陈茂林-火箭发动机设计基础-发动机原理-第8讲解析

预热区 （1）厚度很小 （2）温升小 （3）无化学反应
表面分解区 （1）固相融化、蒸发等 （2）发生化学反应 （3）温升高、温度梯度大 （4）厚度很小，0.01mm 量级 （5）表面凹凸不平
（4）有相变， 即推进剂变软
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
（1）固、液、气态物质共存
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
二、AP复合推进剂的燃烧现象
AP复合推进剂整个燃烧区中的各种反应过程主要有： ① AP在固相表面层上的分解； ② 燃料-粘结剂的热解；
③ AP分解产物在气相中的爆燃；
④ 氧化剂气体同燃料气体的气相反应； ⑤ 铝粒的燃烧。
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
质量守恒方程和化学平衡方程（计算 n j ）
内容回顾
3. 典型喷管流动计算
一、膨胀到指定压强
平衡流动 冻结流动 突然冻结流动
典型情况：膨胀到环境压强 Pe=Pa 二、膨胀到指定马赫数
平衡流动 冻结流动 突然冻结流动
典型情况：膨胀到Ma=1,即喷管喉部参数计算
Pe e R eTe
4. 发动机理论性能参数计算 ①：喷气速度 u e
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
三、AP复合推进剂的燃烧过程 4、氧化剂气体同燃料气体的气相反应： 粘结剂热解气体和气相HClO4的反应 粘结剂热解气体和AP分解焰产物的反应
复合推进剂的燃烧较为复杂，燃速主要
受压强、温度和颗粒尺寸等诸多因素的
影响。
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
小结
4. 双基推进剂燃烧过程
1. 预热区 2. 表面层分解反应区 3. 嘶嘶区 4. 暗区 5. 发光火焰区
小结
5. AP复来自百度文库推进剂燃烧过程
① AP在固相表面层上的分解；
② 燃料-粘结剂的热解；
③ AP分解产物在气相中的爆燃； ④ 氧化剂气体同燃料气体的气相反应； ⑤ 铝粒的燃烧。
作业
1. 习题6.3（P261）
一、双基推进剂的特点
硝化甘油： C3 H 5 (ONO2） 3 （2）是一种均质推进剂
二、燃烧现象 固相分解、气化 产物间反应、 Q 火焰
Tf
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
放热量占9~12%
1. 表面层反应区
§ 6.1
概述
一、对固体推进剂燃烧过程的要求
1. 要求燃烧稳定 2. 要求有尽可能高的燃烧效率 3. 要求燃烧过程按照设计的要求，以预定的速度生成燃烧产物
§ 6.1
概述
二、对固体推进剂燃烧过程的研究 燃烧过程复杂
燃烧过程的特点
燃烧反应的速度快、温度高、燃烧反应区窄 燃烧过程的影响因素多
试验研究 燃烧过程的研究方法
5、多阶段燃烧模型的归纳总结： ① 双基推进剂的燃烧过程是一个极其 复杂的物理化学过程 。 ② 除表面层反应区中的固相预热区无 化学反应外，其余各区的划分是以 氮的还原反应为线索的 。
③ 气相区向固相的传热和表面分解区的放热效应，是使固相分解、 气化、保证燃烧稳定持续进行的基本因素 。
④ 燃烧室的压强对燃烧过程有很大的影响 。 一般双基推进剂的临界压强约为3~6MPa。
理论研究
从燃烧过程的实际情况 建立燃烧模型 建立燃烧理论
§ 6.1
概述
三、燃速 燃烧过程中，燃烧表面 沿其法线方向向推进剂 里面连续推进的速度
1.定义：
r
de dt
(cm / s) 或 （mm / s)
质量燃速：
2. 燃速的作用：
rm r p
(kg / cm 2 s)
IS F m
m b p Ab r m
r
de dt
(cm / s) 或 （mm / s)
2） 燃速的作用：
燃速控制着发动机的推力 推进剂本身的性质
3. 影响燃速的因素
推进剂的燃烧环境
r aP
n
小结
3. 装药燃烧表面的变化
平行层燃烧定律： 在燃烧过程中，装药的燃烧表面始终与起始燃烧表面平行。 平行层燃烧定律包括三点基本假设：
（1）整个装药的燃烧表面同时点燃； （2）装药成份均匀，燃烧表面上各点所处的物理条件（压强、初温等）都一样 （3）燃烧表面上各点都以相同的燃速向装药里面推进，
燃速控制着发动机的推力
§ 6.1
概述
三、燃速 推进剂本身的性质
3. 影响燃速的因素
推进剂的燃烧环境
r aP
n
推进剂的燃速特性： 推进剂的燃速随发动机工作条件变化而变化的规律。
§ 6.1
概述
四、装药燃烧表面的变化
平行层燃烧定律： 在燃烧过程中，装药的燃烧表面始终与起始燃烧表面平行。 平行层燃烧定律包括三点基本假设：
（1）整个装药的燃烧表面同时点燃； （2）装药成份均匀，燃烧表面上各点所处的物理条件（压强、初温等）都一样 （3）燃烧表面上各点都以相同的燃速向装药里面推进，
等面燃烧 燃面的变化规律： 增面燃烧
减面燃烧
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
（1）基本组成： 硝化棉：
[C6 H 7 O2 (OH ) 3 x (ONO2 ) x ]n
等
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
还原为 N 2 和 CO、CO2 等
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
（1）大量 NO
4. 发光火焰区 放热量占40%
（2）主要的放热区，温度上升很快， 达2400~3000K。 （3） 该区的厚度随燃烧室压强的升高而减薄。
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
5. 发动机理论参数影响因素 ①：压强比影响
P CF I s
CF I s
②:喷管流动状态
I s (冻结) I s (平衡)
第一部分
火箭发动机原理
第六章
§ 6.1 § 6.2 § 6.3 概述
固体火箭发动机中的燃烧
双基推进剂燃烧过程 过氯酸铵（AP）复合推进剂燃烧过程
三、AP复合推进剂的燃烧过程 1、AP在固相表面层上的分解：
NH4ClO4 NH3 HClO4
2、AP分解产物在气相中的爆燃：
HClO4 OH ClO O2
NH3
3、燃料-粘结剂的热解：
HCl H 2O N 2
不能单独爆燃，受热温度升高后热解，热解气体在气相中和氧化剂 气体进行燃烧反应，释放热量
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
四、燃烧室压强对双基推进剂燃烧的影响
① 稳定燃烧。 ② 促成NO的还原反应。 ③ 加快气相反应速度。 ④ 增加燃速。
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
一、复合推进剂的特点
（1）基本组成：氧化剂、粘结剂、金属燃料 （2）是一种异质推进剂。因此复合推进剂燃烧前，氧化剂和 金属燃料需要一个掺混过程，与双基推进剂的预混燃烧相比， 复合推进剂的燃烧属于扩散混合燃烧。
Re (1 e ) R ge
R ge
R0 m ge
②:理论比冲 I s
~ ~ ue 2 I m , 0 c I m , e


Ae Pe Pa I s ue m
④：理论推力系数
CF
eue Ae m
I s ,V
*
③：理论特征速度 c*
c*
P0 c At m
2. 习题6.4（P261）
3. 习题6.5（P261）
2. 嘶嘶区
（2）化学反应剧烈 （3）厚度较小 （4）温升很快、温度梯度也较大
放热量占50%
§ 6.2
双基推进剂的燃烧过程
三、双基推进剂的多阶段燃烧模型
（1）暗区的厚度相对较大且受 压强的影响很强烈
d
3. 暗区
（2）温度变化平缓 、温升很小 （3）NO 部分还原为 N 2 和 CO、CO2
C Pm
三、AP复合推进剂的燃烧过程 5、铝粒的燃烧：
Al对推进剂燃速影响不大。
小结
1. 对燃烧过程的要求
1. 要求燃烧稳定 2. 要求有尽可能高的燃烧效率 3. 要求燃烧过程按照设计的要求，以预定的速度生成燃烧产物
小结
2. 燃速 1）定义：
燃烧过程中，燃烧表面 沿其法线方向向推进剂 里面连续推进的速度
CF
Is c*
真空中的理论推力系数 CF ,V 设计状态的理论推力系数 C F ,V
c ue * c
( Pa 0)
( Pe Pa )
t At ut m Pt t RtTt
u PA t t t m RtTt
c*
P0c R0 Tt P t mt ut
内容回顾
火箭发动机设计基础
西北工业大学 航天学院 二0一四年四月
内容回顾
1. 喷管流动过程分析
一、喷管流动过程中的化学平衡问题
平衡流动 冻结流动 能量平衡流动
二、喷管流动过程中的燃气内能平衡问题
能量冻结流动
三、喷管流动过程中的两相流问题
热力平衡，动力平衡 热力冻结，动力平衡 热力平衡，动力冻结 热力冻结，动力冻结
§ 6.3
过氯酸铵(AP)复合推进剂的燃烧过程
二、AP复合推进剂的燃烧现象 1. 从宏观上看： 包含着若干燃烧阶段：固相分解气化，分解产物离开燃烧表面在气相中 继续进行反应放热，形成火焰。 燃烧过程中燃面的退移符合平行层燃烧定律。 2. 从微观上看： ①氧化剂和粘结剂的热分解各自独立进行，热分解之后再扩散混合。 ② 燃烧区的火焰结构是不均匀的，火焰结构具有复杂的三维特性。
内容回顾
2. 喷管热力学计算模型
（1）燃烧产物是完全气体 简化假设： （2）流动过程是一个不存在任何不可逆 现象的理想流动过程 热力计算的理论模型：
等熵流动模型 S Const.
等熵方程： 喷管热力计算的方程
~ ~ 1 S (P、T) S0c 0
2 ( P、T) 0
喷管计算截面方程：