【摘要】：隨著哈龍滅火劑替代工作的逐步開展,以固體推進(jìn)式滅火技術(shù)(Solid Propellant Fire Extinguishing,SPFE)為基礎(chǔ)研制的固體推進(jìn)劑燃?xì)獍l(fā)生器滅火裝置(Solid Propellant Gas Generator,SPGG)以其快速、高效、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)良特性脫穎而出,在飛行器發(fā)動機(jī)艙、燃油干艙及裝甲車輛人員艙等密閉腔室內(nèi)的滅火裝置研發(fā)工作中得到了廣泛關(guān)注。經(jīng)過多年研究,以5-氨基四氮唑/硝酸鍶(5-AT/Sr(N03)2)復(fù)合推進(jìn)劑為基礎(chǔ)作為產(chǎn)氣藥劑,根據(jù)哈龍滅火器罐體設(shè)計并制造的相應(yīng)滅火裝置已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用,但該推進(jìn)劑燃燒時凸顯的燃?xì)鉁囟雀�、燃速隨壓力變化幅度大等缺陷很大程度上阻礙了 SPGG滅火裝置的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。因此,本文以5-AT/Sr(N03)2復(fù)合推進(jìn)劑為研究對象,通過摻雜選取的六種不同種類燃燒調(diào)節(jié)添加劑,深入研究了不同種類添加劑對5-AT類推進(jìn)劑熱分解行為及燃燒行為的影響并對其影響機(jī)制進(jìn)行了探究。同時,基于搭建的滅火實驗平臺與研制的SPGG滅火裝置原理樣機(jī),使用充裝摻雜有不同添加劑的5-AT推進(jìn)劑的滅火裝置進(jìn)行了密閉腔室內(nèi)的油池火滅火實驗,并通過實驗結(jié)果對不同配方的滅火效能進(jìn)行了表征,從而探究了藥劑配方特征參數(shù)與裝置滅火效能之間的關(guān)系,進(jìn)而優(yōu)選出一種適用于SPGG滅火裝置的5-AT類推進(jìn)劑配方。本文主要的研究內(nèi)容包括:采用SEM掃描電鏡、比表面積測試儀、導(dǎo)熱系數(shù)測量儀等測量設(shè)備對摻雜不同添加劑的5-AT類推進(jìn)劑的物理特征參量進(jìn)行了表征,同時通過熱重-差熱分析儀及熱重-紅外聯(lián)用儀等熱分析設(shè)備對氮氣氛圍及不同升溫速率下各樣品的熱分解行為進(jìn)行了測試,并依據(jù)計算的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)對其熱分解反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探究。研究結(jié)果表明,摻雜的添加劑對樣品熱分解過程的影響主要通過其分別對5-AT/Sr(N03)2推進(jìn)劑熱分解過程中三個階段的反應(yīng)產(chǎn)生影響來發(fā)揮作用。在樣品分解的第一階段,摻雜添加劑后推進(jìn)劑的導(dǎo)熱系數(shù)與組分分布結(jié)構(gòu)是主要影響因素;在第二階段,冷卻劑類添加劑NQ和MA由于提前熱分解,能通過增加氣相反應(yīng)區(qū)可燃組分濃度來促進(jìn)該階段的反應(yīng);過渡金屬氧化物類添加劑nano-CuO和nano-ZnO則主要充當(dāng)氣相反應(yīng)催化劑,其中nano-CuO能進(jìn)入氣相區(qū)發(fā)揮催化作用來消耗HN3而nano-ZnO則集中在燃燒表面并催化氮氧相關(guān)反應(yīng);冷卻劑類添加劑對樣品在該階段熱分解反應(yīng)的影響取決于其自身吸熱造成的阻礙作用與產(chǎn)物可能帶來的促進(jìn)作用之間的平衡,ZrnA1204和A1(OH)3分解生成的A1203成為了主導(dǎo)因素,能加速該階段的反應(yīng)。而在第三階段,Sr(N03)2的熱分解過程主要受各添加劑自身或其分解產(chǎn)物的影響。通過實驗測試對摻雜不同添加劑的5-AT類推進(jìn)劑的常壓燃燒火焰形態(tài)結(jié)構(gòu)、燃燒溫度、不同壓力下燃燒速度及固態(tài)燃燒殘渣成分進(jìn)行了研究與分析,并結(jié)合熱分解行為研究結(jié)果,抽象出了不同配方的物理燃燒模型,揭示了各添加劑對樣品燃燒行為的影響機(jī)制,并基于GDF模型構(gòu)建了適用于5-AT類推進(jìn)劑的理論燃燒模型。研究結(jié)果表明5-AT類推進(jìn)劑燃燒行為的變化取決于燃燒表面處氣相反應(yīng)與固相反應(yīng)中熱傳遞平衡過程的變化,NQ、nano-CuO和A1(OH)3的摻雜能促進(jìn)氣相區(qū)反應(yīng),而MA、nano-ZnO和ZnA12O4的摻雜則對固相區(qū)反應(yīng)的影響較為明顯,這也體現(xiàn)到了各樣品的燃燒火焰結(jié)構(gòu)中。同時,固態(tài)燃燒產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果也印證了對5-AT類推進(jìn)劑熱分解過程中化學(xué)反應(yīng)路徑的分析。而總結(jié)的物理燃燒模型對摻雜不同添加劑后燃燒表面的熱平衡過程提供了很好的闡釋,能夠很好的解釋不同配方推進(jìn)劑的燃燒過程。同時,構(gòu)建的理論燃燒模型也通過燃燒速度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了適用性驗證�；赟aito法對充裝不同推進(jìn)劑的SPGG滅火裝置的理論滅火效能進(jìn)行了計算。同時,基于研制的SPGG滅火裝置原理樣機(jī),搭建了滅火實驗平臺并開展了密閉腔室內(nèi)的油池火滅火實驗,利用實驗結(jié)果對充裝不同推進(jìn)劑的SPGG滅火裝置的實際滅火效能進(jìn)行了評估和表征。理論計算結(jié)果表明,當(dāng)選用超細(xì)干粉作為滅火介質(zhì)時,研制的SPGG滅火裝置原理樣機(jī)的理論滅火效能能達(dá)到哈龍滅火器的2.77倍。而實驗測試結(jié)果表明推進(jìn)劑的燃燒速度、燃燒溫度及點火延遲時間三個特征參量是能夠影響SPGG滅火裝置滅火效能的直接因素,具有不同特征參量的推進(jìn)劑在滅火器罐體內(nèi)快速燃燒,致使滅火介質(zhì)受到了不同溫度和壓力的氣態(tài)產(chǎn)物的驅(qū)動作用,從而具有了不同的降溫速率與初速度,進(jìn)而使裝置的滅火時間發(fā)生變化。因此,為了提升SPGG滅火裝置的滅火效能,應(yīng)當(dāng)優(yōu)選一種具有低燃溫、燃速較大且點火延遲較低的5-AT類推進(jìn)劑�；谠摲治鼋Y(jié)果,優(yōu)選并制備了一種摻雜有NQ、nano-CuO及ZrnAl2O4的5-AT類推進(jìn)劑并進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的測試,結(jié)果表明該推進(jìn)劑燃燒溫度僅為885.91 K,在壓力為1 MPa時燃燒速度相較于5-AT/Sr(NO3)2推進(jìn)劑上升了約9%,而且該推進(jìn)劑在壓力為1-5MPa時的燃速壓力指數(shù)僅為0.22。同時滅火實驗測試結(jié)果也表明充裝該推進(jìn)劑后SPGG滅火裝置的滅火效能得到了提升,這也印證了本文研究中提出的藥劑特征參數(shù)與裝置滅火效能之間的關(guān)系。
【圖文】：

相較于氣體滅火裝置往往長達(dá)２－３邋ｓ的噴灑時間，ＳＰＧＧ發(fā)展初期達(dá)到滅火效果的可能大大提升［１８，１９］。根據(jù)對裝置內(nèi)固體生成的高溫燃?xì)饫梅绞降牟煌�，ＳＰＧＧ滅火裝置又可以劃分為接滅火式固體推進(jìn)式滅火裝置（Ｅｘｔｅｒｎａｌ邋ＳＰＧＧ）逡逑類裝置利用藥劑燃燒產(chǎn)生的大量高壓惰性燃?xì)饩哂辛己玫姆稚⒍�，可以直接噴灑進(jìn)入火場，進(jìn)而與火焰直接接觸達(dá)到火焰抑制這樣設(shè)計的滅火裝置結(jié)構(gòu)十分緊湊，重量很小，且由于不需要額該裝置可以多次重復(fù)利用。但是，，由于逸出的高溫燃?xì)庵型鼰龤堅�，這些具有較高初速度的高溫固態(tài)顆粒物極易附著在物品二次污染也能點燃未燃物品，導(dǎo)致火災(zāi)擴(kuò)散，也能造成環(huán)境污劑產(chǎn)氣量的限制，往往需充填更大質(zhì)量的產(chǎn)氣藥劑以達(dá)到較好的在運輸、存儲等過程中成為新的危險源。因此，該類滅火裝置由膠滅火裝置類似的缺陷，一直難以大規(guī)模應(yīng)用［２（）］。逡逑惟性氣態(tài)產(chǎn)物逡逑

｜W丨■丨，■丨＿丨＾？逡逑a性氣態(tài)產(chǎn)物逡逑圖１．１直接滅火式固體推進(jìn)式滅火裝置結(jié)構(gòu)示意圖逡逑２．間接滅火式固體推進(jìn)式滅火裝置（Ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ＳＰＧＧ）逡逑該類裝置利用密閉腔室內(nèi)固體推進(jìn)劑在短時間內(nèi)快速燃燒產(chǎn)生的大量燃?xì)忮义献鳛閯恿υ矗?qū)動滅火介質(zhì)通過噴嘴噴灑，使其與火焰直接接觸以達(dá)到火焰抑制逡逑及熄滅的效果。這樣設(shè)計的滅火結(jié)構(gòu)裝置較為緊湊，很好的平衡了裝置質(zhì)量、體逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V51

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本文編號：2688444