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.西安近代化學研究所 含能材料全國重點實驗室,陜西 西安 710065;2.西北大學 化工學院,陜西 西安 710069;3.中國科學院 西安光學精密機械研究所 瞬態光學與光子技術國家重點實驗室,陜西 西安 710119)

引 言

固體含能材料已被廣泛應用于固體火箭發動機、粉末沖壓發動機與武器系統裝備等眾多領域,其本質都是通過高壓多組分復雜環境下的顆粒燃燒來實現能量的釋放與控制[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含能材料、金屬粉末和固體推進劑等[4-6],常見的固體燃料還包括煤炭、生物質與固體廢棄物等傳統能源燃料[7-8]。點火引燃是實現固體燃料燃燒釋能的基礎,其對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]。隨著人類對固體含能材料的燃燒過程與演化機制不斷探索,單顆粒、顆粒堆、顆粒云團以及藥柱等多種材料堆積形態的點火燃燒過程也得到越來越多的關注[10-11],而點火引燃的需求與方法也變得更為復雜且多樣化。因此,深入認識固體含能材料的點火引燃技術方法與點火燃燒特性,對于揭示固體含能材料的燃燒反應機理與改善固體燃料的點火燃燒性能具有重要的科研意義與實際應用價值。

點火引燃是固體含能材料或其他固體燃料在外部能量激勵下,從失穩狀態開始至剛好實現穩定自持燃燒這一期間的瞬態過程。能量傳遞主要通過熱傳遞和做功兩種方式實現,點火藥引燃[12]、熱絲點火[13]、平面火焰攜帶流[14]和激光點火[15]即為采用熱傳導、熱對流和熱輻射等單一或多種熱傳遞方式結合來實現顆粒點火引燃,而激波點火即為采用氣體壓力做功方式來實現顆粒自持燃燒[16]。在實驗研究方面,為了保障點火可靠性與模擬真實環境,通常需要根據固體含能材料的傳熱特性來確定點火方式,即點火引燃時的能量密度或升溫速率是影響點火概率的一項重要技術指標。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量隨時間的變化[17],而升溫速率可達105～106K/s的平面火焰攜帶流反應器等可用于單顆粒的點火燃燒特性研究[10]。在機理模型方面,不同點火引燃方式提供的熱邊界條件也存在著明顯不同,以點源為主的點火藥引燃、激光點火、聚光點火和熱絲點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]。不同的點火引燃方法會對固體含能材料的點火燃燒過程產生明顯差異,進而造成不同材料堆積形態的點火機理與點火模型存在區別。因而,有必要對點火引燃方法進行總結歸納,為固體含能材料點火燃燒的實驗與機理研究提供參考。

固體含能材料的點火引燃過程是一個涉及熱量、質量與動量傳遞的復雜多相流反應過程。通常固體含能材料在受到外部熱源輸入能量后,將發生加熱、熔化、蒸發等物理過程,同時伴隨著熱分解反應、凝聚相反應和氣相反應等化學過程[20]。點火燃燒特性參數即反映出固體含能材料在點火引燃過程中由緩慢氧化反應迅速過渡到劇烈自動加速反應過程的特性規律,同時也表現出該種燃料顆粒的點火難易程度、燃燒穩定性和燃燒速度等點火燃燒性能。例如,點火能量閾值、臨界點火距離和點火概率等反映了點火的難易程度[21],可用于固體含能材料儲存、運輸及燃燒釋能的臨界判據,而點火溫度、點火概率和點火延遲時間等則反映了點火引燃方法對固體含能材料的可靠性[22]。

本文綜述了固體含能材料點火引燃技術的研究進展,首先列表對主要的點火引燃方法進行總結歸納,然后針對各種方法討論了點火引燃技術的工作機理、性能特點以及其在點火燃燒基礎研究方面的應用,最后討論了點火引燃技術的前景展望。通過總結歸納不同類型點火引燃技術,聚焦于固體含能材料,有助于促進固體含能材料在點火燃燒基礎研究方向進行更加深入且廣泛的科學研究與技術應用。

1 點火引燃方法概述

目前,針對固體含能材料的點火引燃方法眾多,其中點火藥引燃方法是實際工程中應用最為廣泛的一種方法,激光點火和微波點火因具有升溫速率快且可控性高等特點而發展潛力巨大,激波點火可滿足超快加熱速率的需要,聚光點火可實現對光路的控制,電能點火具有多種電學效應且可集成控制,而熱氣流點火可實現對高離散性單顆粒的點火引燃。點火引燃方法的選取需將材料特性與方法特點進行匹配,綜合考慮點火機理、升溫速率、堆積形態等材料特性,以及系統復雜度、穩定性與集成難度等技術性能。

根據不同的點火機理與能量來源,本文將點火引燃方法劃分為基于化學能引燃、光能激發、電磁波、高壓沖擊波、電能激發以及氣固流動換熱等6種能量激勵方式。基于不同方法的點火引燃技術具有可控性、可靠性、可持續輸出與可量化的特點,這與固體燃料受外界刺激所發生的偶然著火燃燒存在明顯區別。表1為不同點火引燃方法匯總,下面將對基于上述6種方法的點火引燃技術在固體含能材料基礎研究方面的研究進展進行綜述。

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

2 點火引燃技術研究進展

2.1 基于化學能引燃的點火引燃技術

點火藥引燃技術是目前固體含能材料工程化應用最為廣泛的一類點火引燃技術,其是在外界初始激勵作用下,通過快速燃燒化學反應釋放出大量的熱、氣體和灼熱的固體殘渣,進而引燃火藥、炸藥與固體推進劑等其他含能材料[23]。點火藥在性能上需保證產生足夠的熔融態固體顆粒與適當程度的高溫高壓氣體兩方面的技術要求[12]。點火藥對主裝含能材料的點傳火過程是基于燃燒化學反應與熱傳遞的點火引燃過程,根據點傳火過程的不同,可將該類技術的點火機理分為固相熱點火、氣相點火與非均相點火3種理論[24]。該方法具有需進行材料制備,點火藥配方可根據主裝藥性能要求進行調節與適應性強等特點。

根據主裝藥的點火性能要求不同,可將點火藥劃分為常規點火藥與高能點火藥。其中,黑火藥在人類歷史中被長期應用,也是目前武器軍用與民用煙花中廣泛采用的點火藥。高能點火藥常被用于鈍感或難以點火的固體推進劑,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導彈火箭中心的Koc等[26]研究了硼顆粒粒度對B/KNO3點火藥性能的影響。結果表明,與含微米硼的點火藥性能相比,含納米硼的點火藥具有更高的燃燒熱值與增壓速率,且點火藥本身的點火延遲時間更短,但相對應的機械感度更高,并且對峰值壓力影響并不顯著。

美國陸軍武器研究發展工程中心的Rozumov等[49]針對火炮槍械系統的點火藥進行了研發,其將奔奈藥與硝化纖維/硼/硝酸鉀(NC/B/KNO3)進行了對比試驗。結果表明,NC/B/KNO3具有更短的壓力峰值時間,并且點火延遲時間與輸出能量具有很好的改善。

南京理工大學的鄧寒玉等[50]研究了真空環境下黑火藥對固體火箭發動機的點火性能,其將陣列式固體火箭發動機放置于真空罐中,測試獲取了不同點火位置和黑火藥質量下的點火壓力曲線和羽流情況。結果表明,對于前段點火試驗樣機,不同黑火藥質量下到達壓強峰值的時間均為5ms左右,而對于尾部點火試驗樣機,壓強峰值時間受黑火藥質量影響較大;真空環境下,試驗樣機的點火燃氣流量不穩定導致羽流擴張角出現明顯波動,即黑火藥呈現不穩定燃燒。

航天動力技術研究院的王金華等[27]采用黑火藥作為點火藥對多個型號的雙基推進劑固體火箭發動機進行了點火試驗研究,其采用傳統經驗公式計算點火藥質量,并設計了圖1所示的點火器結構。結果表明,傳統經驗公式適用于常規發動機,而對于小型固體火箭發動機,應將能量損失系數修正為0.7以改善固體火箭發動機點火性能。

圖1 用于固體火箭發動機的點火器[27]Fig.1 Schematic diagram of igniter used for solid rocket motor

北京理工大學的焦清介等[51]探究了鋁錳合金點火藥的燃燒性能與安定性,其將金屬粉的活化能作為點火性能判據,結果表明,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;與錳粉點火藥相比,鋁錳合金點火藥的燃燒峰壓、增壓速率和平均質量燃速更高,即該種點火藥的性能最為優異。

沈陽理工大學的梁杰等[52]針對含金屬粉點火藥的吸濕性進行了研究,其測試了分別含鎂、鋁和鋯3種金屬粉點火藥的吸濕率,并在密閉爆發器內測試了潮濕環境中3種點火藥的壓力特性。結果表明,鎂點火藥會受到潮濕環境的嚴重影響,潮濕環境下點火燃燒壓力下降89%～94%;鋯點火藥和鋁點火藥吸濕不明顯,潮濕環境下壓力分別下降5.6%～11.4%與0.2%～5%。

根據上述研究報道,基于點火藥的點火引燃是目前實際應用中一種重要的點火方法。可以看出,相關研究主要集中在對點火藥配方進行設計優化,使得壓力峰值時間縮短、輸出能量特性提高以及使用儲存更加安全可靠等方面,即高能鈍感是點火藥發展的主要方向。然而,實際應用時,點火藥的性能、配方以及質量等都偏向于傳統經驗公式,缺乏可直接用于設計選型的系統數據庫,同時缺乏從點傳火機理上對主裝藥點火過程的精準控制。因而,未來有必要針對高能低感點火藥進一步開展系統研究以提高點火藥設計水準與實現引燃過程的定量準確控制。

2.2 基于光能激發的點火引燃技術

2.2.1 激光點火

激光點火也是目前應用廣泛且發展潛力巨大的一類固體含能材料點火引燃技術,具有點火溫度高、升溫速率快、點火時間和能量可控、抗干擾能力強和安全性高等特點。激光點火是將受激輻射放大的激光能量作為點源或者線性源作用在固體顆粒表面,以平移、轉動或者振動等單一或多種方式增加顆粒表面的動力學能量,從而使顆粒中的分子鍵斷裂或發生化學反應,進而引發著火燃燒的一種技術手段[53]。

根據激光與固體燃料相互作用的機理不同,可以將激光點火機理分為激光熱電火、激光誘導光化學點火、激光誘導等離子體點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火機理為熱電火,光化學作用要求材料對激光波長具有很強選擇性,等離子體點火要求激光功率密度達到約1010W/cm2的氣體等離子體擊穿閾值[54]。

20世紀60年代中期,美國能源部、美國噴氣推進實驗室、瑞典國防研究局等率先開展激光點火與激光起爆的技術研究[9],其目的就是要取代傳統的熱電阻與雷管引爆技術,以實現對武器安全性能的要求。現有用于固體燃料顆粒的激光器包括固體激光器、半導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250MW且適用于炸藥的點火起爆研究;半導體激光器包括二極管激光器(Laser diodes,簡稱LD)和發光二極管激光器(LED激光器),出光功率可實現0.5～50W且光束質量高,適用于煙火藥和推進劑的點火研究;目前應用最為廣泛的氣體激光器包括CO2激光器和氦氖激光器等,由于價格低、結構簡單且可長時間穩定運行,功率通常為0.5mW～50W,常用于實驗室中對固體含能材料的研究[55]。此外,根據工作狀態的不同,可以將激光器劃分為連續激光器和脈沖激光器,前者可在較長時間內穩定持續輸出,并且激光激勵過程中各能級粒子數和輻射場均保持穩定分布,而后者單個激光脈沖寬度小于0.25s且間隔輸出,通常具有較大輸出功率[56]。

固體含能材料點火引燃的基礎研究已有大量文獻報道。Brish等[57]較早于1969年對采用激光引燃和起爆黑索今(RDX)和奧克托今(HMX)等含能材料的點火爆炸反應機理進行了分析。美國海軍空戰中心的Gross等[20]針對HMX激光點火過程建立了瞬態與穩態一維數值模型,其假設瞬態模型中點火過程發生于氣相部分并在火焰產生后回傳至HMX表面,即點火時存在“火焰反彈效應”,并考慮了凝聚相的輻射傳熱、固相熔融、汽化蒸發和半全局分解動力學,最終模擬值與實驗數據比較具有較好的一致性。

美國新澤西理工學院的Mohan和Dreizin等[30, 58]對微米級多分散含鋁顆粒氣溶膠的激光點火過程進行了理論計算、數值模擬與實驗研究。圖2所示為所采用的激光點火實驗平臺,主要包括了升溫速率為106K/s的CO2激光器和用于實現氣溶膠霧化的平行板電容器。結果表明,激光光束與微細顆粒之間的相互作用取決于顆粒尺寸,當金屬顆粒粒徑約為3.37μm時,金屬顆粒與激光的相互作用最為強烈。同時,其考慮熱平衡和簡化化學反應動力學模型,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火功率閾值和放熱反應的Arrhenius動力學參數。

圖2 多分散含鋁顆粒氣溶膠的激光點火實驗平臺[58]Fig.2 Experimental platform of laser ignition for polydisperse aluminum-containing aerosol

法國國家科學研究中心的Shafirovich和Sarou-Kanian等[59-61]分別將激光點火與電動懸浮相結合,研究了粒徑為微米級別呈單顆粒狀態的鋁顆粒、鎂顆粒、鈦顆粒和鎳包覆鋁顆粒等金屬顆粒的點火燃燒特性,結果發現鎂顆粒在CO2氣氛中的激光點火引燃行為存在明顯的臨界分壓,而鋁顆粒在CO2氣氛中點火概率低且點火燃燒行為與壓力無關。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火延遲時間和鋁顆粒引燃時的臨界點火溫度。

北京理工大學的石保祿等[15]研究了亞穩態分子間復合物(MIC)的激光點火行為,結果發現對于表面包覆鎳和磷雙涂層的微米鋁顆粒,較高磷含量的MIC材料在復合推進劑中具有較短的點火延遲時間。

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

浙江大學的苑繼飛等[65]采用功率連續可調CO2激光器開展了Al/AP/HTPB復合固體推進劑的點火燃燒實驗,研究了鋁顆粒在近燃面區域的團聚形態與過程。圖3所示為激光點火系統的示意圖和實物照片。結果表明,鋁顆粒在固體推進劑燃面形成團聚體的過程包括堆積、聚集和團聚3個階段;燒結鋁液滴在燃燒表面會發生破裂并噴出液態氧化鋁,這表明團聚體具有非均質組成特征;所統計400個鋁顆粒團聚體的粒徑范圍為51～815μm,所統計176個鋁顆粒團聚體的速度范圍為13～196cm/s,同時團聚體的移動速度隨粒徑的增大而逐漸減小。

圖3 用于固體推進劑顆粒燃燒的激光點火實驗系統示意圖和實物照片[65]Fig.3 Schematic diagram and photo of the laser ignition platform for solid propellant

西安近代化學研究所的趙鳳起等[66]研究了兩種金屬有機骨架材料(MOFs)對單質含能材料六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)的激光點火和火焰傳播特征,結果發現這兩種MOFs可以有效降低CL-20點火功率閾值和點火延遲時間,并且火焰變得更為明亮。此外,國內西安近代化學研究所也針對固體燃料單顆粒搭建了如圖4所示的激光點火實驗平臺,重點針對以含能材料為主的固體燃料單顆粒開展深入研究。

圖4 固體燃料單顆粒的激光點火實驗平臺Fig.4 Experimental platform of laser ignition for single particle

根據上述研究進展,可以看出,激光點火在固體含能材料領域已展開了廣泛且深入的研究工作,國外激光點火應用較早,而國內相關研究起步較晚但發展迅速。目前,激光點火已在單顆粒、顆粒堆與藥柱等多種材料堆積形態開展了相關研究。該類技術已成為固體含能材料點火燃燒特性研究的常用方法,并且激光點火技術正朝著小型化光源、大功率光源、脈沖激光與多點激光點火等方向發展。此外,目前國內仍然缺乏含能材料單顆粒的激光點火實驗研究、含能材料激光點火燃燒模型構建以及多種激光誘導點火機制共同作用機理研究等方面內容,后續工作可著重考慮這些問題以使含能材料的激光點火研究更加深入。

2.2.2 聚光點火

聚光點火是將功率較大或瞬時功率極強的氙氣燈等光源作為點火熱源,同時通過光的幾何特性進行傳輸和聚焦,進而實現固體含能材料著火引燃的一種技術手段,因而也被稱之為光熱點火或氙燈點火。該類技術具有可調節光路、點火溫度高、直流供電安全可靠與結構簡單的特點,適合對高壓密閉燃燒室內固體燃料顆粒的持續加熱[67]。根據氙燈光源特性,可以分為長弧氙燈、超高壓短弧氙燈和脈沖氙燈,其中脈沖氙燈可實現極強的瞬時功率,其瞬時亮度可達1010～1011cd/m2,是目前除激光外的最亮光源[32]。

目前,聚光點火在以固體含能材料為主的固體燃料方面已有較多報道。國外更多關注特定固體材料在不同輻射波長下的光敏特性或光誘導反應特性所導致的點火現象。2002年,美國倫斯勒理工學院的Ajayan等[68]首先發現了單壁碳納米管在閃光燈下發生點火現象。意大利薩倫托大學的Visconti等[69-70]采用氙燈閃光點火方式對含金屬納米顆粒的碳納米管進行了光誘導點火特性的實驗研究,并提出了光子吸收與電子轉移使材料發生自由基氧化反應,進而發生點火燃燒的物理化學解釋。

美國普渡大學的Uhlenhake等[71]采用氙燈閃光點火系統對納米鋁顆粒與聚偏氟乙烯構成的薄膜材料進行了點火特性研究,結果表明,納米鋁顆粒的裝載量是控制點火能量閾值的主導因素;當納米鋁顆粒質量分數為20%～25%時,所構成的薄膜材料具有最低的點火能量,最小的氙燈點火能量為4.7J/cm2。

而國內更加關注聚光輻射所產生的光熱效應對不同固體含能材料點火燃燒特性的影響。浙江大學的劉建忠等[72]采用聚光升溫點火實驗平臺研究了0.1～1.3MPa壓力條件下呈顆粒堆形態的鋁粉與RDX機械混合物的點火燃燒特性,結果發現,較高的壓力有利于提高樣品的燃燒強度,但過高的壓力會限制燃燒火焰形貌的發展;當壓力由常壓上升至1.3MPa時,點火延遲時間由1004ms縮短至319.2ms;當壓力從0.4MPa升高至1.3MPa時,自維持燃燒時間由733.6ms縮短至560.8ms。

西安交通大學的閆治宇等[73]基于聚光點火平臺研究了含能材料RDX以顆粒堆形態堆積時的點火燃燒過程以及NO、OH等基團濃度變化,結果表明,RDX的點火延遲時間為16.735s,而燃燒持續時間為355ms;整個RDX反應過程分為吸熱、蒸發分解、著火燃燒及反應結束4個階段,而NO存在明顯的兩階段生成規律,分別對應熱分解過程與燃燒過程。

西安近代化學研究所的王曉峰等[34]研究了含能材料1,1′-二羥基-5,5′-聯四唑二羥胺鹽(TKX-50)在聚光作用下的點火反應特性,結果發現,TKX-50整個燃燒反應持續時間約為5.5s,經歷熱解、點火燃燒與反應結束3個階段;TKX-50在點火燃燒階段直接由固相轉變為氣相,并且火焰發出耀眼的橘黃色亮光,這與傳統含能材料RDX和AP等在熱解階段所發生固液熔融相變存在明顯區別。

國防科技大學的夏智勛等[33, 74-75]采用球型短弧氙燈點火加熱系統對硼顆粒、鎂顆粒和凝膠液滴等顆粒堆和大粒徑單液滴開展了點火與燃燒過程的實驗與機理研究,所采用的氙燈光束聚焦后可實現形成30mm光斑且升溫速率可達到500K/s,其建立了考慮斯蒂芬流和聚光點火的一維硼顆粒點火模型與考慮氧化層受力平衡和CO2氣氛的鎂顆粒點火模型。研究結果表明,聚團硼顆粒的點火溫度比單顆粒硼低;采用鎂粉方式可以使聚團硼顆粒的點火延遲時間縮短,但對硼顆粒的點火溫度影響不大;采用光強匹配方法解決了燃燒過程中高光強難以觀測的問題,并清晰觀察到CO2氣氛中鎂顆粒點火燃燒過程中發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裂痕等典型現象。

此外,聚光點火在煤炭等固體燃料方面也有重要應用。華中科技大學的李寒劍和胡松等[35, 76-77]利用聚光點火技術對壓型煤顆粒和壓型生物質顆粒進行了點火燃燒特性研究。圖5為其搭建的聚光光熱燃燒實驗系統,該系統整體設計為密封加壓腔室結構,采用高功率鹵鎢燈作為熱源,配置有稱重模塊、測溫模塊和配氣模塊。研究結果表明,該實驗系統可實現4.0～69.4K/s寬范圍升溫速率調節;隨著升溫速率的增加,煤顆粒的著火機理將由異相著火轉化為均相-異相著火,當升溫速率達到52.4K/s時進一步轉化為均相著火;煤顆粒的點火延遲時間與固相區溫度、煤種、氣相區溫度和氧濃度滿足數學方程關系。

基于上述研究情況,聚光點火已經在包括碳納米材料、單質含能材料、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用,國內外對該類技術的側重點有所不同,相比國外更多關注光敏材料的研發,國內利用聚光點火的光熱效應在固體含能材料點火燃燒的基礎研究方面更為深入。聚光點火可以模擬實際環境中顆粒受到強光輻照的安全閾值特性,同時可通過改變光路來獲取連續光譜進行加熱點火,但目前該類技術因焦點較大且亮度掩蓋燃燒火焰等原因尚未應用于微納米尺度的單顆粒,同時在點火燃燒機理方面仍然缺少光壓效應、光熱效應以及其他因光照輻射效應等耦合作用的分析報道。

2.3 基于電磁波的點火引燃技術

微波點火是通過頻率300MHz～300GHz或波長1mm～1m電磁波對固體含能材料進行加熱,并根據不同材料對微波所具有的透射、反射與吸收等選擇性作用,使物質內部或表面升溫進而實現點火燃燒的技術手段[78]。微波在現代社會中常用于通信系統和食品工程,而微波點火主要利用微波的熱效應、穿透性和選擇性加熱等特性對固體含能材料進行升溫點火,該類技術具有加熱效率高、高度定向加熱、整體性加熱與選擇性加熱等優異特性。圖6為微波加熱原理,即材料內部的極性分子或官能團在微波高頻電場作用下發生每秒數十億次的反復偶極子轉向極化而摩擦生熱[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,金屬等可使微波發射而使加熱通常發生于金屬表面[39]。

國外針對微波加熱與點火方面的研究開展較早,并且針對微波點火的技術設計與點火機理研究較為系統。三硝基甲苯(TNT)等單質含能材料對微波呈透射作用,通常在其中加入碳材料作為吸波材料以強化單質含能材料的微波點火特性。德州理工大學的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構成復合材料后對微波吸收特性的影響。實驗時將各種添加劑按照質量分數1%與TNT進行復合,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。結果表明,碳材料殼體形狀對微波加熱具有重要影響,其中球形碳粉幾乎沒有吸波受熱,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性,有效增強了復合材料整體的傳熱效果。

金屬顆粒具有導電性,但同時對微波呈現反射特性,將金屬與非金屬相結合形成復合材料可以改善材料的吸波性能,因而采用微波點火方式對MIC進行點火燃燒是目前研究的熱點。以色列特拉維夫大學的Jerby和Meir[37]基于約100W低功率微型固體微波鉆開展了鋁熱劑Al/Fe3O4的局部點火實驗,并探究了點火過程中的熱-電磁耦合相互作用機理,結果發現,鋁熱劑在微波3s連續發射情況下實現了點火,顯著縮短了鋁熱劑的點火作用時間。

美國加州大學河濱分校的Zachariah等[80-81]基于微波點火探針和金屬3D打印開展了納米鈦顆粒對納米鋁熱劑Al/PVDF的局部微波點火實驗,并研究了含納米鈦復合材料的點火機理,其采用噴墨直寫技術將納米鈦和納米鋁分別與PVDF復合形成Ti/PVDF和Al/PVDF薄膜,采用微波點火探針對薄膜材料進行點火,微波頻率為2.45GHz且功率為15W。如圖7所示,結果表明Al/PVDF薄膜暴露于微波下30s無法被點燃,而微波可輕易點燃納米鈦顆粒與質量分數約為65%的Ti/PVDF薄膜;Ti/PDVF復合材料在微波輻射下的點火是由加熱速率和燃燒反應動力學控制的,同時溫度的升高對該材料的點火延遲時間并無影響。

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

國內在微波點火技術方面也逐步開展了相應研究并將該種點火引燃方法應用于固體含能材料。電子科技大學的岳亞楠和涂兆正等[82-83]分別對含能材料的微波點火裝置開展了研發工作,前者考慮到黑火藥的介電常數較低即吸波性能較差,因而設計微波腔體內小錐臺結構,進而有效增強電場強度并降低腔體擊穿閾值,后者基于微波的同軸諧振原理設計了3款用于點火的腔體結構,分別為無探針、單探針和多探針結構,以滿足整體加熱、單點點火和多點點火的需求。

此外,微波點火也可用于煤炭顆粒的點火燃燒。哈爾濱工業大學的趙廣播和周偉等[84-86]采用微波點火方式對無煙煤等低揮發分煤種進行了實驗研究與數值模擬,其采用腔體型反應器對固體燃料顆粒進行加熱點火。結果表明,微波誘導等離子體放電點火的燃燒產物中CO2所占比例明顯高于與單獨采用微波點火方式后燃燒產物中CO2比例,前者為84.6%而后者為73.2%,表明微波誘導等離子體點火方式比單獨微波點火方式能夠更有效促進無煙煤完全燃燒。

根據上述研究進展可以看出,隨著吸波材料和點火系統的不斷研發,微波點火已逐漸在MIC、含碳含能材料和煤炭等固體燃料方面進行了應用。國外對微波點火在固體含能材料方面的基礎研究更為全面且深入,而國內在微波點火裝置研發、吸波材料制備與表征以及含能材料的微波點火基礎研究方面仍然研究較少。此外,除直接加熱物體以外,微波還具有誘導產生等離子的作用,通過等離子體方式對固體含能材料點火也是微波點火技術的重要組成部分,這種誘導產生等離子體進而引燃固體含能材料的方式是否對燃燒效率與點火性能等有所改善,這方面也值得深入探討研究。

2.4 基于高壓沖擊波的點火引燃技術

激波點火,亦稱為激波管點火或沖擊波點火,是采用激波管裝置通過高壓氣體膨脹做功方式,通過入射激波和反射激波對反應介質進行均勻非等熵壓縮,使固體含能材料在瞬間受到高溫高壓氣體沖擊進而發生點火引燃。激波點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程中能量傳遞及點火燃燒特性的一類重要技術手段[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驗平臺。該裝置由高壓驅動氣體段和低壓從動氣體段兩部分組成,中間采用聚酯薄膜隔開,同時低壓從動氣體段端部放置有待點火燃燒的固體含能材料及布置有相應的壓力測量與高速攝像等測量部件;當薄膜在高壓氣體擠壓下發生破裂,高壓氣體瞬間膨脹到達激波管端部,引起固體含能材料快速升溫進而發生點火燃燒。激波點火的特點是具有超快加熱速率[40],非常適合對云團懸浮狀態的顆粒、霧滴與氣溶膠進行點火引燃,可用于探究云爆彈的燃燒傳遞[88]、粉末沖壓發動機噴管處燃燒[41]以及再入飛行器的材料熱蝕特性[89]等軍事和航天領域的固體含能材料點火燃燒特性。

圖8 固體燃料顆粒激波點火實驗系統示意圖[16]Fig.8 Experimental platform of shock wave ignition for solid fuel particles

目前,激波點火在固體含能材料基礎研究方面已有較多報道。美國伊利諾伊大學厄巴納香檳分校的Bazyn等[90-92]采用激波點火研究了粒徑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火燃燒特性。結果發現,氫化鋁顆粒的點火實驗中,氫在遠低于鋁顆粒點火溫度下發生解析,即氫化鋁氧化過程包括快速脫氫和鋁顆粒燃燒兩個主要部分;鋁顆粒的燃燒時間在氧氣中隨壓力增加而急劇降低,而在水蒸氣和CO2氣氛下燃燒時間隨壓力增加略微增加,表明鋁顆粒在氧氣中發生劇烈氧化反應。

法國圣路易研究所的Schl?ffel等[93]研究了粒徑5μm金屬鋁顆粒的激光點火行為,并采用惰性氣體氬氣作為高壓驅動氣體以探究沖擊作用的單獨效果。結果表明,即使在Al2O3揮發溫度以下且無氣態氧存在的情況下,仍然能夠探測到AlO分子并且激波在經過顆粒后立即發出強烈亮光,證明了激波的沖擊作用對金屬鋁顆粒的點火燃燒反應機制具有重要的影響。

韓國忠南大學的Shin等[16]采用激波管研究了納米鎳包覆鋁顆粒的點火燃燒特性。結果表明,具有鎳包覆鋁顆粒的點火延遲時間為1334.3μs,明顯低于純金屬鋁顆粒的1818.8μs,并且點火延遲時間隨樣品中鎳質量分數的增加而降低。

北京應用物理與計算數學研究所的洪滔等[94-95]較早于2002年左右針對激波作用下鋁顆粒的點火機制進行了探索分析。結果發現,鋁顆粒的激波點火與顆粒尺寸、氧化物厚度以及入射激波強度相關,并且鋁顆粒可以在遠低于Al2O3熔點的溫度范圍被點火。

中國工程物理研究院的胡棟等[87, 96]采用激波管對鋁、硝基甲烷、TATB等多種含能材料的快速反應特性進行了研究,發現了許多微觀層面含能材料反應的實驗現象。實驗結果表明,當激波馬赫數大于5.6時,激波后溫度高于2100K,此時鋁粉的點火延遲時間明顯比低于2100K工況時的點火延遲時間少;當溫度高于2100K時,鋁顆粒表面氧化層熔化(Al2O3熔點約2300K)使鋁發生點火;而當溫度低于2100K時,由于熱應力作用氧化層破碎而使鋁顆粒點火。

重慶大學的梁金虎等[97]基于激波管對不同粒徑鋁粉在不同氧化氛圍中的點火燃燒特性進行了研究,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鋁顆粒的點火燃燒屬于動力學控制過程,而6μm鋁顆粒在CO2和H2O氣氛下的點火燃燒屬于擴散控制過程。

天津大學的鄂秀天鳳等[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自由基發射率曲線,其定義點火延遲時間為OH自由基發射率到達峰值的時間。結果表明,添加質量分數5%納米鋁顆粒后可使HD-01和四環庚烷兩種高密度液體碳氫燃料的點火延遲時間縮短50%,并使燃燒火焰更加明亮且實驗后激波管內無固體沉積。

圖9 激波點火過程中的壓力曲線與OH發射率曲線[98]Fig.9 Curves of pressure and OH emissivity during shock wave ignition

根據上述研究內容,激波點火已在固體含能材料方面有所應用,通過激波管結合高速攝像、光纖光譜儀等測試設備,可以快速定量地獲取固體燃料顆粒的點火燃燒特性。然而,目前公開的文獻報道主要針對鋁顆粒等高活性金屬顆粒的激波點火過程進行研究,而對于RDX、HMX和CL-20等單質含能材料的快速反應特性缺乏點火燃燒特性方面的基礎研究報道,同時在點火燃燒過程中激波面與顆粒之間氣固兩相流動過程也需要進一步的研究與認識。

2.5 基于電能激發的點火引燃技術

基于電能激發的點火引燃方法是將電能作為能量來源,通過電能所產生的感應渦流效應、焦耳效應、電弧放電、等離子體等轉換為熱效應或降低燃燒反應活化能,進而實現固體含能材料的點火引燃。該類方法一般具有較為復雜的裝置設計,但同時具有結構簡單、操作便捷、可控性強與集成度高等特點。基于電能激發所集成制造的點火器與引信也是目前實際工程中所廣泛應用的重要裝置[99]。

俄羅斯托木斯克理工大學的Glushkov等[42]采用電感線圈加熱金屬基底以實現導熱點火的方式,研究了陶瓷表面粗糙度對非金屬化和金屬化的凝膠燃料顆粒點火燃燒性能的影響。圖10為其采用的點火燃燒實驗系統。結果表明,當陶瓷表面積增量不超過1.6%時,表面粗糙度不會影響凝膠燃料的最低點火溫度,而當表面粗糙度貢獻的表面積增加到6.3%與8.2%時,凝膠燃料的最低點火溫度分別增加了10℃和20℃;通過改變陶瓷表面粗糙度,可以在±35%的相當大范圍內控制凝膠燃料的點火延遲時間。

中國科學技術大學的孫金華等[44]采用高壓靜電點火方式對鋁顆粒云團中火焰燃燒與傳播過程進行了實驗研究,其所采用的點火系統包括一對電極和可輸出15000V高電壓的霓虹燈變壓器。結果發現,鋁顆粒云團火焰由約3mm厚的預熱區和5～7mm厚的燃燒區兩部分組成;在鋁顆粒云團的燃燒區,每個鋁顆粒周圍均可觀察到呈離散狀態的氣相火焰。

國防科技大學的黃利亞等[43]基于鎳鉻電阻絲進行直流供電后產生的焦耳效應,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境中的點火燃燒過程。結果發現,氣相氧化鎂在鎂單顆粒表面出現冷凝,且燃燒后產物呈現為一種無序氧化鎂晶體的多孔氧化殼狀形態。

西安交通大學的邱愛慈等[45, 100]研究了銅絲電爆炸所產生等離子體對含能材料混合藥柱引燃起爆的驅動特性,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成引燃系統,實驗時采用快脈沖電流驅動使銅絲產生電爆炸現象并同時釋放出等離子體,進而實現藥柱的點火引燃。實驗結果表明,當引燃系統的儲能較低時,銅絲存在最優參數以使其對藥柱的引燃效果最佳,而當系統儲能較高時,銅絲直徑等參數對藥柱引燃的影響不顯著。

根據上述研究報道可以看出,基于電能激發的點火引燃方法具有多種電學效應,可將電能向材料表面傳遞以實現固體含能材料在分子層面的燃燒化學反應,這也是一類較為龐大且點火機制復雜的點火引燃技術。該類技術可實現無線電通信、電能激發與含能材料等多學科交叉,具有較為廣闊的應用前景,但目前基于電能引燃固體含能材料的眾多點火機制尚未完全清晰,各種機制對含能材料的作用機理與主導效果依然缺乏系統研究。因而,在該類技術領域有必要基于解耦方法開展不同類型單一機制對固體含能材料點火燃燒特性的實驗與機理研究,進而推廣該方法在點火器與引信等裝置領域的集成應用。

2.6 基于氣固流動換熱的點火引燃技術

相比于通過點源能量輸入實現自持燃燒的點火引燃方法,熱氣流點火是在外部熱源持續作用下,通過高溫氣體與固體含能材料之間多相流動并結合熱傳導、熱對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,進而發生點火燃燒的一類技術。該類技術由于具有工作原理簡單、升溫速率可選擇、工況參數可設置等特點而廣泛用于固體燃料單顆粒與顆粒堆的點火燃燒特性實驗測量[101]。

按照氣流對顆粒樣品是否具有攜帶作用,可劃分為靜態樣品氣流點火和動態攜帶流點火兩種類型[14],前者通常包括熱重(TG)、差示掃描量熱儀(DSC)和固定床反應器等典型裝置,后者通常包括管式沉降爐、平面火焰反應器、湍流火焰反應器等多種類型裝置。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生氣固多相反應,而采用動態攜帶流后固體顆粒將在高溫氣流熱傳遞作用下發生明顯的點火燃燒現象,其中管式沉降爐的升溫速率為102～103K/s,而火焰燃燒反應器的升溫速率為105～106K/s[47]。

基于靜態樣品氣流點火的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的熱分析手段。TG分析是在程序升溫下,獲取樣品質量與溫度之間變化關系;與之相類似,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系。這兩種分析方法均采用將樣品固定于坩堝內,通過不同升溫速率的熱氣流與樣品進行氣固反應,再通過高精度的熱天平或者溫度傳感器獲取物質特性變化的定量化過程,可用于描述固體燃料顆粒的熱穩定性、熱安全性、熱分解情況以及進行反應動力學分析等。

西北大學的李軍鋒等[102]基于TG分析和DSC分析研究了5種四嗪類含能化合物的熱行為,獲取了非等溫反應動力學參數、熱分解動力學機理函數、表觀活化能、活化熵、活化焓及活化自由能等。

東北電力大學的盧洪波等[46]研究了不同升溫速率對祁連塔煤點火燃燒特性的影響,獲取了點火溫度、燃燒時間、燃燒最大速率和燃燼度等特性參數。結果表明,升溫速率越高,煤的點火溫度越高,燃燒時間和燃燒最大速率越短,燃燒反應活化能越低。

固定床反應器也是目前應用十分廣泛且成熟的一種用于固體燃料顆粒的多相反應器,其是將靜止顆粒樣品放置于反應管中而高溫氣流穿過顆粒進而使顆粒發生氣固多相反應,常用于煤和生物質等方面的研究[104]。中國科學院過程工程研究所的Wang等[103]采用熱重分析和固定床反應器開展了大粒徑煤焦單顆粒的程序升溫燃燒實驗,同時考慮外部氣體擴散、灰分層形成和化學反應等的影響建立了簡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力學、表觀動力學及有效反應區厚度。圖11為其采用的實驗平臺。結果表明,氣體溫度和顆粒尺寸對整體反應活性具有顯著影響;在顆粒燃盡階段,燃燒速率控制過程由本征動力學反應轉向灰層擴散反應,然后又轉換到本征動力學反應。

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

目前,基于動態攜帶流的熱氣流點火技術已在固體燃料單顆粒方面進行了廣泛的研究與應用。美國新澤西理工學院的Dreizin等[105-106]將粒徑范圍1～40μm的多分散鋁顆粒從火焰發生器中心攜帶噴出,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火燃燒特性。結果表明,湍流強度的增加可以大幅縮短鋁顆粒的燃燒時間;層流火焰中鋁顆粒燃燒速率乘以與湍流強度相對應的系數可以用于預測湍流火焰中鋁顆粒燃燒速率。

德國達姆施塔特工業大學的Li等[107-108]采用預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火特性與揮發分燃燒過程,并基于歐拉-拉格朗日框架進行了數值模擬。圖12為其采用的平面火焰燃燒反應系統。結果表明,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分燃燒過程;點火延遲時間和揮發分燃燒持續時間均隨氧含量的增加而縮短,且粒徑越大越顯著。

圖12 預混氣體燃燒形成層流火焰的平面火焰反應器:(a) 實驗系統示意圖;(b) 燃燒顆粒和平焰的光度照片;(c) 示意圖虛線區域中二維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火燃燒特性。實驗結果表明,單顆粒鐵的燃燒動態演化過程主要經過加熱、熔融、加速燃燒以及冷卻等階段;如圖13所示,基于燃燒強度變化確定了點火延遲時間、加速燃燒時間與二次燃燒時間等特性參數,且上述參數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物表面存在納米顆粒,推測這些顆粒是燃燒過程中鐵蒸汽凝結產生的。

圖13 單顆粒鐵的燃燒強度變化與燃燒動態演化過程[109]Fig.13 Variations of combustion intensity and combustion evolution for single iron particle

寧夏大學的謝非等[110]采用沉降爐研究了不同氣氛下煤粉單顆粒火焰的堿金屬光譜輻射特性,其通過在可視化沉降爐中對火焰圖像和發射光譜進行采集,探究火焰溫度及堿金屬輻射強度的變化。結果表明,煤粉單顆粒火焰呈現典型包絡結構;當氧濃度升高至50%工況時,煤粉顆粒燃燒過程中發生破碎行為;火焰中Na和K兩種元素的輻射峰值強度隨氧濃度的增加而增加。

清華大學的孔成棟等[48, 111]基于Hencken平面火焰燃燒器對納米鋁單顆粒和鋁顆粒團的點火燃燒特性與燃燒反應機理進行了對比研究。結果表明,單顆粒燃燒過程始終受氧化層內離子擴散控制,而顆粒團更多受顆粒外部氣體擴散控制;內應力對單顆粒具有促進反應作用,而對顆粒團具有破裂氧化層增加或減小反應速率的兩面性;采用平面激光誘導熒光技術(PLIF)測量AlO基團發現,顆粒火焰輻射在1900K以下表現為熱輻射,而超過1900K時才會出現微弱的AlO振動譜,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控制。

華中科技大學的柳朝暉等[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火燃燒特性。結果發現,隨著壓力升高,煤粉單顆粒表面氧氣擴散速率降低,點火延遲時間增加,并且揮發分析出受到抑制而使火焰包絡尺寸減小;加壓條件下,焦炭點火發生在揮發分燃盡之前,同時焦炭燃盡速率減慢。

此外,國內眾多高校科研機構均對基于平面火焰動態攜帶流的熱氣流點火技術有所研究與應用,包括國內西北工業大學[14]、國防科技大學[19]等,同時,西安近代化學研究所也搭建了如圖14所示的加壓Hencken平面火焰燃燒實驗平臺,主要用于對含能材料單顆粒進行點火燃燒特性研究。

圖14 加壓Hencken平面火焰燃燒實驗平臺Fig.14 Experimental platform of pressurized Hencken flat flame reactor for single solid particle

根據上述研究內容,在固體含能材料的點火燃燒特性基礎研究方面,基于靜態樣品氣流點火和動態攜帶流點火的熱氣流點火技術已經被廣泛應用且發展相對成熟。目前已有大量文獻對固體燃料單顆粒的熱氣流點火技術進行了報道,然而上述研究內容主要集中在金屬顆粒和煤粉顆粒兩方面,缺少針對以RDX、HMX和CL-20等為主的單質含能材料單顆粒及復合含能材料顆粒采用動態攜帶流的相關研究,同時更缺乏含能材料單顆粒的燃燒動態演化過程及點火燃燒模型。固體含能材料單顆粒在動態攜帶流中的點火燃燒過程非常適合模擬固體推進劑中各組分顆粒的多相流動與反應過程。因而,十分有必要開展基于動態攜帶流點火技術的含能材料單顆粒點火燃燒特性與點火燃燒機理相關研究,能夠為我國掌握固體含能材料的點火燃燒本征機理以及釋能與控制規律提供重要的實驗數據及理論基礎。

3 總結與展望

點火引燃方法是基于不同來源能量,采用可控、可靠與可持續輸出方式實現能量轉換,使固體燃料顆粒發生自持燃燒反應的一類技術方法。點火引燃是固體燃料顆粒在微觀分子層面發生化學反應,進而在宏觀層面發生發光發熱以及呈現火焰結構等燃燒特征的瞬態過程。點火引燃技術的選擇不僅取決于系統復雜度、穩定性與集成難度等性能特點,還需要考慮固體含能材料的點火機理、升溫速率、材料堆積形態等反應介質特性的影響。近年來,隨著能量轉換方式多樣化與能量轉換控制愈加精確,固體含能材料點火引燃新方法與新技術不斷涌現,并不斷拓展固體含能材料的應用領域。

總結歸納了6種基于不同能量激勵方式的點火引燃方法,分別為化學能引燃、光能激發、電磁波、高壓沖擊波、電能激發以及氣固流動換熱。綜合以上技術方法的應用現狀與研究進展,固體含能材料的點火引燃技術在未來必將向具有更廣泛材料適用性、可精確控制能量轉換與輸出、可實現測量儀器裝置集成等方向進行發展。

目前,多種點火引燃技術已經應用于單質含能材料、復合含能材料以及固體推進劑等類型固體含能材料,開展了含能材料在闡明微觀點火燃燒機理、探索含能材料安全特性、支撐含能材料技術應用等方面研究。然而,綜合國內外研究進展,固體含能材料的點火燃燒基礎研究仍然還需要進行更加深入且廣泛的研究與技術應用,重點發展方向包括:

(1)著重開展單質含能材料單顆粒的點火燃燒特性研究,獲取不同點火引燃方法下點火延遲時間、點火能量閾值、臨界點火距離、點火概率與點火溫度等特性參數的變化規律,準確構建單顆粒點火燃燒模型,深入理解單質含能材料點火燃燒的本征機理,展開普適性研究和規律總結,提升單質含能材料點火燃燒的基礎理論水平。

(2)探索構建單質含能材料為重點的單顆粒、顆粒堆、顆粒云與藥柱等多種堆積形態的點火燃燒研究體系,揭示固體含能材料在復雜氣固多相流環境下的點火燃燒機理,豐富和完善含能材料的點火燃燒性能基礎研究與技術研發體系。

(3)開展以固體推進劑為主的固體含能材料點火燃燒特性控制規律研究,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火引燃方法性能參數等對點火燃燒特性的影響規律,構建形成點火燃燒特性控制策略,為固體含能材料點火引燃過程實現更精準控制提供新思路。