固体推进剂是固体火箭发动机的能源,其性能优劣直接影响飞行器的安全稳定运行及航速、航程等重要指标。金属燃料是固体推进剂的重要组成部分和主要含能材料,可大幅提高推进剂能量水平,但其在推进剂燃面的团聚问题会给发动机性能带来诸多不利影响。基于以上背景,结合实验测试和理论计算,开展了铝（Al）、三氢化铝（Al H3）、硼（B）等传统与新型固体推进剂用金属燃料点火燃烧特性及相应固体推进剂燃烧释能特性与燃面团聚机理的研究工作,以期为固体推进剂的可靠点火、高效燃烧以及能量充分释放提供理论指导。首先,以传统的含铝固体推进剂为研究对象,一方面,结合扫描电镜、能谱检测及热重分析,详细研究了含铝固体推进剂的细观结构和多组分协同热分解过程,另一方面,通过燃烧过程在线诊断、MATLAB数字图像处理以及凝相燃烧产物离线表征,系统研究了含铝固体推进剂点火燃烧特性及其中铝颗粒的团聚机理。发现含铝固体推进剂的热分解过程包含低温慢速失重（100–259℃,失重量6.61%）、中温快速失重（259–396℃,失重量69.3%）和高温缓慢失重（396–700℃,失重量2.02%）三个阶段。凝相燃烧产物可分为氧化铝烟雾颗粒（＜0.5μm）、中等粒径颗粒物（0.5–70μm）和铝团聚体（＞70μm）三类,相应的微观形貌特征表明铝颗粒燃烧过程中同时发生了熔散反应和扩散反应。铝团聚体的形成和推进剂中的“口袋”结构密切相关。不同压力下的燃面铝颗粒团聚过程（“累积–聚集–团聚”）相同,但压力升高会缩短团聚所需时间、减小团聚体尺寸和数量。团聚体脱离燃面时的速度在常压下最大,不同压力下无明显差异。其次,对比研究了Al及其潜在替代物Al H3的微观形貌、成分组成、热氧化特性及宏观与细观层面的点火燃烧特性。发现二者的热氧化过程均包括一个失重阶段和两个增重阶段。具有相似粒径（约25μm）的Al和Al H3的点火延迟时间分别为19.5 ms和1.4 ms。Al燃烧前期存在短暂的爆炸燃烧现象,而Al H3的整个燃烧过程均呈爆炸式,其火焰发展初期存在与析氢有关的“双层火焰面”现象。单颗Al H3的燃烧行为和Al相似,H2在颗粒内部的累积会导致Al H3颗粒发生“微爆”。总体而言,Al H3具有明显更好的热氧化及点火燃烧性能。在上述对比研究的基础上,利用Al H3部分/全部取代含铝固体推进剂中的Al制备了含Al/Al H3固体推进剂,通过实验测试结合NASA CEA软件理论计算,系统研究了Al H3对固体推进剂能量性能、点火燃烧及金属颗粒团聚特性的影响。理论计算表明,用Al H3取代Al将导致推进剂的理论质量和体积燃烧热上升,理论比冲增加,发动机燃烧室温度降低。实验研究表明,随着Al H3含量的增加,推进剂的燃烧效率逐渐提高,燃速逐渐增大,燃烧火焰亮度及最高燃烧温度逐渐降低。Al H3在推进剂燃面的团聚过程以及最终形成的团聚体形态均与Al相似。选择合适粒径的Al H3加入固体推进剂将在一定程度上抑制金属颗粒团聚。接着,针对含硼富燃料固体推进剂实际应用过程中的分阶段燃烧特征,设计制作了微圆管燃烧器以模拟其一次、二次燃烧过程,通过在线光学测量与燃烧产物离线分析,深入研究了含硼固体推进剂及其中硼颗粒的燃烧团聚特性。发现含硼固体推进剂的一次燃烧强度和温度明显低于含铝固体推进剂。含硼固体推进剂燃面上存在明显的硼颗粒聚集现象。燃面附近的不规则硼聚集体不会像铝聚集体那样变成球形液滴,但其进入二次燃烧火焰区后会因为发生硼的熔化而进一步发展成球形团聚体。含硼固体推进剂一次燃烧固相产物成分比含铝推进剂凝相产物复杂得多,含有B、B2O3、BN、B13C2等17种组分。压力升高基本不改变一次燃烧固相产物组分的种类而仅改变各组分的相对含量。随后,在理论研究方面,基于Chemkin软件进行了高氯酸铵（AP）/端羟基聚丁二烯（HTPB）固体推进剂预混燃烧过程的数值模拟。通过和经典文献中AP、AP/HTPB推进剂的燃烧实验数据进行对比,验证了所用详细气相化学反应动力学机理（37个组分,127个基元反应）的合理性。在此基础上,结合温度敏感性分析,深入研究了不同配方AP/HTPB固体推进剂近燃面区域的预混燃烧火焰结构和相应的微观化学反应过程,获得了推进剂气相区域温度分布及关键组分的空间演变机制,研究结果有助于加深对固体推进剂宏观燃烧特性的理解。最后,根据推进剂中Al、AP颗粒的随机分布特性,构建了固体推进剂细观结构的几何拓扑模型。在此基础上,采用基于离散单元法的颗粒直接数值模拟技术实现了固体推进剂燃面附近铝颗粒析出、运动、团聚过程的三维数值模拟和团聚体粒度分布的预示。利用近燃面区域团聚体的形貌结构和粒度分布的实验数据,从定性、定量的角度验证了所建模型的准确性。随后,通过改变工况参数,进一步研究了铝颗粒含量和压力对团聚过程及团聚体粒径的影响,模拟结果与实际情况相符,说明该模型能有效预测固体推进剂中铝颗粒的团聚行为。