王正明，趙鳳起，高紅旭，曲文剛，王 瑛，陳雪莉，付青山

(西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065)

引 言

固體推進劑是由氧化劑、黏合劑、增塑劑等功能組分通過特定工藝形成的復雜體系，其燃燒是一個在高溫高壓條件下涉及多階段多層次的物理和化學反應過程。鑒于固體推進劑燃燒的復雜性，目前關于固體推進劑反應機理的研究大多基于經驗或半經驗主義，對固體推進劑燃燒機理的認識相對比較淺顯，這嚴重制約著新型固體推進劑的開發(fā)。深入理解固體推進劑的燃燒過程，闡明其反應機理，是發(fā)展新型高能安全固體推進劑的基礎。

在固體推進劑的燃燒反應機理研究中如何準確獲取燃燒過程中的相關物理和化學參數是解析其燃燒反應機理的前提。為了深入理解固體推進劑的燃燒反應機理，研究者發(fā)展了表征固體推進劑燃燒溫度分布、燃燒火焰微觀行為變化、燃燒組分演變過程以及熄火表面狀態(tài)分析等一系列固體推進劑火焰燃燒診斷方法來分析固體推進劑燃燒過程中特定的物理和化學變化規(guī)律。固體推進劑燃燒火焰診斷方法的發(fā)展直接關系著其燃燒過程中獲取的特定參數的準確度，進一步決定了對固體推進劑燃燒機理的認識水平。為了深入認識固體推進劑相應的燃燒機理模型，在發(fā)展固體推進劑燃燒火焰診斷試驗方法的基礎上，研究者也建立和優(yōu)化了一系列固體推進劑燃燒仿真計算模型，以對其不同條件下的燃燒行為進行準確預估，深入理解其燃燒機理。在此基礎上，構建了固體推進劑燃燒經典模型[1-2]。

本文結合固體推進劑燃燒過程中燃燒診斷關注的重點方向，從固體推進劑燃燒實驗診斷過程中的燃燒溫度測量、燃燒火焰結構獲取、燃燒組分檢測、熄火表面制備與分析及計算模擬在固體推進劑燃燒診斷的應用等方面對目前固體推進劑燃燒診斷常用方法進行綜述，闡述目前燃燒診斷的研究方法進展，簡要介紹各診斷方法所涉及的基本原理，對比各方法在實際燃燒診斷中的優(yōu)缺點，同時對固體推進劑燃燒診斷發(fā)展的方向進行了展望。

1 固體推進劑燃燒波診斷

1.1 固體推進劑燃燒波經典理論

根據固體推進劑經典燃燒模型，典型固體推進劑的燃燒主要可以分為3個區(qū)域。如圖1所示[2]，區(qū)域Ⅰ主要為固相區(qū)，固體推進劑在固相區(qū)相對比較穩(wěn)定，一般不發(fā)生化學反應。由于固體推進劑燃燒帶來的熱反饋，燃燒過程中區(qū)域Ⅰ的溫度由初始溫度T0逐漸攀升到相應物質的分解溫度Tu；區(qū)域Ⅱ主要是凝聚相反應區(qū)，在這段區(qū)域，伴隨著吸熱和放熱的化學反應過程，功能組分發(fā)生從固相到液相或氣相的相轉變，固體推進劑溫度由Tu升高到燃面溫度Ts，生成相應的活性反應組分；區(qū)域Ⅲ主要是氣相反應區(qū)和發(fā)光火焰區(qū)，在此區(qū)域相應的活性反應組分發(fā)生劇烈的氧化還原反應產生大量熱量，最終燃燒形成火焰，并完成相應的能量轉換。在固體推進劑燃燒過程中，燃燒火焰釋放的大量能量一部分通過熱輻射形成熱反饋來促進區(qū)域Ⅰ和Ⅱ反應的進行，維持固體推進劑穩(wěn)定燃燒。固體推進劑的燃燒診斷主要是研究固體推進劑各反應區(qū)的物理和化學變化。

1.2 固體推進劑燃燒溫度測量

目前，固體推進劑溫度的測量方式主要分為接觸法和非接觸法。接觸法主要通過溫度傳感器與燃燒火焰直接接觸來測量相應火焰溫度。微熱電偶測溫法是接觸測溫法的典型代表[3-6]。其優(yōu)點在于能比較準確反映出測試點的溫度，但在測試過程中由于熱偶絲和燃燒火焰的接觸，不可避免會對固體推進劑燃燒流場有一定的干擾。非接觸法測溫主要原理是通過檢測相應火焰吸收和發(fā)射的特定光譜信息變化來測量燃燒火焰的溫度[7-8]。由于在測溫過程中不需要和火焰進行直接接觸，因此在測量過程中對固體推進劑燃燒流場無干擾。但光譜法測量干擾因素眾多，不易得到相對準確的方法。非接觸法主要通過光譜法進行測溫，根據測試原理的不同，光譜法又可以細分為不同方法，主要分為基于激光診斷的激光誘導熒光(LIF)、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)、自發(fā)拉曼散射(SRS)、激光吸收光譜技術和基于原子發(fā)射光譜測溫技術以及基于輻射測溫技術等。

1.2.1 微熱電偶測溫法

微熱電偶測溫法的原理是通過將微熱電偶固定埋設在固體推進劑中。在固體推進劑燃燒過程中，隨著固體推進劑燃面的退移，微熱電偶探頭依次通過固體推進劑各燃燒區(qū)域來獲取固體推進劑基本的燃燒溫度分布情況。根據固體推進劑的溫度變化規(guī)律，結合微熱電偶的響應特性及熱損失模型可以推導出其理論溫度分布曲線，通過校正就可以得到比較精確的固體推進劑燃燒溫度分布曲線[3-6]。王瑛等[4]利用微熱電偶法研究了含不同粒度CL-20在GAP高能固體推進劑燃燒溫度波變化規(guī)律。結果表明含粗粒度CL-20固體推進劑在燃燒過程中其凝聚相反應區(qū)的溫度攀升速率更快，提出了大粒度CL-20提前分解的產物催化高氯酸銨(AP)的分解引起其燃速升高的燃燒模型。

微熱電偶測溫法裝置簡單，結果豐富且可靠，在測量固體推進劑固相反應區(qū)和凝聚相反應區(qū)的溫度變化規(guī)律方面具有獨特的優(yōu)勢，是目前固體推進劑燃燒溫度測量的主要方法。同時值得注意的是受限于熱偶絲的材料自身的傳熱效率，其在響應速度上有一定延遲，進而影響了微熱電偶測溫法的時空分辨能力。

1.2.2 基于激光溫度診斷技術

(1)激光誘導熒光(LIF)

LIF原理在于特定激光通過待測火焰結構時，火焰中特定分子或者自由基的電子將吸收激光光子的能量而被激發(fā)。當被激發(fā)的電子從激發(fā)態(tài)回落到不同低能態(tài)，將會輻射出不同波長的熒光形成熒光光譜。其熒光信號強度和測定溫度、壓力、組分摩爾濃度等參數有關[1]。當使用平面激光時獲取的信號就是平面激光誘導熒光(PLIF)。通過實驗參數的設置使得PLIF信號強度在一定范圍內和溫度呈函數關系，可以通過PLIF信號強度來實現對相應溫度場和特定組分檢測。在PLIF檢測過程中，OH是目前溫度檢測過程中主要的溫度測量標定物，被廣泛應用于碳基燃料穩(wěn)態(tài)燃燒溫度場測量[9-10]。在固體推進劑燃燒方面，Parr等[11]利用OH基PLIF探究了GAP/BTTN固體推進劑的燃燒火焰結構，準確測定了固體推進劑相應的燃面溫度和火焰反應區(qū)溫度。由于含鋁顆粒的固體推進劑的燃燒常伴隨強烈的背景輻射而無法對其燃燒狀態(tài)進行有效診斷，近年來，Vilmart[12]在高溫(1200K和2600K)和中低壓力(100Pa到0.1MPa)條件下，標定了AL的LIF光譜和溫度的關系，發(fā)展了Al基PILF。結果表明測定相應光譜和模型理論光譜具有良好的一致性。

(2)相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)

CARS是通過調節(jié)入射激光使其頻率差等于特定分子的拉曼頻移頻率激發(fā)其產生相干極化波，同時利用第三束探測激光和相干極化波進行相互作用產生相應的相干反斯托克斯拉曼光束。由于相干反斯托克斯拉曼光束和特定分子的溫度和分子的濃度相關[10]。因此可以通過檢測相應的相干反斯托克斯拉曼光束探究目標物質的溫度和物種變化。相比于SRS信號微弱，容易受到背景光亮和熒光干擾[1]，CARS信號有很強的相干特性和信號光強，具有很強的抗干擾能力，易于探測，被廣泛應用于固體推進劑燃燒診斷[13-17]。Kearney等[17]通過飛秒/皮秒(fs/ps)激光脈沖和時間門控消除強非共振背景干擾，利用超快純旋轉相干反斯托克斯拉曼散射成功標定了燃燒的含鋁固體推進劑羽煙的溫度，改善了CARS檢測效果。

(3)激光吸收光譜

激光吸收光譜主要是利用特定頻率激光入射固體推進劑燃燒火焰，使特定氣體組分和入射激光頻率相同，激光能量被吸收，進而通過測定激光通過固體推進劑火焰前后的強度變化來標定固體推進劑火焰溫度。激光吸收光譜在檢測火焰溫度的同時還可以對主要的燃燒產物如H2O、CO2、CO等進行定量檢測[18-19]。Ruesch等[18]通過測定含鋁和不含鋁的AP/HTPB固體推進劑燃燒不同火焰區(qū)相應CO的激光吸收光譜變化標定其不同燃燒區(qū)火焰的溫度變化規(guī)律(圖2)，揭示了含鋁固體推進劑在燃燒過程中鋁顆粒的點火延遲效應。

圖2 距離固體推進劑燃面不同位置火焰的溫度變化規(guī)律Fig.2 Histograms of the temperatures measured in the aluminized propellant flame at a height of 0.2, 2, and 4cm, respectively

1.2.3 原子發(fā)射光譜測溫技術

原子發(fā)射光譜測溫技術主要通過采集火焰中特定原子的特征譜線(如K、Cu、Fe、Al等)，通過對比原子兩條或者數條特征譜線的強度變化來計算相應目標的溫度[20-24]。此方法在應用過程中基礎性能參數的優(yōu)化和選擇，例如特征原子的選擇，顯得尤為重要。Yang等[21]系統(tǒng)評價了氮離子發(fā)射光譜在固體推進劑中的應用。通過氮離子的三根特征譜線表征了雙基、HTPB、NEPE和HNIW固體推進劑中的溫度分布狀態(tài)。測試結果和理論結果以及微熱電偶法的測溫結果相當。在含鋁固體推進劑溫度測量過程中，由于AlO在光譜分析中非常明顯，同時AlO光譜區(qū)間在紅綠光譜區(qū)能有效降低背景的干擾，因此基于AlO發(fā)射光譜是標定含鋁固體推進劑溫度最常用的方法[22]。Surmick等[23]利用AlO發(fā)射光譜測定了固體推進劑的羽煙溫度。Zhu等[24]利用AlO發(fā)射光譜研究了微波對復合推進劑燃燒的影響，表明在微波作用下鋁燃燒溫度提高約150 K。

1.2.4 輻射測溫技術

輻射測溫技術主要基于物體因本身的溫度而以電磁波的形式向外發(fā)射能量，其能量大小取決于物體的溫度,因此可通過標定被測物的輻射強度來確定物質的溫度。輻射法從測試方法上可以分為全輻射亮度法、單波長亮度法、比色法、多波長輻射法等[25-28]?；谌椛淞炼确ǖ募t外輻射測溫應用最廣泛[25]。徐朝啟等[27]利用雙波長測溫的方法表征了不同燃燒壓力條件下固體推進劑的燃燒溫度。通過對兩個波段的光譜輻射亮度溫度信息的捕捉，結合溫度構建方法計算固體推進劑的燃燒溫度。雙波長或多波長輻射測溫法消除了光路損失和振動等外界因素的影響，展現了較高的時間分辨能力和準確度。目前為了實現對固體推進劑燃燒溫度的準確測量，多種輻射技術相結合來探究固體推進劑溫度的方法受到越來越多的關注。

相對于接觸法測溫技術，以光譜法為代表的非接觸測溫法最大的優(yōu)勢在于在測溫過程中對燃燒火焰流場沒有明顯的影響。同時測試相對比較迅速，具有很高的時空分辨能力。但是相對于接觸法測溫，光譜法測量系統(tǒng)一般復雜而昂貴，操作調試困難，實驗結果需要多參數選擇和優(yōu)化，因此很難給檢測方法的準確性和穩(wěn)定性下結論。同時由于固體推進劑燃燒條件相對比較復雜，燃燒過程中背景干擾相對比較嚴重，在實現固體推進劑溫度場的高精度檢測方面仍存在很大的挑戰(zhàn)。

1.3 固體推進劑的燃燒火焰形態(tài)獲取

1.3.1 高分辨單幅數字圖像技術

高分辨單幅數字圖像技術是研究固體推進劑燃燒火焰形態(tài)最常用的一種方法。該方法設備相對比較簡單，有強大的空間分辨能力(物方像素小于10μm),同時在結合亮暗火焰兼顧等技術可以獲取固體推進劑燃燒火焰的更多細節(jié)，有助于解析固體推進劑的燃燒機理[29-31]。Yang等利用高分辨單幅數字圖像技術研究ZrH2在雙基固體推進劑不同壓力下的燃燒行為。通過分析不同壓力條件下固體推進劑的燃燒火焰各燃燒區(qū)變化規(guī)律，揭示了ZrH2在固體推進劑中的燃燒機理[29-30]。Yang等[31]利用高分辨單幅數字圖像技術對比研究了含不同催化劑的HTPB/HNIW復合固體推進劑的燃燒反應行為，確定了催化劑對固體推進劑燃燒的影響規(guī)律。

1.3.2 動態(tài)火焰高速CCD技術

不同于高分辨單幅數字圖像技術，高速攝影技術更加注重展示固體推進劑燃燒過程中的微觀動態(tài)變化。目前普通的高速攝影技術也可以實現10000幀/秒拍攝能力，具有很強的時間分辨能力。利用高速攝影技術可以捕捉固體推進劑燃燒狀態(tài)下功能組分在特定區(qū)域的形態(tài)的瞬時變化，確定燃燒過程中相應組分在微秒或者納秒量級的動態(tài)變化信息，有利于進一步理解固體推進劑的燃燒機理過程[32-34]。Xiao等[32]利用高速攝影記錄了鋁顆粒在HMX-CMDB推進劑表面不同燃燒區(qū)的燃燒狀態(tài)，揭示了鋁顆粒從加熱到燃燒的整個燃燒變化過程，闡明了鋁含量和粒度對HMX-CMDB推進劑燃燒的影響。Young等[33]利用高速攝影探究了納米鋁/硝基纖維介孔材料在HTPB固體推進劑的燃燒反應行為。結果表明，相比于直接添加微米鋁的固體推進劑，含納米鋁/硝基纖維介孔材料的燃燒下效率提高35%。通過高速攝影結果發(fā)現納米鋁/硝基纖維介孔材料在燃燒過程中在固體推進劑表面不易團聚，因此燃燒相對比較完全。

1.3.3 數字在線全息技術

在固體推進劑燃燒過程中，特定功能組分尤其是以鋁粉為代表的金屬粒子的燃燒通常由于其強烈的自發(fā)光特征發(fā)出耀眼的亮光。利用CCD等傳統(tǒng)圖像捕捉技術探究其火焰形態(tài)時由于狹窄聚焦深度等問題，很容易受到特定組分自發(fā)光的影響，無法對其燃燒狀態(tài)進行準確捕捉。在此基礎上，Daniel等[35]通過將數字在線全息技術(digital in-line holography)應用于固體推進劑鋁粉燃燒顆粒形態(tài)的測定實現了鋁粒子燃燒狀態(tài)的準確測量(圖3)。數字在線全息技術通過將特定波長的激光引入含鋁固體推進劑的燃燒場，燃燒場中的鋁粒子受到激光激發(fā)產生相應的粒子衍射效應，通過對燃燒場中鋁粒子衍射圖像的重建和解析成功獲取了鋁基固體推進劑燃燒過程中鋁顆粒的全息圖。相對于一般的CCD捕捉技術，數字在線全息技術能夠極大地避免固體推進劑功能組分燃燒過程中自發(fā)光引起的圖像誤差，能夠在有限的實驗重復的情況下快速量化金屬顆粒的燃燒狀態(tài)，同時將金屬粒子粒徑和形態(tài)等數據的測量準確度提高一個量級。Chen等[36]在數字在線全息技術的基礎上結合雙色成像高溫法測定了固體火箭推進劑燃燒過程中鋁顆粒的三維位置、尺寸和速度，為金屬化固體火箭推進劑的詳細性能評估提供了新思路和新方法。

圖3 數字在線全息技術(DIH)照相裝置圖、全息圖的聚焦特征圖和b圖白色框局部放大圖Fig.3 Experimental configuration for DIH measurement, the In-focus feature image of the hologram and the zoomed-in view of the burning Al particle in Fig.3(b)

1.3.4 紅外成像技術

紅外成像技術是利用特定波長的紅外相機區(qū)捕捉特定組分的燃燒狀態(tài)，紅外成像通過對特定波長的選擇可以有效過濾其他燃燒行為的干擾，進而研究特定功能組分的燃燒反應行為。Harrison等[37]利用3.42μm的中紅外相機探究在不同壓力范圍內鋁顆粒燃燒的紅外發(fā)射強度變化，探究了含鋁復合固體推進劑燃燒過程中鋁顆粒燃燒狀態(tài)。通過對比不同燃燒壓力下，固體推進劑中鋁顆粒內部的熔融金屬、金屬液滴表面的熔融氧化殼體、鋁液滴的氧化燃燒的紅外強度變化，闡明了壓力對鋁顆粒燃燒過程的影響規(guī)律。

1.3.5 平面激光誘導熒光(PLIF)

PLIF通過對特定分子的圖像捕捉實現固體推進劑燃燒過程中特定組分二維分布，進而記錄流場和火焰的瞬態(tài)結構具有較強的成像和時空分辨能力。Hedman等[38]基于OH-PLIF對不同粒度AP的分解過程進行實時成像，成功標定了單個AP顆粒的點火、燃燒和火焰高度的燃燒模型。結果表明AP/HTPB推進劑的火焰結構會隨AP顆粒大小發(fā)生顯著變化。

目前在固體推進劑燃燒診斷過程中，在CN、CHx、NO等小分子自由基成像的基礎上[39-41]，針對Al、Fe等金屬原子成像技術的開發(fā)豐富了PLIF對固體推進劑功能組分的燃燒反應行為的解析能力[42-44]。Vilmart等[44]通過Fe基PLIF首次實現了對鐵基催化劑在固體推進劑中燃燒狀態(tài)的實時診斷(圖4)。在實驗過程中利用Fe基PLIF對不同壓力條件下Fe原子分布狀態(tài)進行原位在線熒光追蹤，揭示了催化劑在AP/HTPB固體推進劑的燃燒反應行為，同時實現了對熱流擴散過程中可能出現的流動結構(渦旋、撲動等)的空間/時間演化原位表征，為Fe基PLIF燃燒推進劑表面的微觀流動結構原位在線表征方面的發(fā)展提供了方向。

圖4 在0.3MPa壓力下，含和不含Fe-C催化劑的AP/HTPB推進劑點火1.5 s和燃燒結束的Fe-PLIF圖[44]Fig.4 Fe-PLIF images of burning AP/HTPB propellants with and without Fe-C nanoparticles at 0.3MPa

同時Kevin等[45]在PLIF二維分布場的基礎上開發(fā)了一種三維OH平面激光誘導熒光(3D OH PLIF)技術，相對于二維平面PLIF，3D PLIF技術可以實現固體推進劑燃燒多相燃燒流場的動態(tài)表征，給出了更多動態(tài)成像信息。

在固體推進劑燃燒波診斷方面，從單幅高分辨單幅數字圖像技術的微米級分辨率和高速CCD技術實現燃燒微秒或者納秒量級的動態(tài)變化信息。目前對燃燒波診斷的時空分辨能力要求越來越高。同時以數字在線全息技術和PLIF技術等為代表的能準確反映固體推進劑特定組分燃燒狀態(tài)。原位在線表征方法是當下研究的重點，同時針對固體推進劑燃燒火焰的三維重構技術也受到越來越多的關注。

1.4 固體推進劑燃燒成分檢測

固體推進劑的燃燒過程本質上是一個涉及固相、凝聚相、氣相的固體推進劑功能組分發(fā)生劇烈氧化還原反應的復雜過程。固體推進劑燃燒過程中的各種中間反應物是整個氧化還原反應的鏈載體，對燃燒過程反應中間體的精確捕捉和測量是準確理解和解析固體推進劑燃燒機理的關鍵。固體推進劑燃燒環(huán)境復雜，燃燒劇烈，相應中間反應產物難以凍結，因此固體推進劑燃燒成分實時在線檢測一直是研究的難點問題。

1.4.1 光譜檢測法

目前光譜法以其非接觸取樣、適用范圍廣等優(yōu)點一直是固體推進劑燃燒組分診斷常用的手段。前面已經介紹了LIF、CARS、SRS等固體推進劑燃燒過程中相應成分檢測方面的應用。在此基礎上紫外-可見光吸收光譜(UV/VIS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等被廣泛應用到固體推進劑燃燒過程中相應成分檢測[46-52]。Parr等[52]采用平面激光誘導熒光、紫外-可見吸收光譜和自發(fā)激光拉曼光譜等手段探究了RDX/GAP/BTTN固體推進劑燃燒表面物質和溫度分布。結果表明HCN、CO和N2是燃面附近主要的燃燒物種，在氣相燃燒區(qū)CO、N2和H2O是主要的燃燒物種，而NO2只存在燃面附近。通過對比RDX單質和固體推進劑的燃燒過程相應組分分布差異，探討了RDX在固體推進劑中反應歷程的差異。

針對固體推進劑燃燒組分檢測，光譜法檢測范圍寬，適用于不同的燃燒工況，非常適合于燃燒火焰中小分子和自由基濃度的測量，同時在測量過程中由于是非接觸法更能反應燃燒的流場變化，但是光譜法檢測只能測量一些相對比較簡單的小分子和自由基，針對燃燒過程中產生的大分子物種，由于在高溫條件下大分子具有較大的分布函數分布和較小的轉動常數，因此在測量過程中大分子的光譜峰通常會發(fā)生重疊而無法進行準確測量。

1.4.2 質譜檢測法

質譜分析(MS)可以實現多物種尤其是反應中間體變化的實時在線分析[53]。在固體推進劑組分檢測方面質譜檢測法是接觸取樣的代表。為了檢測固體推進劑燃燒過程中各物種的變化規(guī)律，Korobeinichev等[54-56]利用質譜發(fā)展了分子束質譜來探究固體推進劑燃燒反應過程的方法。同時發(fā)展微探針取樣的方法，將微探針質譜檢測固體推進劑的燃燒壓力提升到十幾個大氣壓的范圍[56]。近年來隨著新型取樣系統(tǒng)的開發(fā)，質譜法測量固體推進劑燃燒的范圍越來越廣[57-58]。在反應檢測過程中，分子束質譜(MBMS)一直是反應中間體捕捉的重要手段，但是由于工作條件的限制，分子束質譜的取樣一直在低壓條件下進行，近年來Kuibida等[57]利用四級降壓的方式將分子束質譜取樣擴展到40個大氣壓，進一步接近固體推進劑燃燒壓力環(huán)境(圖5)。

圖5 四級降壓分子束質譜(MBMS)原理圖Fig.5 The molecular beam mass spectrometry with four-stage system

相對于光譜法，質譜法可以實現多組分實時定量定性同時檢測，同時在燃燒反應中間體檢測方面具有獨特的優(yōu)勢。但質譜工作條件相對比較苛刻，如何解決固體推進劑燃燒和質譜檢測之間的環(huán)境矛盾，開發(fā)能夠穩(wěn)定高效適用不同固體推進劑燃燒環(huán)境的取樣系統(tǒng)是實現質譜法對固體推進劑燃燒原位在線準確檢測的關鍵。

1.5 固體推進劑熄火燃面制備與分析

在固體推進劑燃燒診斷過程中，凝聚相反應區(qū)的原位在線檢測一直是燃燒診斷的難點。凝聚相區(qū)是燃燒反應初始反應區(qū)，對理解固體推進劑燃燒機理具有重要的意義。固體推進劑燃面是固體推進劑燃燒凝聚相區(qū)的直觀反映。目前針對固體推進劑凝聚相的診斷主要集中在對固體推進劑熄火燃面的分析。

1.5.1 固體推進劑熄火燃面制備

固體推進劑熄火表面的制備主要通過破片降壓、噴射冷卻劑和銅臺熄火等方法[59-60, 30]。破片降壓法主要是通過壓力快速降低，使固體推進劑無法維持其自持燃燒而熄火[59]。噴射冷卻劑主要是在固體推進劑燃燒表面噴射干冰等冷卻劑使固體推進劑表面快速降溫來實現固體燃燒終止[60]。采取破片降壓法、爆炸式噴射冷卻劑法雖然可以達到熄火的目的，但是在熄火過程中固體推進劑的燃燒環(huán)境發(fā)生劇烈變化，可能會造成燃面發(fā)生不可逆轉的變化，對固體推進劑真實的燃燒狀態(tài)有一定的破壞。銅臺熄火法主要是將固體推進劑粘在銅臺表面，利用銅良好的導熱性，使燃燒的固體推進劑由于快速失熱而熄火[30]。銅臺熄火表面制備方法相對比較簡單，對燃燒環(huán)境幾乎沒有影響，因此一直被廣泛使用。但對于高能推進劑，由于其燃燒比較劇烈，熄火成功率相對較低，因此發(fā)展新型固體推進劑燃面無損獲取的方法，拓展固體推進劑熄火范圍是固體推進劑熄火表面關注的重點。

1.5.2 固體推進劑熄火燃面表征和分析

針對固體推進劑熄火燃面，利用特征分析表征方法，例如SEM、MAPING、TEM、XPS、EDS等方法的聯(lián)合使用可以實現熄火燃面微觀結構和元素分布等物理和化學參數的準確表征，進而推導固體推進劑燃燒過程中可能發(fā)生的反應，解析其燃燒的機理。Yang等[30]利用SEM和EDS系統(tǒng)分析了含鋁和ZrH2的雙基固體推進劑的熄火燃面的微觀結構和元素分布(圖6)。結果表明含鋁固體推進劑熄火燃面主要分布的是金屬鋁粒子，而含有ZrH2的熄火燃面主要是ZrO2，進而提出了不同于鋁在燃面發(fā)生融化吸熱的反應，ZrH2在固體推進劑燃燒過程中首先發(fā)生熱分解生成H2和金屬Zr，隨后Zr在燃面發(fā)生融化和燃燒生成ZrO2的釋能機制。

圖6 含Al和ZrH2固體推進劑在不同燃燒壓力下熄火表面的SEM圖Fig.6 SEM images of the quenched surfaces of solid propellant containing Al and ZrH2

2 固體推進劑燃燒模擬診斷

隨著計算模擬的完善和算法的發(fā)展，利用模擬技術探究固體推進劑燃燒模型方面發(fā)揮越來越重要的作用[49, 61-65]。在模擬計算中，根據關注的重點不同，研究者采用的建模方法也不同，目前固體推進劑燃燒模型根據研究關注的反應相大體可以分為氣相和固相的模擬研究。

2.1 氣相模型

氣相模型模擬過程研究主要關注固體推進劑燃燒過程中的熱特性、物質和能量交換過程，以及詳細的化學反應過程，而針對固體推進劑功能組分的粒度和形貌等物理參數不做考慮。鑒于固體推進劑燃燒的復雜性，固體推進劑氣相模擬方面也發(fā)展了眾多計算模擬模型[65-75]。BDP模型是一個經典的模擬模型。該模型雖然忽略了一些重要的物理參量，采用了簡單的一維計算，但是成功闡明了固體推進劑燃燒場的多項重要特征，奠定了固體推進劑燃燒過程計算模型的基礎。在固體推進劑燃燒狀態(tài)復雜模擬方面，Miccio[67]在考慮能量方程和質量方程、固體熱傳導、燃燒速率的熱解定律的基礎上首次提出了固體推進劑燃燒的二維計算模型，在跨固-氣界面的通量條件下，模擬了相應黏合劑和氧化劑的燃燒模型。目前關于固體推進劑燃燒的氣相模擬發(fā)展已有很多相關綜述[49,62,65]。近年來，A.M. Hegab等[68]系統(tǒng)考慮固體推進劑燃燒涉及的氣相和固相耦合過程，以及固體推進劑燃面退移涉及的非穩(wěn)態(tài)多維過程建立了計算固體推進劑燃燒的非均質二維計算方法，計算了氣相壓力，火焰結構，燃面幾何結構對固體推進劑燃燒行為的影響規(guī)律。Nguyen等[69]針對固體推進劑燃燒燃面不斷變化，采用移動邊界建模方法建立固體推進劑燃燒的精確數學模型。按照質量守恒、能量守恒和動量守恒，以及運動界面框架內的本構方程，通過對移動界面問題進行坐標變換，得到固定界面公式，建立了AP燃燒的數學模型，成功預測了AP燃燒的動態(tài)特性。

上述模擬模型本質上屬于半詳細動力學模型，主要基于簡單動力學，利用質量、能量和動量守恒等方面模擬推進劑燃燒模型，在此基礎上利用詳細化學動力學模型探究明確的基元反應機理的研究也是人們關注的重點[63,70-78]。詳細化學動力學模型通過明確的基元反應來分析和解釋燃燒過程中詳細化學本質，有助于深入理解固體推進劑的燃燒機理過程。Thakre等[76]基于質量、物質濃度和能量守恒方程，以及凝聚態(tài)和氣相的有限速率化學動力學，研究了二硝胺(ADN)燃燒過程中所涉及的物理化學過程，提出了凝聚相中ADN的3個全局分解反應，在氣相中提出了包含34種物質和165種反應的詳細的化學動力學過程，詳細描述了ADN的燃燒波結構和燃燒速率特征，成功預測推進劑燃燒速率和表面溫度的變化。詳細化學動力學模型通過明確的基元反應來分析和解釋燃燒過程中詳細化學本質，有助于理解固體推進劑的燃燒機理過程。Patidar等[75]通過詳細動力學在HMX起始反應途徑的基礎上研究了HMX的凝聚相反應機理過程，提出了一個包括109種物質和157種反應的機理模型。

隨著模擬研究的深入，以固體推進劑動態(tài)燃燒等模型為代表的復雜模擬模型使得固體推進劑燃燒特性的模擬更加準確。同時通過模擬結果和實驗結果的對比驗證，固體推進劑模擬模型構建也更加完善。固體推進劑模擬模型在模擬固體推進劑的火焰結構和溫度波分布等方面具有獨特的優(yōu)勢，有助于更加深入理解固體推進劑實際燃燒波的變化規(guī)律，明確其相應的反應過程。在反應機理方面，利用詳細化學動力學模型揭示了很多單元和準單元固體推進劑相應的氣相反應過程，闡明了其相應的基元反應過程。單元和準單元等固體推進劑主要組分反應機理模型的建立，有助于進一步理解固體推進劑相應的燃燒過程。

2.2 固相模型

在固體推進劑燃燒過程中，功能組分的粒度分布和形貌等物理參數對其燃燒反應行為有直接的影響。因此針對固體推進劑功能組分的形貌、尺寸分布、產熱等固相特性建模也一直是固體推進劑燃燒建模研究的重點方向[79-86]。Plaud 等[79]模擬不同橢球形AP在不同排布條件下AP/HTPB固體推進劑的燃燒情況，結果表明AP粒子的取向對固體推進劑的燃燒有顯著的影響。Gallier等[83]模擬了AP/HTPB固體推進劑中AP粒子形狀和尺寸分布對點火延遲的影響，解釋了AP粒子延遲點火的限制機制。

在實際過程中，固體推進劑中功能組分的排布取向整體是隨機的，在建模過程中為了反應真實粒子分布情況Knott等[84]通過開發(fā)一種隨機填充算法，模擬AP顆粒在真實條件下的隨機填充，提升了模擬計算的精度。Rajoriya等[85]使用隨機填充算法來模擬固體推進劑固體填料間的熱擴散率和導熱率，在對顆粒形狀和顆粒間接觸點進行假定的條件下，模擬結果較好地預測了實驗結果。Bojko等[86]隨機填充算法模擬不同粒度AP粒子在AP/HTPB模型推進劑中的分布情況，并在此基礎上模擬了其燃燒狀態(tài)，闡明了粒度對固體推進劑燃速的影響規(guī)律(圖7)。

圖7 不同粒度AP在黏合劑中隨機分布示意圖Fig.7 Representations of a tri-modal distribution of AP crystals within a binder idealized as spheres

目前在固體推進劑燃燒診斷方面，尤其是固體推進劑燃燒反應中間體的捕捉和解析，相應關鍵反應網絡構建等方面依然存在諸多困難。通過燃燒模擬對不同主要組分燃燒反應歷程的構建和解析有助于理解固體推進劑的燃燒反應歷程。通過模擬對比不同粒度、不同形貌固體推進劑的燃燒反應行為，有助于進一步理解主要組分粒度和形貌等對固體推進劑燃燒特性的影響規(guī)律。目前依然缺少對固體推進劑的燃燒反應行為進行精確預測的方法，但是隨著模擬計算方法計算能力的提升，計算模擬將成為診斷推進劑燃燒過程的重要工具。

3 結束語

固體推進劑的燃燒過程是一個高溫高壓條件下復雜的物理和化學反應過程。針對固體推進劑燃燒波診斷發(fā)展了眾多的方法，但由于燃燒環(huán)境的苛刻性和各診斷方法應用的局限性，目前準確獲取固體推進劑燃燒過程中的相關物理和化學參數進而有效拓展對其燃燒機理的認識還存在一定挑戰(zhàn)。如何匹配好復雜燃燒體系的需求和燃燒診斷模式的應用條件，有效拓展對燃燒機理的認識深度和燃燒診斷方法的適用性，尤其是在高壓強、劇烈光噪及煙塵背景下實現對燃燒場物理及化學特征變化規(guī)律的深入認識，可能是未來最關鍵的挑戰(zhàn)。

在此針對不同燃燒診斷方法的發(fā)展和改進方向提出如下展望：

(1) 在固體推進劑溫度測量方面，微熱電偶法以其能準確反映固體推進劑各燃燒區(qū)的溫度變化規(guī)律，是固體推進劑燃燒溫度測量的主要方法。在非接觸測溫方面，多種測量方法相結合的測溫方式使其測量精度逐步提高。如何進一步提升推進劑燃溫檢測的精度和準確度也一直是研究者關注的重點。當下固體推進劑燃燒溫度實際測量過程中大多集中在針對特定點場或者平面的燃燒溫度場的測量，如何實現固體推進劑燃燒火焰的三維溫度場的準確構建和測量也將是研究的重點方向；

(2) 在固體推進劑燃燒波診斷方面，從單幅高分辨數字圖像技術到高速CCD技術，目前對燃燒波診斷的時空分辨要求越來越高。在確定固體推進劑燃燒火焰狀態(tài)的同時，目前以數字在線全息技術和PLIF技術等為代表的能夠準確反映固體推進劑特定組分燃燒狀態(tài)原位在線表征的方法是當下研究的重點，但如何克服燃燒壓強和復雜背景氣氛、煙塵背景等影響依然面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。同時針對固體推進劑燃燒火焰的三維重構技術也受到越來越多的關注；

(3) 在固體推進劑燃燒組分的檢測方面，目前快速靈敏、適用范圍廣的光譜法依然是固體推進劑燃燒組分檢測的主要方法。在燃燒組分診斷方面如何實現固體推進劑燃燒過程相關反應中間體的有效提取，實現固體推進劑燃燒成分實時在線檢測是固體推進劑燃燒需要重點關注的方向；

(4) 在固體推進劑燃燒模擬診斷方面，目前通過計算模擬可以實現對固體推進劑特定燃燒特性參數進行初步預測。鑒于固體推進劑燃燒的復雜性，目前依然缺少準確的模型實現對固體推進劑燃燒反應行為的精確預測。深入理解固體推進劑燃燒過程的熱力學和反應動力學過程，優(yōu)化固體推進劑燃燒模擬模型，進一步提升模擬的精度依舊是模擬計算發(fā)展的重點。隨著模擬模型的不斷進步和完善，相信模擬計算在固體推進劑燃燒診斷方面將發(fā)揮越來越重要的作用。

針對固體推進劑的原位在線的多維度燃燒實時診斷還存在一定的困難。同時在固體推進劑燃燒診斷方面的研究大多集中在固體推進劑的穩(wěn)態(tài)模型燃燒方面的研究，而固體推進劑實際燃燒工況一般是一個動態(tài)燃燒過程，因此發(fā)展以旋轉燃燒為代表固體推進劑真實條件下的動態(tài)燃燒方法也將是固體推進劑燃燒診斷發(fā)展的重點。