高能镁基水反应金属燃料推进剂研究
发布时间：2022-01-26 03:29
水冲压发动机是超高速鱼雷的巡航动力推进系统，采用高能水反应金属燃料作为燃料，利用海水作为氧化剂，具有很高的比冲和推力，是未来超高速水中兵器的最佳动力装置。水反应金属燃料的能量在水冲压发动机的两次燃烧过程中释放出来，其高能量特性取决于配方中的高金属含量，但高金属含量加大了推进剂加工工艺的难度和限制了一次燃烧性能的提高，本文通过理论分析、工艺和燃烧性能调节，制备出高镁粉、镁铝合金粉含量的水反应金属燃料推进剂，并对推进剂的一次、二次燃烧过程进行分析，合理推断了水反应金属燃料的燃烧机理，为水反应金属燃料推进剂的性能调节提供理论依据和实验基础。本文通过工艺加工性能和燃烧性能优化筛选出镁基水反应金属燃料推进剂最优配方为Mg57%、AP28%、 GFP4%、粘合剂体系11%，3MPa燃速达21.3mm·s-1。利用热重分析仪对水反应金属燃料推进剂中的各固相组分进行了热性能分析，通过高压燃烧室及金属/高温水反应装置模拟了水反应的二次燃烧过程，利用SEM、EDS、XRD及化学分析方法对一次二次燃烧固相产物的形貌和组分进行分析，一次燃烧固相产物主要由Mg、MgO、MgCl2及C组成，二次燃烧固相产物只剩余...
【文章来源】：北京理工大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
“暴风雪”鱼雷示意图
50m/s或者更高），这时在鱼雷的头部安放的空泡发生器的边缘开始出现空泡，为了使空泡进一步扩展成为超空泡，必须向发生空泡的部位注入气体，空泡逐渐扩大，最后将整条鱼雷包裹在气泡中。图1.2所示为一种“超空泡”鱼雷的运动示意图。图1.2 “超空泡”鱼雷发射示意图这样超空泡鱼雷表面的绝大部分接触的不是水而是低密度的气泡，使鱼雷航行基本不受水的粘性阻力的影响，使鱼雷的航速有了质的提高。但要实现超空泡鱼雷高速运动，必须让鱼雷在短时间内达到“空化”临界速度，这就要求鱼雷推进系统必须提供足够高的推力，也就是说必须燃烧有最大比推力的高能密度燃料[14,15]。若采用常规固体火箭发动机喷气推进方式作为推进系统，与“超空泡”技术相结合，使雷体尾端包裹在空泡内，虽然能够满足超高速鱼雷的推力和速度要求，但由于该类推进剂自身携带氧化剂和燃烧剂，因而能量密度受到限制，无法满足远航程要求[16,17]。俄罗斯专家在对柴油发动机、电动机、核动力装置、高速柴油机和燃气轮机等多种动力装置进行比较之后
燃烧效率有不利影响。此外，对于浇注工艺来说，高金属含量对推进剂制备工艺和推进剂燃烧性质调节带来困难。图1.3 水冲压发动机结构示意图在水反应金属燃料研究过程中发现，为达到浇注工艺的要求水反应金属燃料的大粒径的金属含量高、氧化剂含量低，造成一次燃烧温度低，燃速低，且一次燃烧产物中含有大量金属、金属氧化物、碳等凝聚相产物，气态产物含量较少，喷射效率较低，二次燃烧效率低等问题。因此为解决这些问题，需要探索大量添加小粒径金属粉时的粒度级配问题，以满足浇注工艺要求的同时提高一次燃烧性能，需要研究水反应金属燃料的一次、二次燃烧过程和燃烧机理，并寻找合适的配方体系，这是本课题研究工作的重点。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型铝基合金的制备及其与水反应性能研究[J]. 崔海洋,卜建杰,郑邯勇,赵文忠,陈支厦. 推进技术. 2013(06)
[2]镁基水反应金属燃料冲压发动机的工作特性[J]. 杨亚晶,何茂刚. 热能动力工程. 2012(02)
[3]铝镁贫氧推进剂压缩力学性能及本构模型实验研究[J]. 成红刚,鞠玉涛,周长省,朱国强. 弹道学报. 2012(01)
[4]高金属含量水反应金属燃料稳态燃烧模型[J]. 韩超,夏智勋,胡建新,黄利亚,张兴高,方丁酉. 固体火箭技术. 2011(05)
[5]MAPO含量和AP级配对丁羟推进剂力学性能的影响[J]. 赵玖玲,强洪夫. 固体火箭技术. 2011(03)
[6]低温镁/水反应特性及反应动力学研究[J]. 周星,张炜,郭洋,姜本正. 固体火箭技术. 2011(01)
[7]镁基水反应金属燃料的热分解性能[J]. 李是良,张炜. 推进技术. 2009(06)
[8]氟化物对Mg/NaNO3富燃料推进剂燃烧性能的影响[J]. 邹美帅,郭晓燕,朱立勋,杨荣杰. 兵工学报. 2009(09)
[9]氟橡胶/镁/硝酸钠富燃料体系的热分析[J]. 邹美帅,郭晓燕,杨荣杰,邱日尧. 火炸药学报. 2009(04)
[10]水燃比对水冲压发动机性能影响数值模拟与试验研究[J]. 韩超,夏智勋,胡建新,赵宁,方丁酉. 国防科技大学学报. 2009(04)
博士论文
[1]镁/水着火燃烧模型及高温均相反应机理研究[D]. 韩志江.浙江大学 2012
[2]水冲压发动机用镁基水反应金属燃料一次燃烧性能研究[D]. 李是良.国防科学技术大学 2009
硕士论文
[1]水冲压发动机镁颗粒燃烧机理试验研究[D]. 朱千稳.国防科学技术大学 2010
本文编号：3609725
【文章来源】：北京理工大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
“暴风雪”鱼雷示意图
50m/s或者更高），这时在鱼雷的头部安放的空泡发生器的边缘开始出现空泡，为了使空泡进一步扩展成为超空泡，必须向发生空泡的部位注入气体，空泡逐渐扩大，最后将整条鱼雷包裹在气泡中。图1.2所示为一种“超空泡”鱼雷的运动示意图。图1.2 “超空泡”鱼雷发射示意图这样超空泡鱼雷表面的绝大部分接触的不是水而是低密度的气泡，使鱼雷航行基本不受水的粘性阻力的影响，使鱼雷的航速有了质的提高。但要实现超空泡鱼雷高速运动，必须让鱼雷在短时间内达到“空化”临界速度，这就要求鱼雷推进系统必须提供足够高的推力，也就是说必须燃烧有最大比推力的高能密度燃料[14,15]。若采用常规固体火箭发动机喷气推进方式作为推进系统，与“超空泡”技术相结合，使雷体尾端包裹在空泡内，虽然能够满足超高速鱼雷的推力和速度要求，但由于该类推进剂自身携带氧化剂和燃烧剂，因而能量密度受到限制，无法满足远航程要求[16,17]。俄罗斯专家在对柴油发动机、电动机、核动力装置、高速柴油机和燃气轮机等多种动力装置进行比较之后
燃烧效率有不利影响。此外，对于浇注工艺来说，高金属含量对推进剂制备工艺和推进剂燃烧性质调节带来困难。图1.3 水冲压发动机结构示意图在水反应金属燃料研究过程中发现，为达到浇注工艺的要求水反应金属燃料的大粒径的金属含量高、氧化剂含量低，造成一次燃烧温度低，燃速低，且一次燃烧产物中含有大量金属、金属氧化物、碳等凝聚相产物，气态产物含量较少，喷射效率较低，二次燃烧效率低等问题。因此为解决这些问题，需要探索大量添加小粒径金属粉时的粒度级配问题，以满足浇注工艺要求的同时提高一次燃烧性能，需要研究水反应金属燃料的一次、二次燃烧过程和燃烧机理，并寻找合适的配方体系，这是本课题研究工作的重点。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型铝基合金的制备及其与水反应性能研究[J]. 崔海洋,卜建杰,郑邯勇,赵文忠,陈支厦. 推进技术. 2013(06)
[2]镁基水反应金属燃料冲压发动机的工作特性[J]. 杨亚晶,何茂刚. 热能动力工程. 2012(02)
[3]铝镁贫氧推进剂压缩力学性能及本构模型实验研究[J]. 成红刚,鞠玉涛,周长省,朱国强. 弹道学报. 2012(01)
[4]高金属含量水反应金属燃料稳态燃烧模型[J]. 韩超,夏智勋,胡建新,黄利亚,张兴高,方丁酉. 固体火箭技术. 2011(05)
[5]MAPO含量和AP级配对丁羟推进剂力学性能的影响[J]. 赵玖玲,强洪夫. 固体火箭技术. 2011(03)
[6]低温镁/水反应特性及反应动力学研究[J]. 周星,张炜,郭洋,姜本正. 固体火箭技术. 2011(01)
[7]镁基水反应金属燃料的热分解性能[J]. 李是良,张炜. 推进技术. 2009(06)
[8]氟化物对Mg/NaNO3富燃料推进剂燃烧性能的影响[J]. 邹美帅,郭晓燕,朱立勋,杨荣杰. 兵工学报. 2009(09)
[9]氟橡胶/镁/硝酸钠富燃料体系的热分析[J]. 邹美帅,郭晓燕,杨荣杰,邱日尧. 火炸药学报. 2009(04)
[10]水燃比对水冲压发动机性能影响数值模拟与试验研究[J]. 韩超,夏智勋,胡建新,赵宁,方丁酉. 国防科技大学学报. 2009(04)
博士论文
[1]镁/水着火燃烧模型及高温均相反应机理研究[D]. 韩志江.浙江大学 2012
[2]水冲压发动机用镁基水反应金属燃料一次燃烧性能研究[D]. 李是良.国防科学技术大学 2009
硕士论文
[1]水冲压发动机镁颗粒燃烧机理试验研究[D]. 朱千稳.国防科学技术大学 2010
本文编号：3609725
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