金属固体推进剂燃烧残渣抑制的表面修饰技术研究

金属固体推进剂燃烧的特性使其在现有高能武器系统和航天推进系统上不可取代。燃烧残渣是其广泛应用于高能推进系统和航天推进系统上的一个严峻问题。残渣的积聚影响推进效率，甚至还会导致发动机的失效。因此，抑制和减少残渣的生成和积聚成为推进剂向更高性能发展的关键所在。现有方法多不能用于高性能应用系统上，表面修饰技术成为解决该难题的重要方法。表面修饰技术可通过改变推进剂颗粒表面性能来实现残渣生成的抑制。

1.金属固体推进剂燃烧残渣问题的研究背景

金属固体推进剂是大型高性能火箭导弹的关键材料，但是燃烧残渣问题一直是金属固体推进剂的一个瓶颈性课题。金属固体推进剂热能转化率较高，但其在燃烧过程中所产生的金属氧化物、未燃残留颗粒等燃烧残渣会导致推进剂发动机的性能及整套系统稳定性下降，对于推进剂发动机的工作不利，甚至导致发动机故障和损坏。因此如何抑制推进剂燃烧中的残渣生成，从而提高推进剂发动机的可靠性，是目前金属固体推进剂发展的关键瓶颈，迫切需要从多种技术方面寻求突破[1]。

2.金属固体推进剂燃烧残渣形成的关键技术障碍

2.1 高熔点金属氧化物在燃烧室内的沉积机制

金属固体推进剂中的金属单质在高温情况下，与氧气发生反应产生金属氧化物。金属氧化物的熔点一般都较高，特别是像铝、镁这类金属氧化物，在高温条件又难以完全气化[2]，随着燃烧时间的延长，在燃烧室中逐步沉积，影响燃烧室中气流的顺畅流动，并导致燃烧室局部温度的上升，从而降低燃烧效率，若不能很好地抑制这种现象的发生，所沉积的金属氧化物会影响发动机的长期安全可靠工作。

2.2 残渣颗粒团聚与流动阻力的相互作用关系

燃烧着火过程中的残渣颗粒可能会在 的温度下团聚成为更大的颗粒，颗粒团聚会使残渣体积、密度增大，使得残渣在气流中的运动减速； 也会造成燃烧效率降低，使能量不充分释放；相互作用的耦合关系复杂，难以预料，对控制残渣颗粒的团聚，从而控制残渣的团聚对流体流动阻力的影响成为燃烧残渣抑制技术中的重要问题[3]。

3.基于表面修饰的残渣抑制技术路径

3.1 金属颗粒包覆层的热力学稳定性设计

包覆层是包覆在金属颗粒表面，对金属颗粒燃烧行为影响最直接的区域，其主要作用是制约金属颗粒氧化过程的进行。热力学稳定性最好的包覆层，才能尽量抑制燃烧残渣的生成，而包覆层在传统上通常考虑的是材料的抗高温性能，但是却忽略了高温环境会破坏掉包覆层的可能性[4]，因此在包覆层的构成上，需要从材料选择、厚度、组成等多个方面对热力学稳定性进行精准调控，如包覆层的熔点、热膨胀系数、与金属颗粒之间的结合力等，均会对包覆层的热力学稳定性产生一定影响。如果包覆层不稳定，在一定的高温条件下脱落，使金属颗粒暴露在氧化环境中，则燃烧产生的高熔点金属氧化物残渣会显著增加。因而，在包覆层材料的选择上应考量热膨胀与包覆金属的匹配，使包覆层在整个燃烧的过程中保持包覆特性。为了确保包覆层在高温环境下的稳定性，除了考虑熔点和热膨胀系数的匹配外，还应重点关注包覆材料的化学稳定性及其与金属颗粒之间的界面结合力。选择合适的包覆材料时，必须兼顾其抗氧化性能和耐高温热震性能，以避免包覆层在燃烧过程中受到应力或热冲击的破坏。

3.2 修饰剂界面反应动力学的调控方法

修饰剂与金属颗粒表面界面反应的动力学过程是影响推进剂残渣生成和抑制效果的又一关键因素。在推进剂燃烧时，修饰剂主要是影响其控制金属氧化反应的发生速度及反应形式，防止过量的金属氧化物产生。但是，修饰剂-金属颗粒间界面反应往往是一种复杂的物理、化学过程。修饰剂的形式、组成以及修饰剂与金属颗粒界面上分布将直接影响金属颗粒表界面反应过程和速度，在这一过程中，对修饰剂界面上的反应动力学进行控制就非常重要。通过修饰剂本身物理、化学性质的合理调控来实现氧化反应的活化能降低、反应路径改变，进而抑制有害残渣产生[5]。同时，对修饰剂反应温度和反应速度的精确性调控，也有效遏制氧化反应在颗粒界面反应范围的扩展，以免过度的氧化增加有害残渣。修饰剂的粒径、分散性以及与金属颗粒的接触面积也会显著影响界面反应的动力学特性。通过优化修饰剂的分子结构和表面活性，可以提高其与金属颗粒的反应效率，确保反应在合理温度范围内进行。通过调节修饰剂的添加量，控制界面反应的速率，避免过度氧化产生大量不利的金属氧化物，从而有效减少推进剂燃烧中的残渣生成。

3.3 燃烧波传播与表面修饰层的协同作用

表面修饰层与推进剂燃烧的交互作用决定了推进剂的燃烧模式和燃烧残渣产生过程。推进剂在燃烧的过程中，燃烧波的传播决定着燃烧的反应速率、金属颗粒燃烧热解及氧化过程等。由于金属颗粒的表面修饰层，抑制了金属颗粒热解和氧化过程，同时又能够通过表面修饰层影响推进剂的燃烧波传播从而间接影响燃烧残渣产生过程。实际应用时，表面修饰层设计同时要考虑表面修饰层的热稳定性和与燃烧波传播的适配度问题[6]。通过修饰层的导热率、反应率等因素影响燃烧波在推进剂的燃烧传播速率，避免产生局部过热的氧化程度。进一步讲，燃烧波传播过程与表面修饰层相接触，会产生一定的“缓冲”效果，一定程度上减少了温度剧烈变化所带来的高温热点生成，有效地减少了残渣的堆积。

结论：

总之，如何解决金属固体推进剂燃烧 性影响更是关系发动机的性能、系统的稳定和以后的发展，采用表面修 拓推进剂性能的一条捷径。表面修饰技术这一思路的提出给了我们理论 具有了实现技术路线。在未来的技术验证的过程中将逐渐得以解决金属固体推进剂的燃烧残渣的困扰不是阻碍更是发展的催化剂。

参考文献：

[1] 熊伟强, 周重洋, 周志豪, 等. 含铝锂合金丁羟推进剂的能量性能研究[J]. 固体火箭技术,2023,46(5):717-723.

[2]史良伟,吴亚明,吕龙.HTPB 推进剂用季铵盐高效降速剂研究[J].固体火箭技术,2023,46(6):842-847.

[3]李佳贺,杜芳,唐长盛,等.铝锂合金稳定化包覆及其推进剂应用[J].含能材料,2024,32(1):2-11.

[4] 王泽山, 庞爱民, 何金选, 等. 含能化合物在固体推进剂中的应用与发展[J]. 固体火箭技术,2025,48(1):1-8.

[5] 李胜婷, 庞维强, 南风强, 等. 不同因素对固体推进剂流变性能影响研究进展[J]. 火炸药学报,2024,47(2):114-130.

[6] 李瑞勤, 姜一帆, 张明, 等. 固体推进剂含能燃烧催化剂研究现状与发展趋势[J]. 火炸药学报,2023,46(1):1-15.