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摘 要：航空航天技术是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现，而其中的核心就是发动机的技术。爆轰燃烧相比于传统的定压燃烧效率和比冲更高，而使用高能量密度的铝粉燃料会释放出更多的能量，在推进剂配方中加入适量的铝粉，可以大幅提高比冲，提供更加稳定、高效的燃烧。本文讨论了铝粉颗粒的粒径大小、铝粉的含量等对爆轰性能的影响，介绍了含铝燃料火箭发动机的爆轰特性研究现状。
关键词：火箭发动机;铝粉颗粒;爆轰
在常规固体火箭推进剂中加入含金属燃料可以大大提高推进剂的能量密度。铝具有优良的物化性质，便于运输和储存，原材料丰富，爆轰燃烧效率高。我国也在20世纪80年代展开对爆轰发动机的研究，然而完全以铝粉作为推进剂的固体发动机相关研究很少，目前仍处于起步阶段。作为火药和推进剂的添加剂，铝粉已被广泛用于工业与军事中。因此开展对铝粉爆轰特性的研究及其可行性是十分必要且有重要意义的。
1 铝粉物理性质对爆轰特性的影响
苗勤书、徐更光[1]等通过研究片状和粒状铝粉对爆速、爆压和爆热的影响表明了不同形状的铝粉对其爆轰性能的影响，表1揭示在同一密度下、一定范围内，铝粉的粒度越小，爆速越低，导致此现象的原因还是铝粉比表面积的改变。
在胡小明、郝成君等[2]的研究中还提到片状铝粉的爆轰性能更佳。铝粉粒度越小，其比表面积越大，这时参加反应的铝粉变多，铝粉同周围介质相互接触、碰撞的次数增多，所获得的能量也随之增大，使得参与爆轰反应的时间提前，爆轰能量也随之增大。
南京理工大学的刘晓利、李鸿志、郭建国[3]等利用由爆轰管、泄压罐、扬尘系统及點火控制系统等组成的试验系统研究了爆轰参数在爆轰过程中的变化规律。该系统把爆轰管的长度增加，所用粉尘为三种球形铝粉，平均颗粒直径分别为2μm、5μm和13μm;实验发现2μm铝粉，浓度400g/m3的条件下，爆速达到1.95km/s附近，然后在最后一段中逐渐趋于恒定的值。5μm的铝粉也逐渐趋于恒定的值，在10km/s附近。由图还发现爆速在3～6m这一段中连续增加。尤其是2μm的铝粉在5～6m范围内的变化很明显，幅度也较大。
表2为2μm和5μm的铝粉在浓度为400g/m3条件下爆轰压力沿着管长的变化情况。由下图可见，爆轰压力最大值沿着管长的波动十分剧烈，随着爆轰波传播的距离增加，其波动的剧烈程度也增加。总结可知：沿着爆轰波的传播方向，压力的最大值逐渐增加;随着铝粉粒径的增大，压力的最大值逐渐下降;膜片的厚度对压力的最大值也有一定的影响。
南京理工大学的刘晓利、李鸿志[4]在对空气悬浮体爆轰特性的实验研究也分析了压力信号的变化。2μm的铝粉最大压力达4.3MPa，最大爆速为1.64km/s。已经形成了明显爆轰现象;而5μm的铝粉的爆轰特征较弱，不太明显，13μm的铝粉未发生明显爆轰现象。此外，2μm的铝粉浓度在30～40g/m3时的压力最大，当5μm的铝粉浓度为40～60g/m3压力最大。由此得出结论，铝粉爆轰时的压力数值最大值位置随着铝粉粒径的增大而向右移动。
2 讨论与总结
（1）2μm铝粉容易爆轰，13μm铝粉未发生达到爆轰条件，没有发生爆轰，粒径为5μm的铝粉的爆轰反应较微弱。对于2μm铝粉，最优浓度为300～400g/m3;对于5μm铝粉，最优浓度为400～600g/m3。最优浓度的值随粉尘颗粒直径的增加而增加。
（2）铝粉的比表面积对铝粉爆轰性能的影响明显。铝粉的比表面积越大，参加发生反应的铝粉越多，与周围的介质发生碰撞、接触的次数也增多，所获得的能量也随之增大，使得参与爆轰反应的时间提前，爆轰能量也随之增大。因此通过改变铝粉的形状和大小，能够得到爆轰性能更加优良的燃料。
（3）铝粉的活性对爆轰性能的影响也十分明显。在一定范围内，铝粉的活性越高，与周围的介质接触的概率增大，单位质量铝粉所获得的能量增大，故爆轰产生的能量密度也较大，爆轰性能也越好。
3 发展前景预测
爆轰发动机结构简单、尺寸较小且效率较高。而目前广泛使用的氢氧发动机燃料价格昂贵，原料不易运输和储存，热值相对较低。随着科学技术的进步，对于太空探索任务的要求更加严格，而由于燃料和飞行器重量的限制使得我们无法执行更加艰难的任务，此时就对飞行器的发动机提出了更高的要求。通过横纵对比，以铝粉为燃料的爆轰发动机具有巨大的潜力和优势。
参考文献：
[1]苗勤书，徐更光，王廷增.铝粉粒度和形状对含铝炸药性能的影响[J].火炸药学报，2002（02）：45+8.
[2]胡小明，郝成君，解立峰.影响铝粉—空气混合物爆轰的因素分析[J].化工时刊，2006（03）：2526.
[3]刘晓利，李鸿志，郭建国，叶经方，管雪元.铝粉空气混合物燃烧转爆轰（DDT）过程的实验研究[J].爆炸与冲击，1995（03）：217228.
[4]刘晓利，李鸿志.铝粉空气悬浮体爆轰特性的实验研究[J].弹箭与制导学报，1993（02）：17.
[5]刘平安，常浩，王文超，郜冶，刘加宁.含铝复合推进剂燃烧与流动数值模拟[J].固体火箭技术，2017，40（06）：698705.
[6]邵昂，朱韶华，鄂秀天凤，潘伦，邹吉军，徐旭.含铝金属化浆体推进剂火箭发动机燃烧性能试验研究[J].推进技术，2018，39（07）：16501659.
[7]韦伟，翁春生.铝粉/空气二维黏性两相爆轰的数值模拟[J].爆炸与冲击，2015，35（001）：2935.
作者简介：刘国秋（2001— ），男，汉族，重庆綦江区人，本科，研究方向：机械工程;孙宇航（2001— ），男，汉族，山东昌邑县人，本科，研究方向：机械工程;高明（2001— ），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，本科，研究方向：流体力学;桂柯（2000— ），男，汉族，湖南长沙人，本科，研究方向：机械工程。
关键词：火箭发动机;铝粉颗粒;爆轰
在常规固体火箭推进剂中加入含金属燃料可以大大提高推进剂的能量密度。铝具有优良的物化性质，便于运输和储存，原材料丰富，爆轰燃烧效率高。我国也在20世纪80年代展开对爆轰发动机的研究，然而完全以铝粉作为推进剂的固体发动机相关研究很少，目前仍处于起步阶段。作为火药和推进剂的添加剂，铝粉已被广泛用于工业与军事中。因此开展对铝粉爆轰特性的研究及其可行性是十分必要且有重要意义的。
1 铝粉物理性质对爆轰特性的影响
苗勤书、徐更光[1]等通过研究片状和粒状铝粉对爆速、爆压和爆热的影响表明了不同形状的铝粉对其爆轰性能的影响，表1揭示在同一密度下、一定范围内，铝粉的粒度越小，爆速越低，导致此现象的原因还是铝粉比表面积的改变。
在胡小明、郝成君等[2]的研究中还提到片状铝粉的爆轰性能更佳。铝粉粒度越小，其比表面积越大，这时参加反应的铝粉变多，铝粉同周围介质相互接触、碰撞的次数增多，所获得的能量也随之增大，使得参与爆轰反应的时间提前，爆轰能量也随之增大。
南京理工大学的刘晓利、李鸿志、郭建国[3]等利用由爆轰管、泄压罐、扬尘系统及點火控制系统等组成的试验系统研究了爆轰参数在爆轰过程中的变化规律。该系统把爆轰管的长度增加，所用粉尘为三种球形铝粉，平均颗粒直径分别为2μm、5μm和13μm;实验发现2μm铝粉，浓度400g/m3的条件下，爆速达到1.95km/s附近，然后在最后一段中逐渐趋于恒定的值。5μm的铝粉也逐渐趋于恒定的值，在10km/s附近。由图还发现爆速在3～6m这一段中连续增加。尤其是2μm的铝粉在5～6m范围内的变化很明显，幅度也较大。
表2为2μm和5μm的铝粉在浓度为400g/m3条件下爆轰压力沿着管长的变化情况。由下图可见，爆轰压力最大值沿着管长的波动十分剧烈，随着爆轰波传播的距离增加，其波动的剧烈程度也增加。总结可知：沿着爆轰波的传播方向，压力的最大值逐渐增加;随着铝粉粒径的增大，压力的最大值逐渐下降;膜片的厚度对压力的最大值也有一定的影响。
南京理工大学的刘晓利、李鸿志[4]在对空气悬浮体爆轰特性的实验研究也分析了压力信号的变化。2μm的铝粉最大压力达4.3MPa，最大爆速为1.64km/s。已经形成了明显爆轰现象;而5μm的铝粉的爆轰特征较弱，不太明显，13μm的铝粉未发生明显爆轰现象。此外，2μm的铝粉浓度在30～40g/m3时的压力最大，当5μm的铝粉浓度为40～60g/m3压力最大。由此得出结论，铝粉爆轰时的压力数值最大值位置随着铝粉粒径的增大而向右移动。
2 讨论与总结
（1）2μm铝粉容易爆轰，13μm铝粉未发生达到爆轰条件，没有发生爆轰，粒径为5μm的铝粉的爆轰反应较微弱。对于2μm铝粉，最优浓度为300～400g/m3;对于5μm铝粉，最优浓度为400～600g/m3。最优浓度的值随粉尘颗粒直径的增加而增加。
（2）铝粉的比表面积对铝粉爆轰性能的影响明显。铝粉的比表面积越大，参加发生反应的铝粉越多，与周围的介质发生碰撞、接触的次数也增多，所获得的能量也随之增大，使得参与爆轰反应的时间提前，爆轰能量也随之增大。因此通过改变铝粉的形状和大小，能够得到爆轰性能更加优良的燃料。
（3）铝粉的活性对爆轰性能的影响也十分明显。在一定范围内，铝粉的活性越高，与周围的介质接触的概率增大，单位质量铝粉所获得的能量增大，故爆轰产生的能量密度也较大，爆轰性能也越好。
3 发展前景预测
爆轰发动机结构简单、尺寸较小且效率较高。而目前广泛使用的氢氧发动机燃料价格昂贵，原料不易运输和储存，热值相对较低。随着科学技术的进步，对于太空探索任务的要求更加严格，而由于燃料和飞行器重量的限制使得我们无法执行更加艰难的任务，此时就对飞行器的发动机提出了更高的要求。通过横纵对比，以铝粉为燃料的爆轰发动机具有巨大的潜力和优势。
参考文献：
[1]苗勤书，徐更光，王廷增.铝粉粒度和形状对含铝炸药性能的影响[J].火炸药学报，2002（02）：45+8.
[2]胡小明，郝成君，解立峰.影响铝粉—空气混合物爆轰的因素分析[J].化工时刊，2006（03）：2526.
[3]刘晓利，李鸿志，郭建国，叶经方，管雪元.铝粉空气混合物燃烧转爆轰（DDT）过程的实验研究[J].爆炸与冲击，1995（03）：217228.
[4]刘晓利，李鸿志.铝粉空气悬浮体爆轰特性的实验研究[J].弹箭与制导学报，1993（02）：17.
[5]刘平安，常浩，王文超，郜冶，刘加宁.含铝复合推进剂燃烧与流动数值模拟[J].固体火箭技术，2017，40（06）：698705.
[6]邵昂，朱韶华，鄂秀天凤，潘伦，邹吉军，徐旭.含铝金属化浆体推进剂火箭发动机燃烧性能试验研究[J].推进技术，2018，39（07）：16501659.
[7]韦伟，翁春生.铝粉/空气二维黏性两相爆轰的数值模拟[J].爆炸与冲击，2015，35（001）：2935.
作者简介：刘国秋（2001— ），男，汉族，重庆綦江区人，本科，研究方向：机械工程;孙宇航（2001— ），男，汉族，山东昌邑县人，本科，研究方向：机械工程;高明（2001— ），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，本科，研究方向：流体力学;桂柯（2000— ），男，汉族，湖南长沙人，本科，研究方向：机械工程。