铝是目前固体推进剂中使用最广泛的金属添加剂,添加金属铝不但可以大幅提高固体推进剂的能量密度,还可有效抑制推进系统的高频不稳定燃烧。本文采用试验研究、理论分析和数值仿真相结合的研究方法,开展了高温燃气环境中单个微米级铝颗粒的点火燃烧过程研究。由于金属铝的点火温度高和点火延迟时间长,固体推进剂中铝颗粒点火之前会在燃面处形成尺寸较大的团聚铝,增加了金属添加剂的燃烧时间,并降低了燃烧效率。针对此问题,本文还开展了单个铝镁合金颗粒点火燃烧过程研究,为铝颗粒改性处理方案提供了研究思路。搭建了高温燃气环境中单个金属颗粒点火燃烧试验系统和建立了相关试验方法。利用金属颗粒离散装置实现了粒径为几十到几百微米单个金属颗粒的稳定流化;利用预混的平面火焰燃烧器,为金属颗粒点火燃烧提供了高温氧化环境;利用同步触发多台高速摄影仪和光电倍增管组件,实现了对单个微米尺寸金属颗粒点火燃烧过程的完整记录。通过对金属颗粒点火燃烧图像和典型燃烧光谱信号的处理,获得了金属颗粒初始尺寸、初始形状、点火延迟时间、燃烧时间以及颗粒燃烧特征温度等关键参数之间的一一对应关系。同时利用高温燃气中金属颗粒中止燃烧产物取样装置,获得了金属颗粒燃烧过程中的形貌特征。此外,提出了一种针对大量试验数据的“分组–统计–拟合”三步处理方法,解决了金属颗粒初始参数分布过于集中或分散对拟合结果带来的影响。探究了高温燃气中铝颗粒点火燃烧特性的影响规律。高温燃气中铝颗粒的点火燃烧过程可以划分为三个阶段,即预热段、点火段和燃烧段。铝颗粒在燃烧过程中出现的非对称燃烧是其表面氧化帽局部覆盖作用导致的,而铝颗粒微爆现象是其表面氧化产物阻碍金属铝挥发的结果。铝颗粒点火延迟时间和燃烧时间均随着颗粒粒径的增加而增大。受到颗粒表面氧化层的作用,燃气中氧含量的增加会延长小粒径（40–100μm）铝颗粒的点火延迟时间,缩短大粒径（120–160μm）铝颗粒的点火延迟时间。铝颗粒燃烧时间随环境中氧含量的增加而逐渐减小,这与高氧环境中铝颗粒气相燃烧温度升高而加剧金属铝蒸发以及微爆现象发生概率增大有关。燃气温度升高会减小铝颗粒的点火延迟时间,但对燃烧时间影响不大。铝颗粒在氧化性燃气中的点火概率随着环境温度的增加而增大,但是随着氧含量的增加而减小。粒径为40–170μm的铝颗粒点火概率随着粒径的增加先增大后减小,存在一个点火概率最大的颗粒粒径。颗粒不规则度越大,铝颗粒的点火概率越大,这主要是由铝颗粒局部优先点火导致的。铝颗粒燃烧特征温度随着环境温度的增加而增加,但随着颗粒粒径的增大而减小。燃烧中止产物的氧化层中具有大量通孔,这是铝颗粒点火燃烧过程中外界氧化性气体向颗粒表面扩散的微通道。建立了高温燃气中铝颗粒点火和燃烧模型,并开展了相关数值计算。本文建立的铝颗粒点火模型中考虑了表面氧化层的作用机理,对有效表面化学反应面积进行了修正。燃烧模型中考虑了液态铝与氧化铝之间的表面张力,建立了燃烧过程中铝颗粒表面氧化帽几何尺寸动态变化计算方法。通过数值计算,铝颗粒点火燃烧模型对典型工况中颗粒点火延迟时间和燃烧时间的预示误差均在20%以内,并分析了误差主要来源。探究了典型工况中环境压强对铝颗粒点火延迟时间和燃烧时间的影响规律,随着环境压强的增加,表面化学反应速率增加使得点火延迟时间减小,而燃烧时间变化不大,主要原因是燃烧时间随环境压强的变化趋势受到O₂、H₂O和CO₂三种气体的共同作用而相互抵消。研究了高温燃气中单个雾化铝镁合金颗粒点火燃烧特性的影响规律。三种铝镁合金颗粒Al90Mg10、Al60Mg40和Al50Mg50在高温燃气中燃烧时均会发生微爆,微爆主要是由颗粒内部镁蒸气的迸发导致的。微爆会大幅减小合金颗粒的粒径,缩短燃烧时间,并有望减小发动机中凝相粒子带来的两相流比冲损失。合金中镁含量增加,可以明显减小其点火延迟时间和燃烧时间,表明金属镁在合金中具有促进颗粒点火和助燃作用。提高环境温度可以显著缩短颗粒的点火延迟时间,提高燃气中的氧含量可以缩短合金颗粒的燃烧时间。通过与铝颗粒比较,发现铝镁合金颗粒具有更高的点火概率、更低的点火温度以及更短的点火延迟时间和燃烧时间。铝镁合金颗粒在能量密度上的劣势,有望通过其突出的点火燃烧特性得到弥补。