固体推进剂的性能参数及其.
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p
• du • p ( 1 ) u11 （5.13） dTu＝u pn中的系数，由u的测定可算出σ 。 • 式中：u1－燃速公式 1 p
表5.1 几种制式推进剂的n和σp
推进剂类型 n（3.0～10MPa）
back
σ p/K-1(6.87MPa)
SS-2
Leabharlann Baidu
0.485
0.0025(+50～－40℃)
• 上述燃速公式是一个适用于火箭发动机使用压力范围的燃 速—压力关系式，对各种推进剂几乎都通用。 • 若将该式取对数，则得 • ln u＝ln u1＋nln p (5.9) • 对式（5.9)微分，得 • n＝d ln u /dln p (5.10) • 式（5.10）可以定义压力指数为燃速对压力的敏感度。 • 推进剂的燃速压力指数n是表征推进剂燃速与压力关系的重要 参数。 • n的大小不仅与推进剂的种类、组分有关，而且与压力的大小 有关。 • 不含催化剂的推进剂的n值为0.5～1，平台双基推进剂的压力 指数接近于零，复合推进剂的n值为0.2～0.5，NEPE推进剂的 n值为0.55～0.68。back
• 4推进剂燃速 • （1）线性燃速（u) • 线性燃速是指推进剂燃烧沿表面法线方向固相消失的速度， 单位为mm/s。 • 燃速是一个化学变化的速率问题，受反应物和反应条件的影 响，在推进剂的组成确定以后，燃速受推进剂燃烧各反应区 的热量向未燃层表面传播速度的控制。 • 推进剂的燃速关系式一般由实验确定。 • 设推进剂的燃烧层厚度为e，则推进剂的燃速为 • u＝de/dt (5.6) • 式中：u—推进剂的燃速（mm/s）；e—推进剂的燃烧层厚度 （mm）；t—推进剂燃烧厚度e时燃烧所需要的时间（s）。
固体推进剂的性能参数及其调节
固体推进剂的主要性能参数
• • • • • • • 1比冲go 2密度比冲go 3特征速度go 4推进剂燃速go 5燃速压力指数ngo 6燃速温度系数go 7 压力温度系数go
• 1比冲 • 在火箭发动机中，单位质量推进剂燃烧时产生的冲量称为推 进剂的比冲，以ISP表示为 • ISP＝I/m （5.1) • 式中：I — 火箭发动机的总冲（N· s-1）；m — 固体推进剂的 总质量（kg）。 • 此外，推进剂的比冲还可以表示为推力F与推进剂燃烧产物的 质量流量m*之比，即 • ISP＝F/m* (5.2)
• （2）质量燃速（um) • 质量燃速是指推进剂燃烧时单位时间、单位面积上固相消失 的质量，单位为g/（cm2· s），可表示为 • um=ρ·u (5.7) • 式中： u — 推进剂的质量燃速[g/（cm2· s）]；ρ— 推进剂的 密度（g/cm3） 。back
• 5燃速压力指数n • 推进剂的燃速除受推进剂的组分、含量以及物理性能的影响 之外，还受初温、压力等外界条件的影响。 • 燃速对压力敏感的程度可以从下面不同的燃速表达式中看出。 • u＝u1pn (5.8) • 从理论上讲，燃速系数u1的物理意义是当压力为1 MPa时的燃 速。 • 实际上，u1是通过实验数据的处理得到的。
back
• • • •
2密度比冲 密度比冲定义为 Iρ＝ISP·ρ (5.4) 式中：Iρ－密度比冲（N· s/m3）；ISP－推进剂的比冲 （N· s/kg）；ρ－推进剂的密度（kg/m3） back
• 3特征速度 • 特征速度是描述推进剂做功能力的一个重要参数，定义为燃 烧室的压力和喷管喉部截面积的乘积与质量流量之比，表示 为 • c*＝PC· At/m (5.5) • 式中：c*—特征速度（m/s )；Pc—燃烧室内的压力（MPa）； At—喷管喉部截面积（m2）；m—质量流量（kg/s）。 • 由于燃气产物在喷管截面处的质量流量与燃气的密度、速度 和截面积有关，特征速度c*虽然其量纲具有速度的特征，但 所反应的是燃烧室条件下推进剂本身释放的能量和做功的能 力，与喷管结构无关，是衡量推进剂能量的一个方便有效的 参数。back
• 6燃速温度系数 • 燃速温度系数是指在一定的压力条件下，某一初温范围内， 推进剂温度变化1K时所引起的燃速的相对变化量，以σP表示。 ln u • （5.11） p ( )p • 式中：T－推进剂的初温，根据推进剂的燃速压力公式，得 T • （5.12） ln u1 n ln u1 p ( )p T T • 根据σ 的定义，p 为一恒定值，则
• 根据推进剂在火箭发动机内的燃烧为绝热过程的假定，推进 剂的初始焓全部转变为燃烧产物的焓，同时，按照燃气产物 在喷管流动过程中熵不变的假设，则燃气流动中动能的增加 来自于其焓的降低，Tc越高，n越大，ISP则越大，所以在推进 剂配方设计时，应选取尽可能提高燃温和降低燃气平均相对 分子质量（即n大）的成分。 • Isp＝［2(HC－He)］1/2 (5.3)
SQ-2
0.526
0.0023(+60～－40℃)
SM-2
0.500
0.00247(+60～－40℃)
AP/PS/Al
0.226
0.0023(+50～－50℃)
• 7 压力温度系数 • 压力温度系数是指一定的面喉比（KN）条件下，在某一初温 范围内，推进剂初温变化1K时，燃烧室压力的相对变化量， 以πk表示，单位为K－1。 ln p • k ( ) KN T • （5.14） • 推导可知，σp与πk的关系为 • p k • （5.15）
1 n
• 由σp及压力指数可求出πk值，常见推进剂的性能如表5.2所示。
表5.2 某些推进剂的性能
back
推进剂的性能调节
• 1能量性能调节 go • 2燃烧性能调节（燃速）go • 3力学性能调节
• （1）调节双基推进剂硝酸酯和硝化纤维素的用量 • 由纤维素经硝酸酯化获得的硝化纤维素的能量高低与生成硝 酸酯基的数目有关，一般用氮的质量分数ω（N)表示其酯化 度。 • 提高硝化纤维素中N的质量分数，能够增大推进剂的比冲， 双基推进剂使用的硝化纤维素中氮的质量分数一般在12.6％ 以下，过大不容易被溶剂塑化。
• du • p ( 1 ) u11 （5.13） dTu＝u pn中的系数，由u的测定可算出σ 。 • 式中：u1－燃速公式 1 p
表5.1 几种制式推进剂的n和σp
推进剂类型 n（3.0～10MPa）
back
σ p/K-1(6.87MPa)
SS-2
Leabharlann Baidu
0.485
0.0025(+50～－40℃)
• 上述燃速公式是一个适用于火箭发动机使用压力范围的燃 速—压力关系式，对各种推进剂几乎都通用。 • 若将该式取对数，则得 • ln u＝ln u1＋nln p (5.9) • 对式（5.9)微分，得 • n＝d ln u /dln p (5.10) • 式（5.10）可以定义压力指数为燃速对压力的敏感度。 • 推进剂的燃速压力指数n是表征推进剂燃速与压力关系的重要 参数。 • n的大小不仅与推进剂的种类、组分有关，而且与压力的大小 有关。 • 不含催化剂的推进剂的n值为0.5～1，平台双基推进剂的压力 指数接近于零，复合推进剂的n值为0.2～0.5，NEPE推进剂的 n值为0.55～0.68。back
• 4推进剂燃速 • （1）线性燃速（u) • 线性燃速是指推进剂燃烧沿表面法线方向固相消失的速度， 单位为mm/s。 • 燃速是一个化学变化的速率问题，受反应物和反应条件的影 响，在推进剂的组成确定以后，燃速受推进剂燃烧各反应区 的热量向未燃层表面传播速度的控制。 • 推进剂的燃速关系式一般由实验确定。 • 设推进剂的燃烧层厚度为e，则推进剂的燃速为 • u＝de/dt (5.6) • 式中：u—推进剂的燃速（mm/s）；e—推进剂的燃烧层厚度 （mm）；t—推进剂燃烧厚度e时燃烧所需要的时间（s）。
固体推进剂的性能参数及其调节
固体推进剂的主要性能参数
• • • • • • • 1比冲go 2密度比冲go 3特征速度go 4推进剂燃速go 5燃速压力指数ngo 6燃速温度系数go 7 压力温度系数go
• 1比冲 • 在火箭发动机中，单位质量推进剂燃烧时产生的冲量称为推 进剂的比冲，以ISP表示为 • ISP＝I/m （5.1) • 式中：I — 火箭发动机的总冲（N· s-1）；m — 固体推进剂的 总质量（kg）。 • 此外，推进剂的比冲还可以表示为推力F与推进剂燃烧产物的 质量流量m*之比，即 • ISP＝F/m* (5.2)
• （2）质量燃速（um) • 质量燃速是指推进剂燃烧时单位时间、单位面积上固相消失 的质量，单位为g/（cm2· s），可表示为 • um=ρ·u (5.7) • 式中： u — 推进剂的质量燃速[g/（cm2· s）]；ρ— 推进剂的 密度（g/cm3） 。back
• 5燃速压力指数n • 推进剂的燃速除受推进剂的组分、含量以及物理性能的影响 之外，还受初温、压力等外界条件的影响。 • 燃速对压力敏感的程度可以从下面不同的燃速表达式中看出。 • u＝u1pn (5.8) • 从理论上讲，燃速系数u1的物理意义是当压力为1 MPa时的燃 速。 • 实际上，u1是通过实验数据的处理得到的。
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• • • •
2密度比冲 密度比冲定义为 Iρ＝ISP·ρ (5.4) 式中：Iρ－密度比冲（N· s/m3）；ISP－推进剂的比冲 （N· s/kg）；ρ－推进剂的密度（kg/m3） back
• 3特征速度 • 特征速度是描述推进剂做功能力的一个重要参数，定义为燃 烧室的压力和喷管喉部截面积的乘积与质量流量之比，表示 为 • c*＝PC· At/m (5.5) • 式中：c*—特征速度（m/s )；Pc—燃烧室内的压力（MPa）； At—喷管喉部截面积（m2）；m—质量流量（kg/s）。 • 由于燃气产物在喷管截面处的质量流量与燃气的密度、速度 和截面积有关，特征速度c*虽然其量纲具有速度的特征，但 所反应的是燃烧室条件下推进剂本身释放的能量和做功的能 力，与喷管结构无关，是衡量推进剂能量的一个方便有效的 参数。back
• 6燃速温度系数 • 燃速温度系数是指在一定的压力条件下，某一初温范围内， 推进剂温度变化1K时所引起的燃速的相对变化量，以σP表示。 ln u • （5.11） p ( )p • 式中：T－推进剂的初温，根据推进剂的燃速压力公式，得 T • （5.12） ln u1 n ln u1 p ( )p T T • 根据σ 的定义，p 为一恒定值，则
• 根据推进剂在火箭发动机内的燃烧为绝热过程的假定，推进 剂的初始焓全部转变为燃烧产物的焓，同时，按照燃气产物 在喷管流动过程中熵不变的假设，则燃气流动中动能的增加 来自于其焓的降低，Tc越高，n越大，ISP则越大，所以在推进 剂配方设计时，应选取尽可能提高燃温和降低燃气平均相对 分子质量（即n大）的成分。 • Isp＝［2(HC－He)］1/2 (5.3)
SQ-2
0.526
0.0023(+60～－40℃)
SM-2
0.500
0.00247(+60～－40℃)
AP/PS/Al
0.226
0.0023(+50～－50℃)
• 7 压力温度系数 • 压力温度系数是指一定的面喉比（KN）条件下，在某一初温 范围内，推进剂初温变化1K时，燃烧室压力的相对变化量， 以πk表示，单位为K－1。 ln p • k ( ) KN T • （5.14） • 推导可知，σp与πk的关系为 • p k • （5.15）
1 n
• 由σp及压力指数可求出πk值，常见推进剂的性能如表5.2所示。
表5.2 某些推进剂的性能
back
推进剂的性能调节
• 1能量性能调节 go • 2燃烧性能调节（燃速）go • 3力学性能调节
• （1）调节双基推进剂硝酸酯和硝化纤维素的用量 • 由纤维素经硝酸酯化获得的硝化纤维素的能量高低与生成硝 酸酯基的数目有关，一般用氮的质量分数ω（N)表示其酯化 度。 • 提高硝化纤维素中N的质量分数，能够增大推进剂的比冲， 双基推进剂使用的硝化纤维素中氮的质量分数一般在12.6％ 以下，过大不容易被溶剂塑化。