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固體推進劑燃燒
鎖定
- 中文名
- 固體推進劑燃燒
- 外文名
- solid propellant combustion
固體推進劑燃燒固體推進劑
固體推進劑是一種經過特殊加工的、本身含有氧化劑和燃燒劑、能夠規律燃燒產生大量熾熱氣體的固態含能材料。它能在沒有環境氧的參與下自行維持燃燒反應。
固體推進劑可以分為均質推進劑和異質推進劑兩大類。
均質推進劑的主要特點址推進劑各組分在分子形態上相互結合， 無相界面，結構均勻。其主要組分是硝化棉( C24H28O44N12)和硝化甘油(C3H5O9N5)等，因而又常稱為雙基推進劑或雙基藥。這兩種組分中都含有燃燒元素C和H及氧化元素O。硝化棉能溶於富氧的硝化甘油中形成結構均勻的物質，因此在燃燒時呈現許多預混燃燒的特點。
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異質推進劑主要由無機氧化劑和可燃物（如高分子粘合劑和金屬燃燒劑）等組成的復相混合物。以聚硫橡膠、聚氨酯、聚丁二烯等高聚物粘合劑為特徵的稱為複合推劑；以雙基推進劑基體做粘合劑為特徵的稱為改性雙基推進劑。異質推進劑中無機氧化劑通常呈顆粒狀（直徑從幾微米列幾百微米）存在於粘合劑基體中，它燃燒時帶有更多的擴散燃燒的特點。
與各種氣態、液態燃料的燃燒相比，固體推進劑的燃燒過程是比較複雜的。它包含—系列在氣、液、固各相中發生的化學反應和傳熱、相變和擴散等物理過程，並且出現了許多在通常狀態下不能獨立存在的中間產物。不同推進劑的工作壓力有明顯差異，火箭用複合推進劑工作壓力最低，通常在10到100大氣壓，雙基推進劑則常在70到200大氣壓之間，而火炮的膛壓常高達500到5000大氣壓。因南此，又給固體推進劑的燃燒研究帶來了一定的困難，這方面的研究工作在一定程度上還依賴於試驗儀器設備的進展程發。
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固體推進劑和炸藥的化學組成基本上是相同的，可認為是同類物質。然而，它們在應用上卻有明顯的區別。固體推進劑是通過燃燒產生熾熱的氣體做推進功，燃燒過程是亞聲速的。炸藥則是通過爆炸所產生的高壓熾熱氣體的衝量做破壞功，這個過程通常都是超聲速的。
固體推進劑燃燒燃燒特性
固體推進劑是由多種組元組成的物質，本身結構相當複雜。固體推進劑的燃燒過程包括一系列複雜的物理化學過程。這是一個涉及到在固態、液態、氣態的非均相混合物中出現的非常複雜的物理化學過程。在這一過程中，不僅有固態的熔化、昇華、汽化，液態的蒸發以及氣態與液態的混合等物理變化過程，由於燃燒過程是在高温高壓條件下進行的，因此它有劇烈的解聚、熱分解、氧化、還原反應，以及固氣的表面反應、液相反應、離解與複合反應等，同時還伴隨着激烈的熱量和質量的交換過程。推進劑的燃燒過程對於固體火箭發動機來講，是將推進劑通過物理變化和化學反應把推進劑的化學能轉變為燃燒產物的熱能。
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固體推進劑的燃燒過程不僅取決於推進劑各組元的物理化學性能，而且還取決於發動機燃燒室的條件(如燃燒室壓強、燃氣流動速度等)，因此雙基推進劑和複合推進劑的燃燒機理是不同的。燃燒機理是指在燃燒室中進行化學反應的特點，以及熱量和質量的傳遞的過程。
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由於燃燒過程中，反應速度很快，因而不容易在試驗中直接觀察到過程進行的詳細情況，多年來，人們通過實際觀察和測試分析對推進劑的燃燒機理有了基本認識，提出了一些燃燒的基本規律。
“幾何燃燒定律”是固體推進劑燃燒的重要規律，是對推進劑燃燒表面推進的規律的描述。
早在19世紀，先後由皮奧波特和維也里根據火炮發射中拋出殘餘藥片的形狀同原來藥片初始形狀相似的情況，提出了“幾何燃燒定律”。它包括三項基本假設：
①整個裝藥的燃燒表面同時點燃；
②裝藥成分均勻，燃燒表面各點的條件相同；
③燃燒表面上的各點都以相同的燃速向裝藥裏面推進。
根據這些假設條件，推進劑在燃燒時，裝藥的表面始終與初始燃燒表面平行，也就是説，某一瞬時的燃燒表面是沿裝藥初始幾何形狀平行的向內部退移的規律而形成的，這就是所謂“平行層燃燒規律”。根據“幾何燃燒定律”，把整個裝藥的複雜燃燒過程概括為兩點：①裝藥的燃燒表面上各點的燃速相等；②燃燒面的推移方向是向裝藥內部且處處都是沿着燃燒表面法線方向。由這兩點，不管推進劑藥柱幾何形狀多麼複雜，我們都可以分析出任一瞬時裝藥的燃燒表面形狀及尺寸。
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由上面介紹的“幾何燃燒定律”，我們可以定義出固體推進劑的燃速。燃速是固體推進劑的一個重要特性。在推進劑燃燒過程中，推進劑燃燒表面沿其法線方向向推進劑內部連續推進的速度稱之為燃速，以r表示。其定義式為：
式中 e——沿燃面法向向裏推移的直線距離，稱為燃層厚度，cm；
t——燃燒時間，s。
固體推進劑燃燒穩態燃燒過程
固體推進劑的燃燒是在高温高壓條件下進行，而且反應速度很快，大部分過程是在比較窄 的燃燒反應區內進行的(燃燒反應區的厚度有的只有十分之幾亳米，甚至更小)。由於推進劑 的微觀組織結構不同，固體推進劑的穩態燃燒在燃燒機理上是不同的。所謂“穩態”燃燒是相 對“不穩態”而言。“穩態”燃燒是指其過程持續且穩定，不隨時間而變化。
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固體推進劑燃燒雙基推進劑
雙基推進劑本身所含的氧化劑和燃燒劑是預先混合好的。它的一維燃燒過程通常以燃燒 區的構成為基礎進行描述。雙基推進劑穩態燃燒模型，仍然延續引用的是四區燃燒模型, 如概述圖所示。比較公認的燃燒區是由亞表面及表面反應區、嘶嘶反應區、暗區和發光 火焰區組成。
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(1) 亞表面及表面反應區
簡單地説，亞表面及表面反應區是最靠近 推進劑燃燒表面的區域.首先由外界氣體通過 傳熱方式向推進劑裏層傳熱，從而使推進劑初 温升高.推進劑這一層變軟，靠近表面處形成 亞表面和表面反應區。該區的物理反應有熔 化、分餾、蒸發及熱分解。該區裏層的化學反 應是吸熱反應，而靠表層區則有放熱反應。如 果反應放熱大於吸熱，則表面温度上升至燃燒 表面温度。此時大部分分解產物還來不及發 生化學反成就進入了嘶嘶反應區。
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(2) 嘶嘶反應區
固體推進劑的分解產物進入氣相區後首 先形成嘶嘶反應區。這一區並不完全是氣體，還夾雜着液體以及固相微粒，是一個以氣體為主的帶有凝相微粒的彌散分佈區。該區總的熱效應是放熱的，放出的熱量又加速固相微粒的汽化。隨着温度和壓力的提高，使凝相汽化過程強度增大。
(3)暗區
嘶嘶反應區反應結束後生成大量的NO，而NO的還原反應只能在高温、高壓下才有一定的反應速度，隨着逐步遠離燃燒表面，分解產物逐步聚集，温度不斷提高，不過反應速度較慢。暗區的温度只能達到1670—1970K，尚達不到發光的程度，這就構成了暗區。
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(4)發光火焰區
經過暗區的熱量積累，分解產物與未完全燃燒的產物之間開始進行氣相反應，使NO的進一步還原反應加速，形成了發光火焰區。這一區的反應進行程度，取決於該區壓強提高到一定程度後，燃燒才能充分和完全。這個一定程度的壓強值稱為最低正常燃燒壓強，也稱為臨界壓力。
固體推進劑燃燒複合推進劑
圖1 含鋁粉複合推進劑穩態燃燒的三維燃燒模型
圖1所示為含鋁粉複合推進劑穩態燃燒的三維燃燒模型。這説明在複合推進劑的燃燒區中，各種物理、化學過程不僅沿燃燒表面的垂直方向變化，而且在同一平面上有多種燃燒過程是分散進行。其燃燒表面是一個不規則的、高低不平的不穩定界面。複合推進劑整個燃燒區的各種反應過程大致有：①過氯酸銨(AP)在固相表面上的熱分解；②燃燒劑的熱分解；③燃燒劑氣體和氧化劑氣體在氣相中的反應。
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此外，燃燒過程也受到壓強的影響，壓強低時氣相反應速度慢，壓強高時氣相反應速度加快，而且不論壓強的高與低，過氯酸銨顆粒尺寸對燃燒也有影響。總之，複合推進劑的燃燒相當複雜，涉及到各組元在固相受熱後的軟化、蒸發和分解汽化，以及各組元在氣相中相互擴散和反應，通過相互間的傳熱、傳質，在燃燒區形成多種火焰。
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固體推進劑燃燒燃速特性
間的速度向裝藥內部移動，即以 平行層逐層燃燒，稱為幾何燃燒定律。這種燃燒規律是由法國學者皮奧伯特（G. Piobert) 1839年提出的。
該定律由實驗現象總結而出，在宏觀上，基本反映了實除燃燒情況，雖然實際燃燒不可 能嚴格滿足上述理想條件。該定律的重要意義在於：燃面的變化規律可由純幾何關係導 出，為發動機的裝藥設計和性能預估帶來極大的方便.
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固體推進劑的燃速定義為在單位時間內燒去固體推進劑的幾何厚度或質量。
固體推進劑的燃速與推進劑自身組成有關，組元不同，其燃速特性有較大差異；固體推進劑燃速還與燃燒條件有關，如與燃燒室壓強、推進劑初温、氣流速度和旋轉加速度等有關。
1．推進劑性能對燃速的影響
推進劑的性能主要取決於推進劑的組元、組元含量、氧化劑顆粒度、推進劑密度以及催化劑種類等。
對於雙基推進劑，硝化甘油含量多少可以調節燃速，即硝化甘油含量高時，燃燒熱增加，使燃速相應加快；在組分中加入催化劑可以顯著提高燃速，尤其是低壓強工作時，可以明顯提高燃速。一般情況下，加入催化劑對推進劑燃燒熱影響很小。
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對於複合推進劑，氧化劑顆粒度大小影響燃速。氧化劑顆粒粗時，燃速低；氧化劑顆粒小時，可以使燃速增加，但是使推進劑粘度加大。
推進劑的密度也影響燃速，一般情況下，密度大則燃速降低。此外，推進劑工藝過程也影響燃速，即使是同一種推進劑而不同批次生產的，也會有差異。
2．壓強對燃速的影響
發動機燃燒室的工作壓強對推進劑燃速影響較大，而且燃速與壓強的關係直接影響發動機的內彈道性能。大多數推進劑的燃速隨着壓強的增加而增加；但也有的推進劑在某一壓強範圍(壓強段)內，燃速不隨壓強變化而變化，或變化很小。由指數關係的燃速公式可知，在一定的壓強範圍內，可以近似將燃速看作壓強的函數。由於雙基推進劑與複合推進劑的燃燒過程有區別，所以在燃速與壓強的關係方面也不盡相同。
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3．初温對燃速的影響
推進劑的初始温度是指它燃燒前的推進劑温度。推進劑的燃速受初温的影響比較明顯，這是它的一個固有缺點。固體推進劑本身是一個導熱性很低的物質，推進劑藥柱燃燒是在一個很薄加熱層中進行。
如果推進劑藥柱無恆温措施，那麼藥柱初温受環境温度條件影響，初温升高則燃速增加，初温降低則燃速減小，同時也影響工作壓強和推力，發動機工作時間也受影響。雖然發動機的總衝並沒有多大變化，可是發動機的比衝卻隨初温變化而有1%～2%的變化。
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從推進劑燃燒機理上看，初温升高，相當於推進劑固相中具有的熱能增加，在相同的熱傳導條件下，加速了固相的分解速度，燃速隨之增加。初温對燃速的影響可通過燃燒模型進行預測和分析，並由試驗研究獲得工程上的應用。因此，對於大型固體火箭發動機，如果環境温度超過了保證發動機性能的允許條件時，必須進行恆温處理，保證按規定的推進劑初温進行地面試驗或飛行試驗。
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4．燃氣速度對燃速的影響
固體推進劑的穩態燃燒沒有考慮推進劑藥柱燃燒表面受燃氣流速的影響。實際上發動機裝藥的燃燒表面存在着平行於燃燒表面的氣流速度，由於高温、高壓燃氣流動使裝藥下游的對流傳熱加強，從而使此區段的推進劑燃燒速度增加，這種現象稱為侵蝕燃燒。
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圖2 有侵蝕燃燒現象的p-t曲線
5．加速度場對燃速的影響
飛行器在發動機推力作用下加速飛行，或利用旋轉來穩定飛行，使固體火箭發動機推進劑藥柱的燃燒過程處於加速度場的環境中。無論是旋轉加速度還是縱向加速度，研究表明與加速度矢量成60°～90°夾角的燃燒表面，最容易使燃速增加，從而對發動機性能帶來影響。
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