陈茂林-火箭发动机设计基础-发动机原理-第8讲

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1.喷管流动过程分析一、喷管流动过程中的化学平衡问题二、喷管流动过程中的燃气内能平衡问题三、喷管流动过程中的两相流问题平衡流动冻结流动能量平衡流动能量冻结流动热力平衡，动力平衡热力平衡，动力冻结热力冻结，动力平衡热力冻结，动力冻结内容回顾2.喷管热力学计算模型简化假设：（1）燃烧产物是完全气体（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.ConstS喷管热力计算的方程等熵方程：喷管计算截面方程：质量守恒方程和化学平衡方程（计算）jn02)T(、P0~)T(~01cSPS、内容回顾3.典型喷管流动计算一、膨胀到指定压强二、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：膨胀到环境压强Pe=Pa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内容回顾4.发动机理论性能参数计算①：喷气速度euemcmeIIu,0,~~2②:理论比冲sIaeeesPPmAuIeeAuem③：理论特征速度*cmAPctc0*tttttttTRPuAmtttttTRAPmuttttcuTmRPPc00*④：理论推力系数FC*cICsF真空中的理论推力系数)0(*,,aVsVFPcIC设计状态的理论推力系数)(*,aeeVFPPcuCeeTRPeegegemRR0geeeRR)1(5.发动机理论参数影响因素①：压强比影响②:喷管流动状态sFsFICICP)()(平衡冻结ssII内容回顾第一部分火箭发动机原理第六章固体火箭发动机中的燃烧§6.1概述§6.2双基推进剂燃烧过程§6.3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的特点燃烧过程的影响因素多燃烧反应的速度快、温度高、燃烧反应区窄燃烧过程复杂燃烧过程的研究方法理论研究试验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)/)/(smmscmdtder（或质量燃速：)/(2scmkgrrpm2.燃速的作用：SImFrAmmbpb燃速控制着发动机的推力§6.1概述三、燃速3.影响燃速的因素推进剂本身的性质推进剂的燃烧环境推进剂的燃速特性：推进剂的燃速随发动机工作条件变化而变化的规律。nPra§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。（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，平行层燃烧定律包括三点基本假设：燃面的变化规律：等面燃烧增面燃烧减面燃烧§6.2双基推进剂的燃烧过程一、双基推进剂的特点（1）基本组成：硝化棉：硝化甘油：nxxONOOHOHC])()([232763253）ONOHC(（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、火焰fTQ§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1.表面层反应区预热区表面分解区（1）厚度很小（2）温升小（3）无化学反应（4）有相变，即推进剂变软（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）表面凹凸不平放热量占9~12%§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2.嘶嘶区（1）固、液、气态物质共存（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3.暗区（1）暗区的厚度相对较大且受压强的影响很强烈（2）温度变化平缓、温升很小（3）部分还原为和等mdPC2COCO、NO2N§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4.发光火焰区（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。（1）大量还原为和等2COCO、NO2N放热量占40%§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、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。§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。§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。§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：①AP在固相表面层上的分解；②燃料-粘结剂的热解；③AP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三、AP复合推进剂的燃烧过程1、AP在固相表面层上的分解：4344HClONHClONH2、AP分解产物在气相中的爆燃：24OClOOHHClO3NH22NOHHCl3、燃料-粘结剂的热解：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§6.3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)/)/(smmscmdtder（或2）燃速的作用：燃速控制着发动机的推力3.影响燃速的因素推进剂本身的性质推进剂的燃烧环境nPra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。（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，平行层燃烧定律包括三点基本假设：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①AP在固相表面层上的分解；②燃料-粘结剂的热解；③AP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）2.习题6.4（P261）3.习题6.5（P261）