固体火箭技术投稿格式参考范文：铝锂合金固体推进剂点火燃烧研究进展

　　0 引言

　　Al 粉具有低氧耗特性、高燃烧热值、存储量大以及价格成本低等特点，已成为固体推进剂配方中的关键成分之一。在固体推进剂中添加 Al 粉，不仅能有效缓解不稳定燃烧现象，还能显著增强火箭系统整体的稳定性和安全性。但是，Al 粉在燃烧过程中，会在颗粒表面形成致密的氧化膜，从而导致点火温度阈值上升、点火延迟加剧、颗粒团聚严重、燃烧不完全以及燃烧速率降低等问题 [1-2]。

　　目前，改善 Al 粉点火和燃烧特性的主要方式可分为：Al 粉的纳米化、表面包覆及合金化等。将 Al 粉纳米化可降低点火温度和减少燃烧时间，但同时也会造成比表面积的增加和活性位点的降低，从而导致活性 Al 含量降低和老化现象的发生，并且高表面能容易引发团聚现象，进而影响推进剂的均匀性、稳定性及系统性能 [3]。此外，纳米 Al 粉燃烧后生成的残留物尺寸较小，会造成推进系统内微小通道的堵塞，从而导致系统性能下降。对 Al 粉进行表面包覆可有效降低点火温度、缩短燃烧颗粒在推进剂燃面的停留时间以及减小团聚物尺寸，从而显著改善其点火特性。但是，常规表面包覆物(如 Fe、Ni 或氟化物等)的能量密度较低，会增加金属颗粒的惰性质量 [4]。此外，利用碳氢燃料或高熔点燃烧稳定剂代替 Al 粉，能降低固体推进剂烟雾特性，但也会造成推进剂能量下降。这说明固体推进剂的低燃烧产物特性信号与高能量特性不能同时兼顾。

　　将 Al 和其他少量金属(如 Mg、Ti、Li 和 Zr 等)进行合金化处理，可以得到具有更好点火和燃烧特性的合金颗粒 [5]，从而显著提升固体推进剂点火和燃烧性能。采用 Li 金属对 Al 颗粒合金化后，能在颗粒表面形成多孔氧化结构，有利于氧化性气体的扩散和燃料反应性的增强。同时，因为 Li 与 Al 熔沸点的差异，Al-Li 合金颗粒在点火时会形成分散沸腾和微爆现象，这能有效破碎液滴和团聚体，进而提升燃烧效率和减少两相流损失 [6-10]。在燃烧过程中，Li 还能将 Cl 离子转为 LiCl，从而减小有害物 HCl 的生成和降低烟雾特性 [10]。利用 Li 对 Al 颗粒包覆，既能提高燃烧特性，又可降低燃烧产物特征信号 [11-12]。但是，Li 元素的高活性，使得 Al-Li 合金在空气中极易氧化和产生气孔裂纹等结构缺陷。因此，还需采用包覆工艺，有针对性地提升 Al-Li 合金的热稳定性和相容性 [13-14]

　　本文拟从 Al-Li 颗粒合金化处理工艺着眼，对 Al-Li 合金物理特性、热力学性能、燃烧机理以及点火特性的研究进展进行详细阐述，为其工程应用提出建设性意见。

　　1 Al-Li 合金理化特性

　　1.1 颗粒形貌和状态

　　采用 Li 金属对 Al 颗粒进行包覆会造成颗粒形貌的改变，并且不同包覆方式也会使得颗粒形貌改变，这造成了 Al-Li 颗粒燃烧行为的复杂化。

　　机械研磨制备方式操作简便，但所得合金颗粒表面不规则，易团聚。对高活性金属燃料需添加惰性金属保护。相比之下，气雾化法制备方式可产生离散度高、形态均匀的合金颗粒，粒径分布更集中，但操作难度大，尤其难于制备高 Li 含量粉末。两种方法均能显著改变颗粒形状、外观及尺寸规则度，前者得到的颗粒更为细碎，后者得到的颗粒有球形度，均能破坏 Al 的致密氧化膜，部分颗粒出现小孔隙，有利于氧气扩散和加速氧化反应，从而提高燃烧效率。

　　1.2 Al-Li 合金热氧化特性

　　在燃烧过程中，金属燃烧产物的热氧化性能影响反应速率和稳定性，对推力控制至关重要，进而影响推力输出。因此，有必要研究金属燃料热氧化性能对推进剂的影响 [19]

　　李锦勇 [18] 利用气雾化法制备了 Al-3Li、Al-5Li 及 Al-10Li 三种合金，并研究了其从室温至 1300℃的热力学行为。研究发现，在 1100℃附近 Al-Li 合金出现极大的增重，Li 的优先氧化能促进 Al 的氧化反应，使得合金燃料得到更完全的氧化，增强 Al-Li 合金的燃烧性能 [18]。

　　张天佑 [20] 在水蒸气条件下进行热重实验。结果发现，随着 Li 元素的引入，反应温度的门槛被大幅度降低，这一变化直接促进了反应速率的显著提升，表现为增重速度明显加快。更为显著的是，整个反应过程中的总增重比例从初始的 112.9% 跃升至 171.6%，这证明了 Li 金属的引入对 Al 的氧化反应起到了积极的促进作用，显著改善了其反应动力学特性。这一发现不仅为深入理解 Al-Li 合金在氧化环境中的行为提供了重要依据，也为固体推进剂配方的优化与性能提升开辟了新的路径。

　　综上可知，在 Al 颗粒中引入 Li 元素，能从两方面显著提升单质 Al 的氧化性能：一是合金的整体氧化增重明显增加;二是在低温条件下，Li 能先于 Al 发生氧化反应，其产物破坏了 Al 的致密氧化膜，使更多活性金属暴露并与氧化剂反应，从而加速了 Al 的氧化过程，提高了合金颗粒的反应效率 [21]。

　　1.4 Al-Li 合金粉末燃烧行为

　　局部火焰的产生可以使 Al 颗粒优先点燃 [22]。在合金点火燃烧过程中，多种燃烧行为可以缩短合金颗粒的点火延迟时间。TERRY 等 [23] 实验观察到单个 Al-Li 液滴微爆现象，其机制类似于复杂多组分液体系统内发生的传递性爆炸效应，会产生数量庞大的细微颗粒，从而有效实现了液滴的精细粉碎与高效雾化。这不仅显著加速了燃烧反应速率，还通过减少大颗粒团聚，有效缓解了两相流损失问题，进而提升推进剂的整体燃烧效率与性能。

　　ZHOU 等 [24] 利用自制的平面火焰燃烧器，观察了 Al-Li 合金颗粒的点火过程。实验结果表明，Li 元素的加入，一方面可提高合金粉末的热反应性，使其在氧化燃烧过程中具有较好的点火性能和优异的燃烧性能，促进 Al 粉的燃烧，提高放热量;另一方面可以降低粉末的氧化温度，从而降低了粉末的着火温度，缩短了 Al-Li 合金颗粒的着火延迟时间。

　　XU 等 [25-27] 研究了在不同气体环境下 Al-Li 合金的点火与燃烧行为的影响因素，并解析其点火机制及燃烧过程。在空气氛围条件，可将 Al-Li 合金的燃烧过程分为以下 4 个阶段：熔化膨胀阶段、气化阶段、扩散燃烧阶段、消光阶段。这些阶段的详细分析有助于深入理解 Al-Li 合金在不同气氛条件下燃烧特性的差异及其内在机制 [25]。在扩散燃烧过程中，可以清楚地观察到微爆现象，并且有熔融的子液滴从分散在底座上的母液滴中迅速喷射出来。而 Al 颗粒的整个燃烧过程是表面反应，未检测到明显的气相产物峰。

　　对点火燃烧图像进行处理得到的燃烧模式图显示，Al-Li 合金燃烧行为与常规 Al 的表面燃烧不同，主要为混合燃烧，包括非均相表面燃烧和均相气相燃烧。Al-Li 合金颗粒的火焰温度也明显高于 Al 颗粒的火焰温度。

　　Li 元素的表面改性作用使 Al-Li 合金的氧化物外壳先于纯 Al 颗粒破碎，从而形成更多的裂口与通道，为 Al 和氧气提供更多接触，使 Al-Li 合金颗粒的点火延迟期明显短于纯 Al 颗粒 [18]。

　　XU 等 [27] 认为在氮气氛围下，相同条件的 Al 颗粒不易与 N₂反应，Li 作为合金元素对 Al 的氮化有很大的促进作用，并且合金氮化后微粒的裂口与通道有效阻止了微粒的 “钝化效应”，N₂可以通过裂纹不断扩散到微粒中，使金属固溶体实现快速氮化。

　　为验证 Al-Li 合金点火燃烧与金属 Al 的差异，胡建新等在常温常压条件下，采用激光点火观察到的 Al 粉与机械研磨的 5% Al-Li 合金粉末点火现象。纯 Al 燃烧分为两个阶段，第一个阶段首先在 40~230ms 之间整体 Al 粉体积开始缩小，随后进入燃烧阶段。激光不再加载后，纯 Al 在 230ms 后不再燃烧，留下残渣;而含有 5% Li 的 Al-Li 颗粒，在前 40ms 内，基本保持了原始形态，40~150msAl-Li 合金颗粒的燃烧速度显著加快。这是因为微爆现象促进了 Al-Li 合金颗粒的燃烧，使其燃烧速度更快、持续时间更短。

　　综上所述，Li 元素使 Al-Li 合金展现出独特的燃烧机制，具体表现为诱导了微爆效应与分散沸腾现象，有效促进了团聚体的解聚，显著提升了燃烧效率。此外，Li 的引入在燃烧反应进程中促进了树晶结构的形成，并伴随裂缝的生成，而且氧化锂为孔洞氧化结构，这些裂缝、孔洞作为反应物与金属界面间的有效通道，极大地增强了反应物与金属之间的接触效率，进而加速了反应进程，提高了微粒的燃烧强度与火焰温度，优化了燃烧性能。

　　2 Al-Li 合金固体推进剂燃烧特性

　　不同配方的推进剂在燃烧时呈现出各异的燃烧现象。TERRY 等 [23] 研究了 Al 和 Al-Li 合金在推进剂表面燃烧现象，发现 Al 颗粒的团聚现象能在表面造成较大的熔滴的形成，进而给推进剂燃烧带来不良影响。KARASEV 等 [28] 进一步在团聚 Al 周围观察到了气相燃烧火焰和氧化铝烟雾。在 Al-Li 合金在推进剂表面燃烧过程中，可观察到微爆现象和分散沸腾现象，这些现象使得团聚体破碎提高燃烧效率。相比金属 Al，Al-Li 合金具有更好的燃烧性能，同时能与氧化性材料产生较好的协同作用。DESJARDI 等 [29] 综合考虑单质 Al 颗粒点火过程和燃烧过程，提出颗粒着火和燃烧模型，包括点火和燃烧两个阶段。用模型计算的燃烧速率和点火实验测量燃烧速率、火焰半径、终端速度均具有良好的一致性。结果表明，Al 颗粒燃烧速率受到氧化帽影响;而在合金颗粒燃烧过程中，很少观察到氧化帽形成熔融的氧化铝液滴。

　　XIONG 等 [30] 为了验证 Al-Li 合金相较于金属 Al 在推进剂中应用的性能优势，进行激光点火实验。结果显示，典型的 Al 颗粒会经历点火燃烧和团聚过程，最终形成直径约为 950μm 的液态金属的球形液滴，团聚特征明显;而合金粉末燃烧比较完全，在相同条件下没有发生严重的团聚现象。

　　合金粉末在低温下燃烧更迅速，较高的燃烧速率和反应活性使得 Al-Li 合金能够快速离开推进剂的燃烧表面并扩散到气相中，从而减少冷凝燃烧产物的形成。这一观察结果为评估 Al-Li 合金在推进剂中的潜在应用提供了重要依据。

　　ZHOU 等 [24] 研究了 Li 元素对推进剂的影响，并对推进剂的爆热和燃速进行了测试，发现在推进剂的燃烧过程中，随着 Li 含量的增加，推进剂燃烧时发出的光亮度逐渐增加。这说明 Li 元素的引入会增加燃烧热从而提高 Li 元素的含量，会增加推进剂的热反馈进而提高燃速 [15]。GABRIEL 等 [8] 基于不同的金属燃料配置设计了三种推进剂配方：第一种直接使用 Al-20Li 合金颗粒，第二种用 45μm 筛分的 Al-20Li 合金颗粒，第三种用纯 Al 作对照。研究发现，低压下 Al-20Li 合金燃烧产物团聚体较纯 Al 细小，利于提升燃烧效率与产物均匀性;但高压下趋势逆转，需进一步研究揭示 Al-Li 合金的团聚机制。

　　在传统含 Al 复合固体推进剂中，压力增加将减小凝聚体尺寸，因为更高燃烧速度为凝聚相产物在表面凝聚提供了更少时间。然而，在 Al-Li 复合推进剂中，压力增加导致团聚体尺寸增加。较低环境压力下，液滴内蒸汽膨胀得更快 [31]，导致在推进剂燃烧面附近和在淬灭盘捕获高度范围内(推进剂表面以上 1~4mm)更频繁地发生微爆炸。相反，较高环境压力会阻碍液滴内气体膨胀。

　　XIONG 等 [30] 利用直径 75mm 试验固体火箭发动机研究了推进剂燃烧的结块现象，分析了含 Al-2.5Li 合金的 HTPB 推进剂燃烧性能。结果在燃烧室末端区域可以观察到显著的炉渣沉积，表明在推进剂的燃烧进程中，大量结块颗粒在该区域与燃烧室内壁发生了碰撞。特别是在高压条件下，采用 Al-Li 合金粉配方的推进剂所表现出的结块现象更为突出，结块残渣尺寸也更大。

　　MORGAN 等 [32] 针对 Al-Li 合金替代金属 Al 粉在推进剂中的二次烟问题，设计了激光吸收光谱诊断系统，并利用高速摄像机对 AP 和 HTPB 与 Al-Li 合金复合推进剂燃烧火焰进行了实验研究。

　　MORGAN [32] 发现 Al-Li 合金复合推进剂燃烧温度要比含 Al 推进剂高 80~200℃且燃烧更剧烈。同时，Al-Li 合金复合推进剂具有更高燃烧温度，燃烧也更完全，并且 HCl 摩尔分数相较纯含 Al 推进剂降低了 30%~35%。

　　阿德拉诺斯公司在 Purdue 大学推进实验室的 Al-Li 合金固体推进剂发动机羽流图片 [33] 表明，Li 的引入可减少 HCl 的产生，更有效地消除羽流二次烟。

　　综上所述，Al-Li 合金复合推进剂与常规配方推进剂在燃烧性能上有显著差异。在低压条件下，团聚体尺寸更小，高压条件下尺寸增大，可能与压力增大导致的团聚加剧或微爆现象有关。Al-Li 合金氧化性能更佳，但在高压条件应用仍存在许多待研究的问题。

　　3 总结与展望

　　Al 颗粒合金化后，由于理化性质差异，使得合金燃料相较于单质燃料在热反应、点火燃烧、氧化产物等方面均有较大改善。

　　Li 元素的引入改变了燃烧模式，可诱发微爆和分散沸腾，破碎团聚体，提高燃烧效率;并形成树晶结构裂缝，增强反应物接触，提高燃烧强度和火焰温度。

　　Al-Li 合金复合推进剂与常规配方推进剂相比，其燃烧特性有微爆、分散沸腾等独特现象，但团聚体尺寸会在高压条件下增加。

　　尽管 Al-Li 合金在氧化特性上表现更佳，但在复合推进剂中的应用仍需深入研究。目前，Al-Li 合金燃料推进剂的制备和性能研究仍面临许多挑战，后续研究重点如下：

　　提升 Al-Li 合金颗粒的水 / 氧稳定性及与推进剂的相容性;

　　探究高压高速湍流燃气环境下金属颗粒的点火与燃烧机制;

　　深入研究 Al-Li 合金在点火燃烧过程中出现的微爆、分散沸腾、喷射燃烧等现象的机理;

　　分析有限空间内颗粒群同时点火时颗粒间的相互作用。

苏俊;胡建新;段 炼;胡 强;苗 训;徐熠熠;杨 婧,湘潭大学;中国兵器科学研究院,202406