来源：中国硼网
潘匡志，王英红，陈 超，陈晓龙
（西北工业大学燃烧、流动和热结构{gjj}重点实验室，西安710072）
摘要：硼因高的体积热值成为{sx}高能组分添加剂。为了对硼粉的燃烧热进行更准确的测量，使用氧弹式量热仪，采用SQ-2作为助燃剂，通过实验研究了助燃剂质量、形状以及氧弹内氧气压力对硼粉燃烧热测试结果的影响。结合硼的两阶段燃烧模型，指出燃气温度是影响燃烧效率的关键参数。建立了氧弹内燃气极限温度的理论计算模型，给出计算温度与硼粉燃烧效率之间的关系。结果表明升高极限温度是改善硼粉燃烧热的测量的有效手段。
关键词：硼粉；燃烧热；燃烧效率；助燃；极限温度
中图分类号：V512
DOI：10.3873/j.issn.1000-1328.2008.05.023
引言
物质的燃烧热代表了其所具有的化学潜能。硼因其高的燃烧热值受到人们的青睐，成为{zj1}潜力的高能推进剂金属添加剂。它的质量热值为58.81MJ/kg(分别是镁和铝的2.3倍和1.9倍)，而其体积热值达到137.94KJ/cm3(分别是镁和铝的3.09倍和1.66倍)。在空气中会被氧化，在其表面生成B2O3。被部分氧化了的硼粉，其化学潜能(燃烧热)也降低了。因此，使用硼粉之前对其燃烧热值进行测定是必要的。
相比于其他金属粉末，硼粉燃烧十分困难。因此，如何提高硼粉燃烧效率、组织硼粉进行xx燃烧就成为测量硼粉燃烧热的关键和难点。
本文使用氧弹式量热仪[1]测量硼粉的燃烧热。通过量热实验研究了某些参数(助燃物质量、助燃物形状及充氧气压)对硼粉燃烧效率的影响，讨论参数之间的联系，结合硼粒子点火燃烧模型分析了影响燃烧效率关键参数。
1 实验设备与原理
1.1 测量原理
本文采用氧弹式量热仪对硼粉的燃烧热值进行测量。在测量中，试样的所有热值都用来加热一个热容量已知的系统，通过测量该系统的温升来计算试样所释放的热值。
试样的燃烧热值计算公式如下：
式中：
Q——单位质量燃料试样的发热量，J/g；
M——燃料试样的质量，g；
E——量热体系的热容量，J/K；
to——量热体系在试样开始燃烧时的温度，K；
tn——量热体系在试样燃烧完毕且热量释放xx，系统所达到的{zg}温度，K；
在实验过程中，系统温度变化取决于以下四个因素：(1)试样燃烧放热(升温)；(2)搅拌器搅拌内筒中的水所产生的搅拌热(升温)；(3)由于内筒与外筒(即环境)之间温差的存在而产生热量交换(降温)；(4)内筒中水的蒸发吸热(降温)。而试样放热量的准确计算取决于试样燃烧放热引起的量热体系的温升的准确测定。因此需要对其他因素引起的温度变化进行校正。校正后的燃烧热值计算公式如下：
式中C为利用瑞方冷却校正公式计算所得的冷却校正值。
由于硼粉燃烧困难，本文实验中加入了助燃物，需要对(2)式进行修正。总热值Q中包括了助燃物(SQ-2)释放的热值Q1以及试样(硼粉)释放的热值Q2，而释放的热值与系统热容量与温升值乘积相等，因此得出以下公式：
q1、q2——分别是单位质量SQ-2和硼粉的发热量。
m1、m2——分别是SQ-2和硼粉的质量。
整理(3)、(4)和(5)式得出了硼粉燃烧热值q2的计算公式：
1.2 实验系统
试样的质量使用上海恒平科学仪器有限公司生产的FA1004型电子分析天平进行称量，其精度为0.1mg。量热仪的内、外筒水温使用南京桑力电子设备厂生产的SWC-ⅡD型精密数字温度温差仪进行测量，其精度为0.001摄氏度。图1为实验系统的具体设备及其之间连接示意图。
本文采用营口市精细化工厂生产的纯度为90%的辽滨牌硼粉作为试样原料，采用双铅-2推进剂作为助燃物，使用已知质量热值的镍铬合金丝作为点火丝。
在进行硼粉燃烧热测试实验之前，根据操作规程，使用标准量热物质苯甲酸对量热体系的热容量进行标定，得出本文所使用的量热体系的热容量为14592J/K。在多种工况下对助燃物的实际燃烧热值进行了测量，得到助燃物燃烧热值为10965J/g，且热值释放稳定。在下列实验中使用的双铅-2热值数据均为实测热值。
2 实验结果与分析
2.1 三种实验因素对燃烧热值测试结果的影响本文进行了对比实验，观察助燃物质量、助燃物形状及充氧气压三种因素对硼粉燃烧热测试结果的影响。
2.1.1 助燃物质量对测试结果的影响
分别使用1.5克和3克粉末状SQ-2助燃物对0.3克硼粉进行助燃，充氧气压为1.4兆帕。实验结果如表1所示：
由表1可以看出，其他条件都一致的情况下，与使用1.5克SQ-2进行助燃相比，使用3克SQ-2进行助燃时，硼粉的燃烧效率要高得多。这表明增加助燃物质量可以有效改善硼粉的燃烧，使测试结果更接近于理论值。
分析认为：在硼粉和氧气质量不变的情况下增加助燃物质量，意味着单位质量混合物获得的加热量增加了，从而提高了产物混合物的{zg}温度。
2.1.2 助燃物形状对测试结果的影响
采用3克SQ-2助燃0.3克硼粉，充氧气压为2兆帕。对比了厚度为2毫米的厚片状助燃物与粒径为0.3毫米的粉末状助燃物对测试结果的影响。实验结果如表2所示：
由表2可以看出，相对于厚片助燃物，使用粉末状助燃物xxxx了硼粉的燃烧，测试结果更接近于理论值。
分析认为：相对于同质量的厚片状助燃物，粉末状助燃物的燃烧时间较短，初始燃面较大，散热损失小，因此助燃物的热量能使产物的温度升得更高。
2.1.3 充氧气压对测试结果的影响
使用3克粉末状SQ-2对0.3克硼粉进行助燃，对比2兆帕和1.4兆帕充氧气压对测试结果的影响。实验结果如表3所示：
由表3可以看出，降低充氧气压能够改善硼粉的燃烧效率，使实测燃烧热更接近于理论燃烧热。分析认为：降低充氧气压，原本用于加热多余氧气的热量就可以节省出来，用于加热产物，使其温度升得更高。
2.2 温度因素影响分析
经典的硼粒子燃烧模型[2]可按温度分为两个阶段：小于1900K[3]时为{dy}阶段，其特征是硼粒子表面包覆着B2O3液膜，硼粒子与氧气需要渗透过液膜才能进行反应，其速率较低；温度高于1900K后，进入第二阶段，此时硼粒子表面包覆的B2O3气化，硼粒直接与氧气进行反应。
提高产物{zg}温度后，硼粒子第二阶段的反应比例增大，氧化反应进行得更为迅速彻底，燃烧效率得以提高。
在实验中，采用“增加助燃物质量”、“使用粉末状助燃物”及“降低充氧气压”三种方法来升高产物{zg}温度，均大幅提高了硼粉燃烧效率。结合对硼粒子燃烧模型的分析和实验结果，得出：温度是影响硼粉燃烧效率的重要因素。
2.3 氧弹内燃气温度计算
根据上述分析，对氧弹内燃气温度进行计算是必要的。
2.3.1 温度计算模型
为了对燃烧热测试过程中氧弹内燃气温度进行初步计算，作出以下四点假设：
(1)试样燃烧过程瞬间完成，燃烧产物与外界没有热交换，燃烧所释放的热量全部为燃烧后的混合气体吸收。
(2)试样燃烧为xx燃烧，不考虑中间产物。
(3)认为燃烧产物中的混合气体是理想气体，满足理想气体状态方程。
(4)在燃烧热测试过程中，助燃物(SQ-2)的热值稳定，不受其他因素变化影响。
在上述假设基础上，建立氧弹内试样燃烧过程的绝热-xx燃烧模型，其特点是
式中I’m——1千克质量燃烧产物的总焓，单位为千焦；
I’p——1千克质量试样的总焓，单位为千焦。
1千克混合试样的总焓：
式中qi——混合试样物中第i种组元的质量百分数；
I’i——1千克质量第i种组元的总焓；
K——混合物的组元数。
1千克燃烧产物的总焓：
其中I’i——1摩尔第j种组分燃烧产物在给定温度
下的总焓；
ni——燃烧产物各组分的摩尔数；
N——燃烧产物数。
为方便数值计算，单组分产物的总焓采用解析
形式的公式进行计算：
式中：
Ro——通用气体常数；
a1、a2、a3、a4、a5、a6——该产物的温度系数，可由相关表格查得。
在绝热-xx燃烧模型中，综合(7)(8)(9)(10)式，就能完成燃气温度的计算。
2.3.2 计算温度与热值测试结果的关系
根据上述温度计算模型，编制温度计算程序，并对实验中3次使用粉末状SQ-2进行助燃时氧弹内的燃气温度进行计算。
其中β=58810×90%=52929(J/g)。
计算所得温度、热值测试结果及硼粉燃烧效率见表4。
由表4得出：计算所得氧弹内温度越高，硼粉的燃烧效率就越高，所测到的燃烧热值结果就越接近理论值。
图2为计算燃气温度与硼粉燃烧效率的关系曲线。发现当计算温度低于3500K时，随着温度的升高，燃烧效率的提升很大；而计算温度高于3500K之后，随着温度升高，燃烧效率的提升很小。
3 结论
本文通过实验分析和理论计算，研究了助燃物质量与形状以及充氧气压对硼粉燃烧热测试结果的影响。具体结论可总结如下：
（1）提高助燃物质量、采用粉末状助燃物以及降低充氧气压都是提高硼粉燃烧效率、改善硼粉燃烧热测试结果的有效手段。
（2）燃气温度是影响硼粉燃烧效率的重要因素，这与硼的两阶段燃烧模型相吻合。提高燃气温度增大了硼粒子第二阶段的反应比例，使氧化反应进行得更彻底，从而提高了硼粉燃烧效率。
（3）给出了氧弹内燃气极限温度的计算方法，使用该方法对实验中的燃气温度进行计算。拟合了硼粉燃烧效率与计算燃气温度的关系曲线。指出随着温度升高，硼粉燃烧效率得到提升。但当温度高到一定程度之后，使用升温来提高燃烧效率将变得困难。
参考文献：
[1] 王英红，邓永锋，等.含硼富燃料推进剂燃烧热测试装置的改进[J].推进技术，2008(1)：110-113.
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