二硼化镁离散颗粒多相点火燃烧过程逐级分解与协同氧化耦合机理

Space thrusters have high demands on both theoretical calorific value and energy release characteristic of the propellant fuel. Although the excellent gravimetric and volumetric calorific values of boron are quite attractive, researchers have to face its ignition difficulty and low combustion efficiency. Recently, magnesium diboride is drawing attentions as a potential substitute of amorphous boron. The combustion of magnesium diboride is a complex heterogeneous reaction process which contains two key kinetic processes: a cascade decomposition process with magnesium desorption and a synergistic oxidation process of magnesium and diverse magnesium borides. So far, the core principle and coupling mechanism of these two kinetic processes are unclear. In this work, the thermal decomposition and thermal oxidation properties of magnesium diboride will be theoretically studied by thermodynamic and quantum chemistry calculations. The combustion diagnostics on heterogeneous ignition and combustion processes of suspended and floating magnesium diboride discrete particles will be carried out using an ultrasonic levitation particle ignition experimental system and a jet flow pressurized concentrated ignition experimental system, respectively. The condensed combustion products will then be collected and analyzed to compare the physicochemical properties such as microstructure and component before and after combustion. By combining the theoretical and experimental work results, the cascade decomposition and synergistic oxidation coupling mechanism of magnesium diboride can be revealed from mesoscopic level. Furthermore, a decomposition-oxidation coupling kinetic model on heterogeneous ignition and combustion of a discrete magnesium diboride particle will be established based on the results of mechanism study. Finally, technological approaches to realize the high efficient combustion and sufficient energy release of magnesium diboride will be put forward. The present work aims to provide test basis and theoretical support for the application of magnesium diboride as a propellant high energy fuel.

航天动力装置对推进剂燃料的理论热值和点火燃烧特性均要求极高。硼的理论热值虽高，却不易点火与燃尽，故考虑以二硼化镁为替代品。二硼化镁的多相点火燃烧是以逐级分解释镁、多种硼镁化合物与镁协同氧化两个动力学过程为核心的复杂反应过程，其核心机理及两者耦合关系尚不明确。本项目拟联合热力学和量子化学计算对高温、高压下二硼化镁的热分解和热氧化特性进行理论分析，利用超声悬浮颗粒点火试验系统和射流压力聚光点火试验系统分别对悬浮态、流动态二硼化镁离散颗粒的点火燃烧特性进行在线诊断，结合多种产物分析手段考察燃烧前后颗粒微观形貌、组分含量等理化特性变化。综合理论分析与试验研究，从细观层面探明二硼化镁逐级分解与协同氧化耦合机理，并以此为核心，建立二硼化镁离散颗粒多相点火燃烧过程分解氧化耦合动力学模型，提出实现二硼化镁高效燃烧和充分释能的技术途径。项目旨在为二硼化镁作为航天推进剂高能燃料的应用提供试验依据和理论支撑。

二硼化镁用作固体推进剂燃料可兼顾能量密度与释能效率，是单质硼的理想替代品。二硼化镁的多相点火燃烧过程中，以逐级分解释镁、多种硼镁化合物与镁协同氧化两大动力学过程最为关键，本项目围绕二者核心机理及相互耦合关系开展了详细的实验与理论研究。.项目主要研究内容包括：1）二硼化镁逐级分解释镁机理与热、动力学调控机制；2）二硼化镁点火燃烧特性及多种硼镁化合物与镁协同氧化机理；3）二硼化镁离散颗粒多相点火燃烧过程分解氧化耦合动力学模型。.理论计算结果表明，二硼化镁逐级分解与协同氧化机制与反应温度关系密切，分解产物中的硼镁比随温度升高而增大，产物分布呈阶梯型；氧化产物在低温段主要是硼酸镁和四硼酸镁，而在高温段则逐级向氧化硼和氧化镁转变；随氧气浓度升高，分解产生的镁蒸气进一步发生氧化，会促进二硼化镁的逐级分解反应。点火燃烧实验发现，二硼化镁离散颗粒的燃烧模式分为三种：单阶段燃烧、分阶段燃烧和微爆炸燃烧，其中单阶段燃烧模式为主导（发生率约为86.7%），而微爆炸燃烧由于颗粒解体，燃烧时间较其他两种模式大幅缩短（约缩短54%），凝相燃烧产物中既包含氧化硼和氧化镁等完全氧化产物，也含有镁、多硼化镁等不完全燃烧产物。二硼化镁燃烧模型研究中，依次对氧化镁在颗粒表面的凝结、氧化硼在颗粒表面的蒸发及空气对流对颗粒燃烧产生的影响进行考虑，得到的模型计算结果与实验值吻合度高，并预测得到实验条件下颗粒燃烧的火焰面半径约为颗粒半径的3倍，颗粒温度稳定在1650K左右，而火焰面温度从1100K上升并逐渐超过颗粒温度至2000K左右。.综上，项目研究揭示了二硼化镁离散颗粒多相点火燃烧过程逐级分解与协同氧化耦合机理，探明了二硼化镁多相点火燃烧过程主要影响因素及其作用机制，建立了二硼化镁多相点火燃烧过程分解氧化耦合模型，并提出了二硼化镁高效燃烧和充分释能技术途径。项目成果为二硼化镁作为高能燃料在航天推进系统中的应用提供了良好的试验依据和理论支撑。