燒的基礎(chǔ)研究方面更為深入。聚光點(diǎn)火可以模擬實(shí)際環(huán)境中顆粒受到強(qiáng)光輻照的安全閾值特性,同時(shí)可通過(guò)改變光路來(lái)獲取連續(xù)光譜進(jìn)行加熱點(diǎn)火,但目前該類(lèi)技術(shù)因焦點(diǎn)較大且亮度掩蓋燃燒火焰等原因尚未應(yīng)用于微納米尺度的單顆粒,同時(shí)在點(diǎn)火燃燒機(jī)理方面仍然缺少光壓效應(yīng)、光熱效應(yīng)以及其他因光照輻射效應(yīng)等耦合作用的分析報(bào)道。

2.3 基于電磁波的點(diǎn)火引燃技術(shù)

微波點(diǎn)火是通過(guò)頻率300MHz～300GHz或波長(zhǎng)1mm～1m電磁波對(duì)固體含能材料進(jìn)行加熱,并根據(jù)不同材料對(duì)微波所具有的透射、反射與吸收等選擇性作用,使物質(zhì)內(nèi)部或表面升溫進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火燃燒的技術(shù)手段[78]。微波在現(xiàn)代社會(huì)中常用于通信系統(tǒng)和食品工程,而微波點(diǎn)火主要利用微波的熱效應(yīng)、穿透性和選擇性加熱等特性對(duì)固體含能材料進(jìn)行升溫點(diǎn)火,該類(lèi)技術(shù)具有加熱效率高、高度定向加熱、整體性加熱與選擇性加熱等優(yōu)異特性。圖6為微波加熱原理,即材料內(nèi)部的極性分子或官能團(tuán)在微波高頻電場(chǎng)作用下發(fā)生每秒數(shù)十億次的反復(fù)偶極子轉(zhuǎn)向極化而摩擦生熱[36],其中水、碳材料等可吸收微波,玻璃、塑料、陶瓷等可使微波穿透,金屬等可使微波發(fā)射而使加熱通常發(fā)生于金屬表面[39]。

國(guó)外針對(duì)微波加熱與點(diǎn)火方面的研究開(kāi)展較早,并且針對(duì)微波點(diǎn)火的技術(shù)設(shè)計(jì)與點(diǎn)火機(jī)理研究較為系統(tǒng)。三硝基甲苯(TNT)等單質(zhì)含能材料對(duì)微波呈透射作用,通常在其中加入碳材料作為吸波材料以強(qiáng)化單質(zhì)含能材料的微波點(diǎn)火特性。德州理工大學(xué)的Pantoys等[38]研究了碳納米管、球形碳粉、納米金剛石顆粒、片狀納米石墨烯和片狀微米石墨烯等5種碳添加劑與TNT構(gòu)成復(fù)合材料后對(duì)微波吸收特性的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)將各種添加劑按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%與TNT進(jìn)行復(fù)合,并采用微波諧振腔體將混合材料完全暴露在1.7GHz微波中60s。結(jié)果表明,碳材料殼體形狀對(duì)微波加熱具有重要影響,其中球形碳粉幾乎沒(méi)有吸波受熱,而管狀和片狀碳顆粒吸收微波能量后引起了TNT基材的熔化;納米厚度的片狀石墨烯具有更好的熱傳導(dǎo)性,有效增強(qiáng)了復(fù)合材料整體的傳熱效果。

金屬顆粒具有導(dǎo)電性,但同時(shí)對(duì)微波呈現(xiàn)反射特性,將金屬與非金屬相結(jié)合形成復(fù)合材料可以改善材料的吸波性能,因而采用微波點(diǎn)火方式對(duì)MIC進(jìn)行點(diǎn)火燃燒是目前研究的熱點(diǎn)。以色列特拉維夫大學(xué)的Jerby和Meir[37]基于約100W低功率微型固體微波鉆開(kāi)展了鋁熱劑Al/Fe3O4的局部點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),并探究了點(diǎn)火過(guò)程中的熱-電磁耦合相互作用機(jī)理,結(jié)果發(fā)現(xiàn),鋁熱劑在微波3s連續(xù)發(fā)射情況下實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火,顯著縮短了鋁熱劑的點(diǎn)火作用時(shí)間。

美國(guó)加州大學(xué)河濱分校的Zachariah等[80-81]基于微波點(diǎn)火探針和金屬3D打印開(kāi)展了納米鈦顆粒對(duì)納米鋁熱劑Al/PVDF的局部微波點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),并研究了含納米鈦復(fù)合材料的點(diǎn)火機(jī)理,其采用噴墨直寫(xiě)技術(shù)將納米鈦和納米鋁分別與PVDF復(fù)合形成Ti/PVDF和Al/PVDF薄膜,采用微波點(diǎn)火探針對(duì)薄膜材料進(jìn)行點(diǎn)火,微波頻率為2.45GHz且功率為15W。如圖7所示,結(jié)果表明Al/PVDF薄膜暴露于微波下30s無(wú)法被點(diǎn)燃,而微波可輕易點(diǎn)燃納米鈦顆粒與質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為65%的Ti/PVDF薄膜;Ti/PDVF復(fù)合材料在微波輻射下的點(diǎn)火是由加熱速率和燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制的,同時(shí)溫度的升高對(duì)該材料的點(diǎn)火延遲時(shí)間并無(wú)影響。

圖7 微波點(diǎn)火探針作用于Al/PVDF和Ti/PVDF薄膜后的點(diǎn)火效果[81]Fig.7 Effects of microwave ignition probe on Al/PVDF films and Ti/PVDF films

國(guó)內(nèi)在微波點(diǎn)火技術(shù)方面也逐步開(kāi)展了相應(yīng)研究并將該種點(diǎn)火引燃方法應(yīng)用于固體含能材料。電子科技大學(xué)的岳亞楠和涂兆正等[82-83]分別對(duì)含能材料的微波點(diǎn)火裝置開(kāi)展了研發(fā)工作,前者考慮到黑火藥的介電常數(shù)較低即吸波性能較差,因而設(shè)計(jì)微波腔體內(nèi)小錐臺(tái)結(jié)構(gòu),進(jìn)而有效增強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度并降低腔體擊穿閾值,后者基于微波的同軸諧振原理設(shè)計(jì)了3款用于點(diǎn)火的腔體結(jié)構(gòu),分別為無(wú)探針、單探針和多探針結(jié)構(gòu),以滿足整體加熱、單點(diǎn)點(diǎn)火和多點(diǎn)點(diǎn)火的需求。

此外,微波點(diǎn)火也可用于煤炭顆粒的點(diǎn)火燃燒。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙廣播和周偉等[84-86]采用微波點(diǎn)火方式對(duì)無(wú)煙煤等低揮發(fā)分煤種進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬,其采用腔體型反應(yīng)器對(duì)固體燃料顆粒進(jìn)行加熱點(diǎn)火。結(jié)果表明,微波誘導(dǎo)等離子體放電點(diǎn)火的燃燒產(chǎn)物中CO2所占比例明顯高于與單獨(dú)采用微波點(diǎn)火方式后燃燒產(chǎn)物中CO2比例,前者為84.6%而后者為73.2%,表明微波誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火方式比單獨(dú)微波點(diǎn)火方式能夠更有效促進(jìn)無(wú)煙煤完全燃燒。

根據(jù)上述研究進(jìn)展可以看出,隨著吸波材料和點(diǎn)火系統(tǒng)的不斷研發(fā),微波點(diǎn)火已逐漸在MIC、含碳含能材料和煤炭等固體燃料方面進(jìn)行了應(yīng)用。國(guó)外對(duì)微波點(diǎn)火在固體含能材料方面的基礎(chǔ)研究更為全面且深入,而國(guó)內(nèi)在微波點(diǎn)火裝置研發(fā)、吸波材料制備與表征以及含能材料的微波點(diǎn)火基礎(chǔ)研究方面仍然研究較少。此外,除直接加熱物體以外,微波還具有誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子的作用,通過(guò)等離子體方式對(duì)固體含能材料點(diǎn)火也是微波點(diǎn)火技術(shù)的重要組成部分,這種誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體進(jìn)而引燃固體含能材料的方式是否對(duì)燃燒效率與點(diǎn)火性能等有所改善,這方面也值得深入探討研究。

2.4 基于高壓沖擊波的點(diǎn)火引燃技術(shù)

激波點(diǎn)火,亦稱為激波管點(diǎn)火或沖擊波點(diǎn)火,是采用激波管裝置通過(guò)高壓氣體膨脹做功方式,通過(guò)入射激波和反射激波對(duì)反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行均勻非等熵壓縮,使固體含能材料在瞬間受到高溫高壓氣體沖擊進(jìn)而發(fā)生點(diǎn)火引燃。激波點(diǎn)火是研究以固體含能材料為主的固體燃料顆粒在沖擊波和爆轟過(guò)程中能量傳遞及點(diǎn)火燃燒特性的一類(lèi)重要技術(shù)手段[87]。圖8為典型的可用于固體顆粒、霧滴及氣溶膠等的激波管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該裝置由高壓驅(qū)動(dòng)氣體段和低壓從動(dòng)氣體段兩部分組成,中間采用聚酯薄膜隔開(kāi),同時(shí)低壓從動(dòng)氣體段端部放置有待點(diǎn)火燃燒的固體含能材料及布置有相應(yīng)的壓力測(cè)量與高速攝像等測(cè)量部件;當(dāng)薄膜在高壓氣體擠壓下發(fā)生破裂,高壓氣體瞬間膨脹到達(dá)激波管端部,引起固體含能材料快速升溫進(jìn)而發(fā)生點(diǎn)火燃燒。激波點(diǎn)火的特點(diǎn)是具有超快加熱速率[40],非常適合對(duì)云團(tuán)懸浮狀態(tài)的顆粒、霧滴與氣溶膠進(jìn)行點(diǎn)火引燃,可用于探究云爆彈的燃燒傳遞[88]、粉末沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴管處燃燒[41]以及再入飛行器的材料熱蝕特性[89]等軍事和航天領(lǐng)域的固體含能材料點(diǎn)火燃燒特性。

圖8 固體燃料顆粒激波點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖[16]Fig.8 Experimental platform of shock wave ignition for solid fuel particles

目前,激波點(diǎn)火在固體含能材料基礎(chǔ)研究方面已有較多報(bào)道。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校的Bazyn等[90-92]采用激波點(diǎn)火研究了粒徑5～10μm氫化鋁顆粒和粒徑5～40μm鋁顆粒在不同氧化劑氣氛下的點(diǎn)火燃燒特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),氫化鋁顆粒的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中,氫在遠(yuǎn)低于鋁顆粒點(diǎn)火溫度下發(fā)生解析,即氫化鋁氧化過(guò)程包括快速脫氫和鋁顆粒燃燒兩個(gè)主要部分;鋁顆粒的燃燒時(shí)間在氧氣中隨壓力增加而急劇降低,而在水蒸氣和CO2氣氛下燃燒時(shí)間隨壓力增加略微增加,表明鋁顆粒在氧氣中發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)。

法國(guó)圣路易研究所的Schl?ffel等[93]研究了粒徑5μm金屬鋁顆粒的激光點(diǎn)火行為,并采用惰性氣體氬氣作為高壓驅(qū)動(dòng)氣體以探究沖擊作用的單獨(dú)效果。結(jié)果表明,即使在Al2O3揮發(fā)溫度以下且無(wú)氣態(tài)氧存在的情況下,仍然能夠探測(cè)到AlO分子并且激波在經(jīng)過(guò)顆粒后立即發(fā)出強(qiáng)烈亮光,證明了激波的沖擊作用對(duì)金屬鋁顆粒的點(diǎn)火燃燒反應(yīng)機(jī)制具有重要的影響。

韓國(guó)忠南大學(xué)的Shin等[16]采用激波管研究了納米鎳包覆鋁顆粒的點(diǎn)火燃燒特性。結(jié)果表明,具有鎳包覆鋁顆粒的點(diǎn)火延遲時(shí)間為1334.3μs,明顯低于純金屬鋁顆粒的1818.8μs,并且點(diǎn)火延遲時(shí)間隨樣品中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。

北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的洪滔等[94-95]較早于2002年左右針對(duì)激波作用下鋁顆粒的點(diǎn)火機(jī)制進(jìn)行了探索分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),鋁顆粒的激波點(diǎn)火與顆粒尺寸、氧化物厚度以及入射激波強(qiáng)度相關(guān),并且鋁顆?？梢栽谶h(yuǎn)低于Al2O3熔點(diǎn)的溫度范圍被點(diǎn)火。

中國(guó)工程物理研究院的胡棟等[87, 96]采用激波管對(duì)鋁、硝基甲烷、TATB等多種含能材料的快速反應(yīng)特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)了許多微觀層面含能材料反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)激波馬赫數(shù)大于5.6時(shí),激波后溫度高于2100K,此時(shí)鋁粉的點(diǎn)火延遲時(shí)間明顯比低于2100K工況時(shí)的點(diǎn)火延遲時(shí)間少;當(dāng)溫度高于2100K時(shí),鋁顆粒表面氧化層熔化(Al2O3熔點(diǎn)約2300K)使鋁發(fā)生點(diǎn)火;而當(dāng)溫度低于2100K時(shí),由于熱應(yīng)力作用氧化層破碎而使鋁顆粒點(diǎn)火。

重慶大學(xué)的梁金虎等[97]基于激波管對(duì)不同粒徑鋁粉在不同氧化氛圍中的點(diǎn)火燃燒特性進(jìn)行了研究,其采用的鋁粉粒徑為50nm、200nm和6μm,所采用的氧化氛圍為O2、CO2和H2O。結(jié)果表明,3種氣氛下50nm和200nm鋁顆粒以及O2氣氛下6μm鋁顆粒的點(diǎn)火燃燒屬于動(dòng)力學(xué)控制過(guò)程,而6μm鋁顆粒在CO2和H2O氣氛下的點(diǎn)火燃燒屬于擴(kuò)散控制過(guò)程。

天津大學(xué)的鄂秀天鳳等[98]采用霧化激波管探究了添加納米鋁顆粒的高密度懸浮燃料的點(diǎn)火燃燒性能。圖9為其采用壓力傳感器和光電倍增管得到的壓力曲線和OH自由基發(fā)射率曲線,其定義點(diǎn)火延遲時(shí)間為OH自由基發(fā)射率到達(dá)峰值的時(shí)間。結(jié)果表明,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%納米鋁顆粒后可使HD-01和四環(huán)庚烷兩種高密度液體碳?xì)淙剂系狞c(diǎn)火延遲時(shí)間縮短50%,并使燃燒火焰更加明亮且實(shí)驗(yàn)后激波管內(nèi)無(wú)固體沉積。

圖9 激波點(diǎn)火過(guò)程中的壓力曲線與OH發(fā)射率曲線[98]Fig.9 Curves of pressure and OH emissivity during shock wave ignition

根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容,激波點(diǎn)火已在固體含能材料方面有所應(yīng)用,通過(guò)激波管結(jié)合高速攝像、光纖光譜儀等測(cè)試設(shè)備,可以快速定量地獲取固體燃料顆粒的點(diǎn)火燃燒特性。然而,目前公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道主要針對(duì)鋁顆粒等高活性金屬顆粒的激波點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行研究,而對(duì)于RDX、HMX和CL-20等單質(zhì)含能材料的快速反應(yīng)特性缺乏點(diǎn)火燃燒特性方面的基礎(chǔ)研究報(bào)道,同時(shí)在點(diǎn)火燃燒過(guò)程中激波面與顆粒之間氣固兩相流動(dòng)過(guò)程也需要進(jìn)一步的研究與認(rèn)識(shí)。

2.5 基于電能激發(fā)的點(diǎn)火引燃技術(shù)

基于電能激發(fā)的點(diǎn)火引燃方法是將電能作為能量來(lái)源,通過(guò)電能所產(chǎn)生的感應(yīng)渦流效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、電弧放電、等離子體等轉(zhuǎn)換為熱效應(yīng)或降低燃燒反應(yīng)活化能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固體含能材料的點(diǎn)火引燃。該類(lèi)方法一般具有較為復(fù)雜的裝置設(shè)計(jì),但同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、可控性強(qiáng)與集成度高等特點(diǎn)?；陔娔芗ぐl(fā)所集成制造的點(diǎn)火器與引信也是目前實(shí)際工程中所廣泛應(yīng)用的重要裝置[99]。

俄羅斯托木斯克理工大學(xué)的Glushkov等[42]采用電感線圈加熱金屬基底以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱點(diǎn)火的方式,研究了陶瓷表面粗糙度對(duì)非金屬化和金屬化的凝膠燃料顆粒點(diǎn)火燃燒性能的影響。圖10為其采用的點(diǎn)火燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。結(jié)果表明,當(dāng)陶瓷表面積增量不超過(guò)1.6%時(shí),表面粗糙度不會(huì)影響凝膠燃料的最低點(diǎn)火溫度,而當(dāng)表面粗糙度貢獻(xiàn)的表面積增加到6.3%與8.2%時(shí),凝膠燃料的最低點(diǎn)火溫度分別增加了10℃和20℃;通過(guò)改變陶瓷表面粗糙度,可以在±35%的相當(dāng)大范圍內(nèi)控制凝膠燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的孫金華等[44]采用高壓靜電點(diǎn)火方式對(duì)鋁顆粒云團(tuán)中火焰燃燒與傳播過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,其所采用的點(diǎn)火系統(tǒng)包括一對(duì)電極和可輸出15000V高電壓的霓虹燈變壓器。結(jié)果發(fā)現(xiàn),鋁顆粒云團(tuán)火焰由約3mm厚的預(yù)熱區(qū)和5～7mm厚的燃燒區(qū)兩部分組成;在鋁顆粒云團(tuán)的燃燒區(qū),每個(gè)鋁顆粒周?chē)捎^察到呈離散狀態(tài)的氣相火焰。

國(guó)防科技大學(xué)的黃利亞等[43]基于鎳鉻電阻絲進(jìn)行直流供電后產(chǎn)生的焦耳效應(yīng),研究了電熱絲加熱后毫米尺度金屬鎂單顆粒在加壓水蒸氣環(huán)境中的點(diǎn)火燃燒過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn),氣相氧化鎂在鎂單顆粒表面出現(xiàn)冷凝,且燃燒后產(chǎn)物呈現(xiàn)為一種無(wú)序氧化鎂晶體的多孔氧化殼狀形態(tài)。

西安交通大學(xué)的邱愛(ài)慈等[45, 100]研究了銅絲電爆炸所產(chǎn)生等離子體對(duì)含能材料混合藥柱引燃起爆的驅(qū)動(dòng)特性,其將銅絲包覆于藥柱軸心處,并連接在平行板電容器兩端構(gòu)成引燃系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)時(shí)采用快脈沖電流驅(qū)動(dòng)使銅絲產(chǎn)生電爆炸現(xiàn)象并同時(shí)釋放出等離子體,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)藥柱的點(diǎn)火引燃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)引燃系統(tǒng)的儲(chǔ)能較低時(shí),銅絲存在最優(yōu)參數(shù)以使其對(duì)藥柱的引燃效果最佳,而當(dāng)系統(tǒng)儲(chǔ)能較高時(shí),銅絲直徑等參數(shù)對(duì)藥柱引燃的影響不顯著。

根據(jù)上述研究報(bào)道可以看出,基于電能激發(fā)的點(diǎn)火引燃方法具有多種電學(xué)效應(yīng),可將電能向材料表面?zhèn)鬟f以實(shí)現(xiàn)固體含能材料在分子層面的燃燒化學(xué)反應(yīng),這也是一類(lèi)較為龐大且點(diǎn)火機(jī)制復(fù)雜的點(diǎn)火引燃技術(shù)。該類(lèi)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)線電通信、電能激發(fā)與含能材料等多學(xué)科交叉,具有較為廣闊的應(yīng)用前景,但目前基于電能引燃固體含能材料的眾多點(diǎn)火機(jī)制尚未完全清晰,各種機(jī)制對(duì)含能材料的作用機(jī)理與主導(dǎo)效果依然缺乏系統(tǒng)研究。因而,在該類(lèi)技術(shù)領(lǐng)域有必要基于解耦方法開(kāi)展不同類(lèi)型單一機(jī)制對(duì)固體含能材料點(diǎn)火燃燒特性的實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究,進(jìn)而推廣該方法在點(diǎn)火器與引信等裝置領(lǐng)域的集成應(yīng)用。

2.6 基于氣固流動(dòng)換熱的點(diǎn)火引燃技術(shù)

相比于通過(guò)點(diǎn)源能量輸入實(shí)現(xiàn)自持燃燒的點(diǎn)火引燃方法,熱氣流點(diǎn)火是在外部熱源持續(xù)作用下,通過(guò)高溫氣體與固體含能材料之間多相流動(dòng)并結(jié)合熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射等熱傳遞作用,按照一定升溫速率使材料溫度升高,進(jìn)而發(fā)生點(diǎn)火燃燒的一類(lèi)技術(shù)。該類(lèi)技術(shù)由于具有工作原理簡(jiǎn)單、升溫速率可選擇、工況參數(shù)可設(shè)置等特點(diǎn)而廣泛用于固體燃料單顆粒與顆粒堆的點(diǎn)火燃燒特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量[101]。

按照氣流對(duì)顆粒樣品是否具有攜帶作用,可劃分為靜態(tài)樣品氣流點(diǎn)火和動(dòng)態(tài)攜帶流點(diǎn)火兩種類(lèi)型[14],前者通常包括熱重(TG)、差示掃描量熱儀(DSC)和固定床反應(yīng)器等典型裝置,后者通常包括管式沉降爐、平面火焰反應(yīng)器、湍流火焰反應(yīng)器等多種類(lèi)型裝置。由于氣體流速較低且升溫速率通常僅0.1～10K/s,TG、DSC和固定床中固體燃料顆粒隨溫度升高更多偏向于發(fā)生氣固多相反應(yīng),而采用動(dòng)態(tài)攜帶流后固體顆粒將在高溫氣流熱傳遞作用下發(fā)生明顯的點(diǎn)火燃燒現(xiàn)象,其中管式沉降爐的升溫速率為102～103K/s,而火焰燃燒反應(yīng)器的升溫速率為105～106K/s[47]。

基于靜態(tài)樣品氣流點(diǎn)火的TG分析與DSC分析目前已成為固體燃料顆粒廣泛采用且常規(guī)的熱分析手段。TG分析是在程序升溫下,獲取樣品質(zhì)量與溫度之間變化關(guān)系;與之相類(lèi)似,DSC分析是在程序升溫下,獲取樣品熱流量與溫度之間變化關(guān)系。這兩種分析方法均采用將樣品固定于坩堝內(nèi),通過(guò)不同升溫速率的熱氣流與樣品進(jìn)行氣固反應(yīng),再通過(guò)高精度的熱天平或者溫度傳感器獲取物質(zhì)特性變化的定量化過(guò)程,可用于描述固體燃料顆粒的熱穩(wěn)定性、熱安全性、熱分解情況以及進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析等。

西北大學(xué)的李軍鋒等[102]基于TG分析和DSC分析研究了5種四嗪類(lèi)含能化合物的熱行為,獲取了非等溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)、熱分解動(dòng)力學(xué)機(jī)理函數(shù)、表觀活化能、活化熵、活化焓及活化自由能等。

東北電力大學(xué)的盧洪波等[46]研究了不同升溫速率對(duì)祁連塔煤點(diǎn)火燃燒特性的影響,獲取了點(diǎn)火溫度、燃燒時(shí)間、燃燒最大速率和燃燼度等特性參數(shù)。結(jié)果表明,升溫速率越高,煤的點(diǎn)火溫度越高,燃燒時(shí)間和燃燒最大速率越短,燃燒反應(yīng)活化能越低。

固定床反應(yīng)器也是目前應(yīng)用十分廣泛且成熟的一種用于固體燃料顆粒的多相反應(yīng)器,其是將靜止顆粒樣品放置于反應(yīng)管中而高溫氣流穿過(guò)顆粒進(jìn)而使顆粒發(fā)生氣固多相反應(yīng),常用于煤和生物質(zhì)等方面的研究[104]。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所的Wang等[103]采用熱重分析和固定床反應(yīng)器開(kāi)展了大粒徑煤焦單顆粒的程序升溫燃燒實(shí)驗(yàn),同時(shí)考慮外部氣體擴(kuò)散、灰分層形成和化學(xué)反應(yīng)等的影響建立了簡(jiǎn)單的非均相單顆粒模型,研究了大粒徑煤焦單顆粒的本征動(dòng)力學(xué)、表觀動(dòng)力學(xué)及有效反應(yīng)區(qū)厚度。圖11為其采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。結(jié)果表明,氣體溫度和顆粒尺寸對(duì)整體反應(yīng)活性具有顯著影響;在顆粒燃盡階段,燃燒速率控制過(guò)程由本征動(dòng)力學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)向灰層擴(kuò)散反應(yīng),然后又轉(zhuǎn)換到本征動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。

圖11 用于固體燃料單顆粒加熱點(diǎn)火的固定床反應(yīng)器[103]Fig.11 Fixed bed reactor for solid fuel particles

目前,基于動(dòng)態(tài)攜帶流的熱氣流點(diǎn)火技術(shù)已在固體燃料單顆粒方面進(jìn)行了廣泛的研究與應(yīng)用。美國(guó)新澤西理工學(xué)院的Dreizin等[105-106]將粒徑范圍1～40μm的多分散鋁顆粒從火焰發(fā)生器中心攜帶噴出,并采用在層流火焰添加輔助切向氣流模擬湍流火焰方式,研究了鋁單顆粒在不同湍流水平條件下的點(diǎn)火燃燒特性。結(jié)果表明,湍流強(qiáng)度的增加可以大幅縮短鋁顆粒的燃燒時(shí)間;層流火焰中鋁顆粒燃燒速率乘以與湍流強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的系數(shù)可以用于預(yù)測(cè)湍流火焰中鋁顆粒燃燒速率。

德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的Li等[107-108]采用預(yù)混氣體燃料形成的層流平面火焰燃燒器研究了煤粉單顆粒的點(diǎn)火特性與揮發(fā)分燃燒過(guò)程,并基于歐拉-拉格朗日框架進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖12為其采用的平面火焰燃燒反應(yīng)系統(tǒng)。結(jié)果表明,顆粒粒徑增大可以顯著延緩煤粉單顆粒的均相著火和揮發(fā)分燃燒過(guò)程;點(diǎn)火延遲時(shí)間和揮發(fā)分燃燒持續(xù)時(shí)間均隨氧含量的增加而縮短,且粒徑越大越顯著。

圖12 預(yù)混氣體燃燒形成層流火焰的平面火焰反應(yīng)器:(a) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖;(b) 燃燒顆粒和平焰的光度照片;(c) 示意圖虛線區(qū)域中二維OH-LIF圖像[107]Fig.12 Plain flame reactor with premixed gas combustion forming laminar flame: (a) schematic diagram; (b) photographs of burning particles and flames; (c) 2D ON-LIF images in the dashed line area of the schematic diagram

瑞典隆德大學(xué)的Li等[109]基于Mckenna平面火焰燃燒器研究了微米尺度金屬鐵單顆粒的點(diǎn)火燃燒特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,單顆粒鐵的燃燒動(dòng)態(tài)演化過(guò)程主要經(jīng)過(guò)加熱、熔融、加速燃燒以及冷卻等階段;如圖13所示,基于燃燒強(qiáng)度變化確定了點(diǎn)火延遲時(shí)間、加速燃燒時(shí)間與二次燃燒時(shí)間等特性參數(shù),且上述參數(shù)均隨顆粒粒徑的增大呈近似線性增加的變化;采用掃描電子顯微鏡觀察到燃燒產(chǎn)物表面存在納米顆粒,推測(cè)這些顆粒是燃燒過(guò)程中鐵蒸汽凝結(jié)產(chǎn)生的。

圖13 單顆粒鐵的燃燒強(qiáng)度變化與燃燒動(dòng)態(tài)演化過(guò)程[109]Fig.13 Variations of combustion intensity and combustion evolution for single iron particle

寧夏大學(xué)的謝非等[110]采用沉降爐研究了不同氣氛下煤粉單顆?；鹧娴膲A金屬光譜輻射特性,其通過(guò)在可視化沉降爐中對(duì)火焰圖像和發(fā)射光譜進(jìn)行采集,探究火焰溫度及堿金屬輻射強(qiáng)度的變化。結(jié)果表明,煤粉單顆?；鹧娉尸F(xiàn)典型包絡(luò)結(jié)構(gòu);當(dāng)氧濃度升高至50%工況時(shí),煤粉顆粒燃燒過(guò)程中發(fā)生破碎行為;火焰中Na和K兩種元素的輻射峰值強(qiáng)度隨氧濃度的增加而增加。

清華大學(xué)的孔成棟等[48, 111]基于Hencken平面火焰燃燒器對(duì)納米鋁單顆粒和鋁顆粒團(tuán)的點(diǎn)火燃燒特性與燃燒反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明,單顆粒燃燒過(guò)程始終受氧化層內(nèi)離子擴(kuò)散控制,而顆粒團(tuán)更多受顆粒外部氣體擴(kuò)散控制;內(nèi)應(yīng)力對(duì)單顆粒具有促進(jìn)反應(yīng)作用,而對(duì)顆粒團(tuán)具有破裂氧化層增加或減小反應(yīng)速率的兩面性;采用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(PLIF)測(cè)量AlO基團(tuán)發(fā)現(xiàn),顆?；鹧孑椛湓?900K以下表現(xiàn)為熱輻射,而超過(guò)1900K時(shí)才會(huì)出現(xiàn)微弱的AlO振動(dòng)譜,顆粒火焰輻射頻譜特性分析表明納米鋁顆粒燃燒主要受非均相表面反應(yīng)控制。

華中科技大學(xué)的柳朝暉等[7, 112]基于加壓可視化Hencken平面火焰燃燒器研究了加壓富氧條件下煤粉單顆粒的點(diǎn)火燃燒特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著壓力升高,煤粉單顆粒表面氧氣擴(kuò)散速率降低,點(diǎn)火延遲時(shí)間增加,并且揮發(fā)分析出受到抑制而使火焰包絡(luò)尺寸減小;加壓條件下,焦炭點(diǎn)火發(fā)生在揮發(fā)分燃盡之前,同時(shí)焦炭燃盡速率減慢。

此外,國(guó)內(nèi)眾多高校科研機(jī)構(gòu)均對(duì)基于平面火焰動(dòng)態(tài)攜帶流的熱氣流點(diǎn)火技術(shù)有所研究與應(yīng)用,包括國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)[14]、國(guó)防科技大學(xué)[19]等,同時(shí),西安近代化學(xué)研究所也搭建了如圖14所示的加壓Hencken平面火焰燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái),主要用于對(duì)含能材料單顆粒進(jìn)行點(diǎn)火燃燒特性研究。

圖14 加壓Hencken平面火焰燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.14 Experimental platform of pressurized Hencken flat flame reactor for single solid particle

根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容,在固體含能材料的點(diǎn)火燃燒特性基礎(chǔ)研究方面,基于靜態(tài)樣品氣流點(diǎn)火和動(dòng)態(tài)攜帶流點(diǎn)火的熱氣流點(diǎn)火技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用且發(fā)展相對(duì)成熟。目前已有大量文獻(xiàn)對(duì)固體燃料單顆粒的熱氣流點(diǎn)火技術(shù)進(jìn)行了報(bào)道,然而上述研究?jī)?nèi)容主要集中在金屬顆粒和煤粉顆粒兩方面,缺少針對(duì)以RDX、HMX和CL-20等為主的單質(zhì)含能材料單顆粒及復(fù)合含能材料顆粒采用動(dòng)態(tài)攜帶流的相關(guān)研究,同時(shí)更缺乏含能材料單顆粒的燃燒動(dòng)態(tài)演化過(guò)程及點(diǎn)火燃燒模型。固體含能材料單顆粒在動(dòng)態(tài)攜帶流中的點(diǎn)火燃燒過(guò)程非常適合模擬固體推進(jìn)劑中各組分顆粒的多相流動(dòng)與反應(yīng)過(guò)程。因而,十分有必要開(kāi)展基于動(dòng)態(tài)攜帶流點(diǎn)火技術(shù)的含能材料單顆粒點(diǎn)火燃燒特性與點(diǎn)火燃燒機(jī)理相關(guān)研究,能夠?yàn)槲覈?guó)掌握固體含能材料的點(diǎn)火燃燒本征機(jī)理以及釋能與控制規(guī)律提供重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論基礎(chǔ)。

3 總結(jié)與展望

點(diǎn)火引燃方法是基于不同來(lái)源能量,采用可控、可靠與可持續(xù)輸出方式實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換,使固體燃料顆粒發(fā)生自持燃燒反應(yīng)的一類(lèi)技術(shù)方法。點(diǎn)火引燃是固體燃料顆粒在微觀分子層面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),進(jìn)而在宏觀層面發(fā)生發(fā)光發(fā)熱以及呈現(xiàn)火焰結(jié)構(gòu)等燃燒特征的瞬態(tài)過(guò)程。點(diǎn)火引燃技術(shù)的選擇不僅取決于系統(tǒng)復(fù)雜度、穩(wěn)定性與集成難度等性能特點(diǎn),還需要考慮固體含能材料的點(diǎn)火機(jī)理、升溫速率、材料堆積形態(tài)等反應(yīng)介質(zhì)特性的影響。近年來(lái),隨著能量轉(zhuǎn)換方式多樣化與能量轉(zhuǎn)換控制愈加精確,固體含能材料點(diǎn)火引燃新方法與新技術(shù)不斷涌現(xiàn),并不斷拓展固體含能材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

總結(jié)歸納了6種基于不同能量激勵(lì)方式的點(diǎn)火引燃方法,分別為化學(xué)能引燃、光能激發(fā)、電磁波、高壓沖擊波、電能激發(fā)以及氣固流動(dòng)換熱。綜合以上技術(shù)方法的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展,固體含能材料的點(diǎn)火引燃技術(shù)在未來(lái)必將向具有更廣泛材料適用性、可精確控制能量轉(zhuǎn)換與輸出、可實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x器裝置集成等方向進(jìn)行發(fā)展。

目前,多種點(diǎn)火引燃技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于單質(zhì)含能材料、復(fù)合含能材料以及固體推進(jìn)劑等類(lèi)型固體含能材料,開(kāi)展了含能材料在闡明微觀點(diǎn)火燃燒機(jī)理、探索含能材料安全特性、支撐含能材料技術(shù)應(yīng)用等方面研究。然而,綜合國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,固體含能材料的點(diǎn)火燃燒基礎(chǔ)研究仍然還需要進(jìn)行更加深入且廣泛的研究與技術(shù)應(yīng)用,重點(diǎn)發(fā)展方向包括:

(1)著重開(kāi)展單質(zhì)含能材料單顆粒的點(diǎn)火燃燒特性研究,獲取不同點(diǎn)火引燃方法下點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火能量閾值、臨界點(diǎn)火距離、點(diǎn)火概率與點(diǎn)火溫度等特性參數(shù)的變化規(guī)律,準(zhǔn)確構(gòu)建單顆粒點(diǎn)火燃燒模型,深入理解單質(zhì)含能材料點(diǎn)火燃燒的本征機(jī)理,展開(kāi)普適性研究和規(guī)律總結(jié),提升單質(zhì)含能材料點(diǎn)火燃燒的基礎(chǔ)理論水平。

(2)探索構(gòu)建單質(zhì)含能材料為重點(diǎn)的單顆粒、顆粒堆、顆粒云與藥柱等多種堆積形態(tài)的點(diǎn)火燃燒研究體系,揭示固體含能材料在復(fù)雜氣固多相流環(huán)境下的點(diǎn)火燃燒機(jī)理,豐富和完善含能材料的點(diǎn)火燃燒性能基礎(chǔ)研究與技術(shù)研發(fā)體系。

(3)開(kāi)展以固體推進(jìn)劑為主的固體含能材料點(diǎn)火燃燒特性控制規(guī)律研究,探索升溫速率、顆粒表面粗糙度、顆粒粒度、顆粒微觀形貌及不同點(diǎn)火引燃方法性能參數(shù)等對(duì)點(diǎn)火燃燒特性的影響規(guī)律,構(gòu)建形成點(diǎn)火燃燒特性控制策略,為固體含能材料點(diǎn)火引燃過(guò)程實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)控制提供新思路。