超声技术在促进固体火箭推进剂燃烧中的首次应用

本文提出了利用超声波调控推进剂燃烧的方法。在25~40 kHz的超声波频率下，系统研究了铝颗粒、AP/HTPB推进剂及含铝Al/AP/HTPB复合推进剂的燃烧特性。超声波处理使铝颗粒的点火延迟时间增加了48.3%，但使AP/HTPB推进剂的燃烧速率提高了26.1%，点火延迟时间缩短了39.3%。随着超声波频率的增加，含铝复合推进剂的燃烧速率提高了22.5%，铝颗粒聚集程度降低，凝相燃烧产物（CCPs）尺寸减小24%。机制分析表明，超声波通过分裂燃烧表面附近的铝液滴为更小颗粒，影响燃烧效率；同时使扩散火焰更接近燃烧表面，从而改变燃烧速率。这些发现表明，超声波技术可调节固体推进剂的燃烧和聚集特性，为固体火箭发动机的推力控制提供了新途径。

固体火箭发动机（SRM）的变推力技术在推进领域具有重要潜力。目前，SRM的推力调节主要通过燃烧室内的温度和压力控制实现。一种方法是通过调整推进剂配方改变其燃烧特性；另一种方法是通过改变发动机结构或外部机械部件（如调整喷管喉部面积），但存在复杂度高和成本增加的缺点。此外，多推进剂单元共享喷管的技术仍处于初级阶段，可靠性较低。

推进剂燃烧的实时调控是实现推力控制的核心。传统固体推进剂一旦点燃即自主燃烧至耗尽，难以实时调节推力。近期研究提出利用电场动态调节燃烧速率，但高温环境（约3000 K）限制了其应用。因此，急需开发新的变推力技术。

超声波的引入为SRM推力控制提供了新思路。超声波能够破碎颗粒（如沥青质、煤粉），并增强燃料燃烧性能。此外，超声波对烃类燃料火焰的蒸发、点火延迟和火焰形态均有显著影响。然而，超声波对固体推进剂燃烧的机制尚未明确。本文通过实验研究了超声波对铝颗粒、AP/HTPB推进剂及复合推进剂燃烧特性的影响，分析了超声波频率对点火延迟、燃烧速率和凝相产物的作用机制，为优化超声波在SRM中的应用提供了理论支持。

实验装置示意图如图1所示。

图1. (a)超声对铝颗粒激光点火影响的系统示意图；

(b)超声对推进剂燃烧影响的系统示意图

图1展示了实验系统组成示意图，其中（a）为激光点火系统示意图，展示了铝颗粒激光点火实验的布局，包括超声波发生器、高速摄像机及同步触发系统。设计重点在于超声波与激光的协同控制，确保实验条件精确可调。图1（b）为推进剂燃烧系统，整合了点火、超声波施加、燃烧产物收集和光谱分析功能，突出了多参数同步采集的特点。

图2.铝颗粒燃烧特性

(a)不同超声波频率下铝颗粒的点火和燃烧过程比较；(b)铝颗粒的燃烧强度；(c)铝颗粒的点火延迟时间

图2为超声波作用下铝颗粒燃烧特性变化，（a）为燃烧过程对比，其中无超声波时火焰稳定，施加超声波后，火焰向左偏移（超声波振荡器位于右侧），且频率越高偏移越显著。33 kHz时出现铝液滴破碎现象，表明此时超声波力超过液滴表面张力。图2（b）可以看出超声波导致火焰压缩，灰度值下降，频率越高燃烧强度越低。这与热-声耦合效应导致的燃烧不稳定相关。由图2（c）可知超声波使点火延迟时间增加（25 kHz时最长），但33 kHz时延迟时间最短，这是因为超声波促进铝表面氧化层形成，但高频（33 kHz）通过瑞利破碎加速氧化层破裂。

图3. (a)不同频率超声下AP/HTPB推进剂的火焰形态；

(b)点燃延时和燃烧速率；(c)不同频率超声下最大光谱

图3展示了不同频率超声下的AP/HTPB推进剂燃烧特性变化。图3（a）中无超声波时火焰垂直燃烧表面，施加超声波后火焰向右偏移（振荡器位于左侧），频率越高偏移越明显，与声压对火焰结构的扰动一致。图3（b）中点火延迟时间随频率先增后减，在25 kHz时最长，同时燃料燃烧速率随频率线性增加，在40 kHz时达峰值（26.1%）。这可能是因为声压增强能够扩散燃料与空气混合速率。图3（c）中超声波的加入导致光谱强度降低，表明燃烧强度减弱，可能因声-热耦合引发能量耗散。

图4. 含铝复合推进剂燃烧特性

(a)不同频率超声影响下火焰形态；(b)点燃延迟时间和燃烧速率；(c)不同频率超声下的最大光谱；(d)CCPs的扫描电子显微镜(SEM)图像；(e)CCPs粒径分布

图4（a）展示了推进剂的燃烧图像，可以看出超声波导致了火焰波动，在33 kHz时出现大量小铝液滴，验证了超声波对铝颗粒的破碎作用。图4（b）显示了推进剂的点火延迟时间和燃烧速率。在没有超声的情况下，推进剂表现出最短的点火延迟；在应用超声的情况下，铝粒子的点火延迟时间增加。然而在33 kHz的超声频率下，点火延迟的增加是最小的。复合推进剂的点火延迟与其成分密切相关。超声可以促进AP/HTPB推进剂的点火。然而，当铝粒子着火时，在铝粒子的表面会形成大面积的氧化铝壳，需要更多的热量和热膨胀应力来熔化和去除氧化铝层。这最终会导致点火延迟时间的增加。关于燃烧速率，没有超声的推进剂表现出最低的燃烧速率。随着超声的应用，推进剂的燃烧速率最初增加，然后随着超声频率的增加而减小。AP和HTPB的热分解对复合推进剂有显著影响。燃烧速率。超声波产生的声压越高气相反应和扩散速率越大。图4（c）为推进剂燃烧的光谱强度。在超声未施加时，推进剂的燃烧强度最高。然而，当施加超声时，推进剂的燃烧强度随着超声频率的增加而降低。在推进剂燃烧过程中，超声的应用可能导致热声耦合效应，导致燃烧不稳定，最终降低推进剂的燃烧强度。

通过分析收集的样品，研究了推进剂的燃烧产物形态。图4（d）显示了在各种频率的超声波影响下推进剂燃烧产物的SEM图像。在没有超声波的推进剂中，燃烧产物颗粒明显大于有超声波的推进剂。当超声波频率为33 kHz时，燃烧产物颗粒最小。图4（e）为SEM与粒径分布。无超声波时CCPs粒径较大（D43=354 μm），33 kHz时降至267 μm（减少24%），直接证明了超声波能够有效抑制铝颗粒聚集。

图5. 超声场中推进剂燃烧的物理机制：(a)对铝的行为;

(b)对气相反应；(c)超声场中铝滴的碎裂行为；(d)AP/HTPB推进剂的数值计算

图5（a）可以看出当超声应用于燃烧推进剂时，铝颗粒受到超声和表面张力平衡的控制。超声引起铝液滴的振动，而表面张力稳定铝液滴。当超声施加在铝液滴上的力超过表面张力时，铝液滴的表面破裂，液滴尺寸减小。这个过程增加了铝颗粒和氧化剂之间的相对接触面积，从而增加了铝颗粒的燃烧速率，改善了热反馈，并提高了推进剂的燃烧速率。图5（b）中超声波的声压作用于推进剂的燃烧表面，这增加了燃烧表面附近的周围压力。这导致推进剂的扩散混合和化学反应速率增加，减小了扩散火焰与推进剂燃烧表面之间的距离。这种现象还改善了燃烧表面的热反馈，从而提高了推进剂的燃烧速率。基于AP/HTPB推进剂的数值计算验证了该机制，并建立了夹层燃烧模型。图5（c）展示了推进剂燃烧过程中铝滴的碎裂行为。在滴液完成分裂过程之前，它们处于相同的扩散火焰中。当滴液开始分裂时，明亮的氧化帽和较暗的铝滴开始变形。随着滴液变形，扩散火焰也发生变化。最终，滴液分裂成两个单独的滴液。这验证了超声波对推进剂中铝颗粒行为的影响。超声波在燃烧过程中导致铝粒子碎裂，从而增加其燃烧速率。铝粒子在燃烧过程中的碎裂行为进一步减小了CCPs粒子的尺寸，提高了燃烧效率。图5（d）为推进剂半个周期内的燃烧模拟结果。当超声波处于低谷时，推进剂的扩散火焰会减小，火焰与燃烧表面的距离增加。当超声波达到峰值时，推进剂的扩散火焰增加，距离减小。计算结果表明，在不使用超声波的情况下，半个周期内的平均推进剂燃烧速率增加8%。综合实验与数值模拟结果，超声波的应用增加了推进剂的燃烧速率。

本文通过实验研究与数值模拟相结合的方法，研究了超声波对铝颗粒、AP/HTPB推进剂和含铝复合固体推进剂燃烧特性的影响，揭示了超声波技术对固体火箭推进剂燃烧特性的调控机制及其在推力控制中的应用潜力。结果表明：

（1）超声波显著增加了铝颗粒的点火延迟时间，最高增幅达48.3%（25 kHz）。其机制在于超声波促进了铝颗粒表面氧化层的形成，但压缩气体环境抑制了氧化层扩散，导致熔融和氧化层破裂时间延长。

（2）超声波导致火焰偏移和压缩，燃烧强度（灰度值）随频率升高而降低。33 kHz时观察到铝液滴的瑞利破碎现象，表明超声波力超过液滴表面张力，产生更小的颗粒。

（3）超声波显著提高了AP/HTPB推进剂的燃烧速率，40 kHz时最大增幅达26.1%。这是因为声压增强燃烧表面附近的扩散混合速率，缩短扩散火焰与燃烧表面的距离，从而增强热反馈。同时高频超声加速了热分解产物的混合与反应，减少了推进剂的点火延迟时间。

（4）在超声对铝滴和燃烧火焰的双重作用下，铝/AP/HTPB推进剂的燃烧速率增加，铝粒子的团聚程度降低，从而减小了CCPs的尺寸。

Wen Z, Jing H, Hao F, et al. First applications of ultrasound technology in solid rocket propellant combustion promotion[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2024, 111: 107107.

选自微信公众号 声物理世界