镁铝基水反应金属燃料推进剂燃烧性能研究.pdf

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1、镁/铝基水反应金属燃料推进剂燃烧性能研究高明2015年1月中图分类号：TQ519UDC分类号：662镁/铝基水反应金属燃料推进剂燃烧性能研究作者姓名高明学院名称材料学院指导教师郭晓燕副教授答辩委员会主席杨荣杰教授申请学位工学硕士学科专业材料科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月StudyonCombustionofMagnesium-AluminumAlloyHydro-ReactiveFuelPropellantUsedforWaterRamjetCandidateName：GaoMingSchoolorDepartment:Materi

2、alScienceandEngineeringFacultyMentor:associateProf.GuoXiaoyanChair,ThesisCommittee：Prof.YangRongjieDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MaterialScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我

3、所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要水冲压发动机是一种新型的先进动力装置，它只携带富燃的水反应金属燃料，采用外界的海水为主氧化剂。水冲压发动机的关键技术之一是研究和掌握水反应金属燃料与水的反应特性，其反应特性是该类发动机高效燃烧和高效能量转换的基础和核心。在国内外对镁基和铝基等金属燃料大量研究的基础上，为解决

4、金属/水推进剂点火和燃烧困难等问题，为提高金属的反应速率和反应程度，本文以雾化镁/铝合金为研究对象，通过高能球磨工艺和低熔点金属Bi提高合金的水反应活性，并对镁/铝基水反应金属燃料的燃烧性能进行研究，分析了合金中镁和铝在一次燃烧和二次燃烧中的燃烧效率。具体内容如下：首先，研究了镁/铝合金水反应金属燃料的燃烧过程与机理。测定了水反应金属燃料的燃速、爆热和一次燃烧固相产物组成等，测量了二次燃烧固相产物的剩余铝含量。结果表明：水反应金属燃料中的镁/铝合金发生分步氧化，在一次燃烧中主要是合金中的镁发生了氧化反应，在二次燃烧中随着一次燃烧产物中镁的进一步氧化，其中的铝在镁

5、发生氧化后才能更好地氧化。其次，本文通过高能球磨法和添加低熔点金属Bi高能球磨制备了高活性镁/铝合金，采用SEM、XRD、粒度分布、比表面积分析以及TGA等多种测试方法对镁/铝合金粉进行测试表征。结果表明：在高速转动的钢球撞击作用下，球形镁/铝合金破碎，粒径减小，镁/铝合金活性增强，高能球磨是一种有效提高镁/铝合金活性的方式；高能球磨时添加了低熔点金属Bi后，进一步提高了镁/铝合金的活性。再次，将制备的两种高活性镁/铝合金应用到水反应金属燃料中，研究了高能球磨镁/铝合金和添加Bi后高能球磨镁/铝合金在水反应金属燃料推进剂中的燃烧过程与机理。并在实验配方中添加氟化

6、物来改善水反应金属燃料推进剂燃烧效果。结果表明：高能球磨制备的高活性镁/铝合金在水反应金属燃料的燃烧中具有更高的镁和铝燃烧效率，添加了低熔点金属Bi后镁和铝燃烧效率进一步提高，氟化物也能提高镁/铝合金水反应金属燃料中镁和铝的燃烧效率。最后，因为水反应金属燃料的物理性能直接影响到其燃烧效果、在放大实验中的表现、以及存放和储运安全。所以，本文研究了以上各组配方水反应金属燃料的密度、孔隙率、针入度、压缩强度等多项物理性能。结果表明：高能球磨组分密度较大，压缩强度高，金属添加剂Bi的添加对力学性能影响不大，但使得孔隙率变小；随着氟I北京理工大学硕士学位论文化物含量增大，

7、氟化物组分的密度增大，孔隙率降低，但压缩强度先增大后减小，氟化物的添加有利于提高药柱的力学性能。关键词：镁/铝合金；水反应金属燃料；高能球磨；分步氧化；一次燃烧；二次燃烧II北京理工大学硕士学位论文AbstractWaterramjet,anadvancedtypeofpropulsionsystem,usesfuel-richmetal-basedhydro-reactivefuelandtheoutsidewaterasmainoxidizer.Oneofthekeytechnologiesofwaterramjetisthereactioncharacte

8、risticsbetwe