陈茂林-火箭发动机设计基础-发动机原理-第8讲解析

§ 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。
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。
2. 习题6.4（P261）
3. 习题6.5（P261）
§ 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
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
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：
§ 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
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：
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
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
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
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。
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。
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，
（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
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
§ 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
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
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
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
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复合推进剂燃烧过程
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）
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
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
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
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