[发明专利]用于研究熔渣沉积条件下Al-O-C体系反应动力学的实验装置

说明书

本发明公开了用于研究熔渣沉积条件下Al‑O‑C体系反应动力学的实验装置，包括用于盛放反应物的钨坩埚，钨坩埚下方设置有氧‑乙炔喷枪，钨坩埚的顶部开口处设置有双层顶盖，双层顶盖的顶板通过导气管连接至氩气瓶，氩气瓶用于提供氩气，并在双层顶盖的顶板和底板之间形成氩气冷却屏障层；钨坩埚内部底面上热电偶，热电偶连接至位于钨坩埚外部的数据采集系统，通过本装置可实现对固体火箭发动机内高温环境下Al‑O‑C体系反应环境的模拟，同时消除了现有TG‑DTA,TG‑DSC等高温设备不能达到的极限温度，与氧化还原反应对仪器腐蚀的担忧，从而达到了对固体火箭发动机内熔渣沉积条件下Al‑O‑C体系反应动力学机理探究的目的。

【技术领域】

本发明属于火箭发动机技术领域，尤其涉及一种用于研究熔渣沉积条件下Al-O-C体系反应动力学的实验装置。

【背景技术】

随着现代大推力运载火箭设计上对大装药量和长径比的需求，越来越多的带有潜入喷管结构的分段式固体火箭发动机在运载火箭基础级动力中获得了广泛应用，如美国的大力神系列运载火箭固体助推器、航天飞机RSRM固体助推器、欧空局的阿里安-5火箭固体助推器，日本的H-2运载火箭固体助推器等。然而，随着分段装药结构的设计与高金属含量符合推进剂的采用，如图1所示，使发动机在工作过程中会在装药分段处与潜入喷管背壁凹腔内形成强烈的回流，导致部分凝相颗粒在卷吸作用下与壁面碰撞沉积并形成熔渣，从而显著影响桶段壁面与后封头绝热层的烧蚀，这对于发动机的长时间工作非常不利。

大量粒子沉积对壁面绝热材料会产生热化学与机械剥蚀的耦合烧蚀作用，而大量文献表明，由于发动机内装药分段处与潜入喷管背壁区内回流区的存在，凝相颗粒流速较低，颗粒沉积之于绝热材料的消耗作用主要以热化学烧蚀为主。

近年来众多学者对不同温度条件下Al-O-C体系的反应热力学进行了较多研究，根据反应时氧化铝的状态分为熔融态反应机理和固态反应机理。由于氧化铝和碳的熔点分别为2312K，3929K，在火箭发动机近3500K的工作环境中其以熔融物与固态的形式存在，因此可初步判断熔渣沉积之于绝热材料的碳热还原烧蚀过程应属于熔融物-固相反应。

由于化学反应进行时总是有热效应伴随，而对于固体熔融物物质来说一般导热系数都较小，因此在低温下反应较难发生，反应很难达到平衡。为了研究固相体系在高温条件下的反应特性，研究者们使用了各种高温失重方法用以实验探究，其中Ebrahimi-Kahrizsangi等已将TG-DTA技术成功应用于碳热还原氧化物制取碳化物的动力学研究。有的利用XRD、TG/DTA技术采用不同升温速率的差热分析方法，研究了动态氩气气氛中碳热法制取铝硅合金的反应过程，并在此基础上讨论了其反应机理，其结果较好的揭示了反应过程中出现的反应现象。有的使用高温加热炉采用等温分析法分别研究了碳热还原氧化锶与氧化钛的反应动力学，给出了不同温度下的反应活化能，并分析了反应体系的反应机理

综上总结可知，国内外众多学者对固-固、液-固间的反应机理做了大量的研究，但针对固体火箭发动机内Al-O-C-体系的反应动力学讨论较少，且研究主要以冶金工程中出现的热力学分析为主。由于固-固、固-液相反应体系的起始反应温度较高，在反应动力学研究手段方面，众多学者主要采用高温管式炉实验与热力学计算软件相结合的方法进行可行性方程假设与热力学分析，同时结合高温TG-DTA、TG-DSC等测试仪进行表观活化能与指前因子的测定，最终得到反应动力学方程。

考虑到火箭发动机内的高温环境与Al-O-C以熔融物相互作用为主导的反应体系，传统的热分析仪器无法满足反应高温的维持与实验装置在高温条件下的稳定性。固我们有必要研究一套适合固体火箭发动机反应环境的实验装置，对氧化铝液滴与炭化层相互作用的基本物理-化学规律进行深入研究。