CN112443858B - 硼的分布式光点燃方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了针对硼及硼铝复合燃料的分布式光点燃方法及装置，该装置包括闪光灯、铝制灯罩、石英玻璃载片、高速摄像机、彩色摄像机装置，该装置在闪光灯曝光后，在极短的时间内释放光量，纳米硼粉以及纳米硼铝复合燃料吸收光能转化为自身的热能，达到着火点后与周围空气发生燃烧反应；同时利用高速摄像机记录燃料被点燃的瞬间变化图，彩色摄像机记录火焰燃烧变化。

Description

硼的分布式光点燃方法及装置
技术领域
本发明涉及硼的新型的点火方式领域，特别涉及硼的分布式光点燃方法。
背景技术
固体火箭推进技术在军事领域和宇航上被广泛应用，同时固体火箭冲压发动机的燃料正向着高能量密度的方向发展。由于金属燃料具有较高的燃烧热，并且能够缓解高频燃烧的不稳定性，添加高能金属颗粒或者直接采用高能金属作为燃料成为目前的重点研究方向。常见的高能金属燃料有镁、硼、铝和锆等，这其中硼具有极高的质量热值和容积热值，目前被认为是用于固体推进剂的最佳燃料。但硼自身的高熔点和高沸点以及硼表面的氧化层导致其存在着点火性能差，燃烧效率低的问题。因此将硼与燃烧性能较好的燃料掺混制成复合燃料进行研究是目前改善硼燃烧的重要手段，这对冲压发动机的进一步发展具有重要的意义。
目前针对硼颗粒燃烧性能研究的点火方式主要为激光点火，该点火方式存在单点式点火易造成局部高温，并且点火装置笨重，价格昂贵的问题。而光点燃方法为多点分布式点火，结构简单，可以在条件较恶劣的区域进行使用。
发明内容
本发明目的在于提供针对硼的分布式光点燃装置及方法。
硼的分布式光点燃装置，该装置主要由两个部分组成，点火部和记录部。点火部主要由闪光灯、铝制灯罩、石英玻璃载片和支架组成，将闪光灯竖直固定在支架上，闪光灯经曝光后，置于石英玻璃载片凹槽内的纳米硼铝复合燃料吸收光能达到着火点被点燃。记录部分由高速摄像机和彩色摄像机组成，高速摄像机记录硼铝复合燃料点燃瞬间的变化，彩色摄像机记录整个点火过程火焰的变化。
进一步的，石英玻璃载片距离环形灯管的距离为20mm。
进一步的，放置样品的凹槽为直径为10mm，深度为2mm。
进一步的，高速摄像机位于正垂直于石英玻璃片10cm处记录样品光点火瞬态过程。
进一步的，闪光灯提供瞬时的光能，纳米复合燃料吸收光能后转化成自身的热能，达到着火点后产生燃烧现象。
进一步的，高速摄像机和彩色摄像机范围内分别用于记录硼铝复合燃料的分布式光点燃的瞬态图和点火过程。
提供一种硼分布式光点燃方法，该方法包括
在纳米硼粉加入平均粒径为30nm铝粉，用药匙将两者进行触松混合或者利用研钵在氩气手套箱中研磨10min进行紧密混合，
通过在固定体积的凹槽中放置固定量的样品，确保其堆积密度不变，且其堆积密度的变化通过控制样品的质量实现，即在固定的凹槽体积内放置不同质量的硼铝复合燃料来控制样品堆积密度的变化，针对硼铝的混合比例分别为3：2，2：3或1：4，
利用闪光分布点火装置曝光瞬间的能量对硼铝复合燃料颗粒进行点火。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：
1、本发明采用闪光分布式点火方式对硼铝复合燃料进行点火，点火方式更简单，所需的能量更少，可远程控制的分布式非接触式点火；
2、本发明采用石英玻璃片的凹槽控制堆积密度的变化，即在凹槽体积不变的情况下，改变样品的质量实现堆积密度的变化；
3、本发明采用高速摄像机和彩色摄像机同时对整个点火过程进行数据记录，以便于对温度分布、燃烧时间、燃烧面积比变化等进行分析。
下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明结构爆炸示意图。
图3为疏松混合的硼铝掺混比例为1：4样品燃烧过程图。
图4为闪光分布式点火燃烧后样品的X射线衍射分析图。
图5为疏松混合的硼铝掺混比例为3：2样品燃烧过程图。
图6为紧密混合的硼铝掺混比例为3：2样品燃烧过程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明
结合图2对该发明装置和方法进行介绍，
本发明的方法主要是利用闪光灯可以瞬间释放光脉冲能量，纳米铝粉吸收光能破坏自身表面的氧化层，使得内部铝粒子和空气发生反应进一步释放出热量，从而被硼粒子吸收达到着火点，实现硼铝复合燃料被分布式光点燃的目的。
具体通过将闪光灯3竖直固定在支架4上，由于环形灯管9的光向四周发散，利用铝制灯罩2的聚光作用将闪光灯环形灯管9的大部分光能聚集在石英玻璃载片1上。纳米硼铝复合燃料放置于石英玻璃载片1的凹槽7内，铝制灯罩2上的卡槽8将石英玻璃载片1控制在固定位置。凹槽7为圆柱形，可以通过控制凹槽7大小来控制纳米硼铝复合燃料的光吸收表面积，同时控制凹槽7大小和燃料质量来控燃料堆积密度对光点燃的影响。经闪光灯3曝光后，纳米铝吸收光能被点燃，释放的热量被硼铝复合燃料吸收，进而达到光点燃的目的。闪光灯3曝光时间极短，为1/900～1/2700秒，故采用高速摄像机5记录闪光灯爆发瞬间纳米硼铝复合燃料的点火情况，高速摄像机5垂直于凹槽7正上方，其直接将图片上传至电脑进行保存。整个点火燃烧过程由彩色摄像机6记录。
纳米硼颗粒可以利用纳米铝颗粒被光点火点燃，纳米硼铝复合燃料点燃后发出明亮的光，纳米铝含量越高，堆积密度越大，且燃烧现象越剧烈，微爆现象也越明显；堆积密度越大，燃烧的效果也越好。纳米硼铝复合燃料燃烧阶段的平均温度为1300K左右，最高温度高于1700K。
实施例1
在样品疏松混合，堆积密度较高的硼铝混合比例为1：4时的燃烧过程图如图3所示。样品的光点火主要分为两个阶段，点燃期和缓燃期。硼铝复合金属燃料颗粒的点燃期为闪光灯曝光瞬间至初期点燃的颗粒完全燃烧殆尽的过程，持续时间极短，约为零点几秒，在点燃期样品有向上的微爆的现象。点燃期中燃烧的纳米硼铝复合燃料颗粒使得周围的纳米颗粒温度上升达到氧化温度，进入缓燃期阶段，也具有明显的火焰。在该工况下的光点火微爆现象与燃烧现象最为剧烈，且在燃烧的过程中燃烧面积比峰值可达42.54％。对反应后的样品进行X射线衍射分析，观察在2θ为14.7°和28.0°时有明显的衍射峰，图谱中的衍射峰位与到氧化硼(B2O3)在标准卡中峰位相吻合；除此之外，还存在着Al5BO9氧化物的生成，这说明成功利用分布式闪光点火装置点燃了纳米硼颗粒。X射线衍射分析如图4所示。
实施例2
针对自然堆积下，硼铝掺混比例为3：2时，在疏松混合和紧密混合的燃烧过程图如图5和图6所示。在疏松混合下的样品燃烧的微爆现象更剧烈。疏松混合样品的燃烧面积比的峰值为31.23％，出现峰值的时间为1.29s；而紧密混合样品的燃烧面积峰值比为17.68％，出现峰值的时间为1.62s，这说明在疏松混合的样品燃烧传播速率更快。
本发明研究不同的混合方式，堆积密度以及掺混比例对硼铝复合燃料光点火燃烧特性的影响。利用高速摄像机和彩色获得的燃烧瞬态图和燃烧过程图，对光点火过程中的火焰强度、温度分布、燃烧时间、燃烧效率和形貌表征进行检测分析。结果证明光点火能对硼铝复合颗粒进行点燃。在相同的工况下，铝的含量越高，火焰燃烧强度越强，硼的燃烧效率越高，燃烧时间也越短。

Claims (7)

1.一种硼的分布式光点燃装置，其特征在于，包括石英玻璃载片(1)，铝制灯罩(2)，闪光灯(3)，支架(4)，高速摄像机(5)和彩色摄像机(6)，环形灯管(9)；闪光灯(3)固定于支架(4)上，铝制灯罩(2)将环形灯管(9)释放的能量聚集于石英玻璃载片(1)上，铝制灯罩(2)的卡槽(8)将石英玻璃载片(1)固定在相同位置；纳米硼和纳米铝的复合燃料放置在石英玻璃载片(1)的凹槽(7)内，凹槽(7)的体积固定，确保控制闪光灯(3)曝光瞬间的光吸收表面积不变。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，石英玻璃载片(1)距离环形灯管(9)的距离为20mm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，放置样品的凹槽(7)为直径为10mm，深度为2mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，高速摄像机(5)位于正垂直于石英玻璃载片(1)10cm处记录样品光点火瞬态过程。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，闪光灯(3)提供瞬时的光能，纳米复合燃料吸收光能后转化成自身的热能，达到着火点后产生燃烧现象。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，高速摄像机(5)和彩色摄像机(6)范围内分别用于记录硼铝复合燃料的分布式光点燃的瞬态图和点火过程。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的硼的分布式光点燃装置的硼的分布式光点燃方法，其特征在于，该方法包括
在纳米硼粉加入平均粒径为30nm铝粉，用药匙将两者进行触松混合或者利用研钵在氩气手套箱中研磨10min进行紧密混合，
通过在固定体积的凹槽中放置固定量的样品，确保其堆积密度不变，并且通过在固定的凹槽体积内放置不同质量的硼铝复合燃料来改变样品堆积密度，样品中硼铝的混合比例分别为1：4-3：2，
最后利用闪光分布点火装置曝光瞬间的能量对硼铝复合燃料颗粒进行点火。
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