固體火箭推進(jìn)劑的點(diǎn)火理論
由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過程的復(fù)雜性, 建立完整的點(diǎn)火理論模型必須清楚點(diǎn)火期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、 傳熱傳質(zhì)、 火焰沿裝藥表面的傳播、 燃燒室增壓過程的氣體動(dòng)力學(xué)、 非穩(wěn)態(tài)燃燒、 侵蝕燃燒等, 同時(shí), 將點(diǎn)火理論應(yīng)用于點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)還必須清楚各種點(diǎn)火藥的燃燒性能以及點(diǎn)火藥量、 點(diǎn)火裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)中所處位置、 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管有無密封堵蓋、 發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)等因素對(duì)點(diǎn)火過程的影響, 涉及的內(nèi)容非常廣泛, 在實(shí)驗(yàn)上做到精確測(cè)量非常困難。
關(guān)于固體推進(jìn)劑的點(diǎn)火過程已經(jīng)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作, 提出了多種點(diǎn)火理論。 雖然這些理論并不完善, 但在特定條件下仍具有一定的應(yīng)用價(jià)值。 由于對(duì)點(diǎn)火過程中起關(guān)鍵作用的控制因素有著不同的理解, 確認(rèn)點(diǎn)火的判別準(zhǔn)則也不一樣, 因而點(diǎn)火理論也不同, 可以歸納為固相點(diǎn)火理論、 氣相點(diǎn)火理論和異相點(diǎn)火理論三大類。
1. 固相點(diǎn)火理論
??怂?(Hicks) 于20世紀(jì)50年代初提出固相點(diǎn)火理論的第一個(gè)數(shù)學(xué)模型, 之后科伐爾斯基 (Kovalskil)、 米克希爾 (Mikheer)、 貝爾 (Baer)、 瑞安 (Ryan) 等人相繼提出各自的數(shù)學(xué)模型, 對(duì)固相點(diǎn)火理論做了進(jìn)一步發(fā)展。 該理論認(rèn)為, 固體推進(jìn)劑點(diǎn)火是外加激勵(lì)能量和由此產(chǎn)生的凝相放熱化學(xué)反應(yīng)二者共同作用的結(jié)果, 即固相加熱使表面溫度升高到點(diǎn)火溫度而導(dǎo)致點(diǎn)火。 點(diǎn)火氣體以對(duì)流傳熱形式將熱量傳遞給固相推進(jìn)劑, 當(dāng)裝藥表面溫度達(dá)到某一臨界點(diǎn)火溫度時(shí), 推進(jìn)劑固相發(fā)生分解, 分解產(chǎn)物在表面薄層內(nèi)發(fā)生固相放熱反應(yīng), 進(jìn)一步提高表面層溫度, 并為加熱下一層推進(jìn)劑提供熱量。 固相點(diǎn)火理論不考慮濃度和溫度引起的質(zhì)量擴(kuò)散以及周圍氣相的溫度和壓強(qiáng)等條件對(duì)點(diǎn)火過程的影響, 并認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)和形成火焰的時(shí)間極短,因此點(diǎn)火延遲時(shí)間tid主要取決于惰性加熱時(shí)間。固相點(diǎn)火理論采用的點(diǎn)火準(zhǔn)則是推進(jìn)劑表面溫度Ts超過某一臨界值Tscr,即使固相發(fā)生快速放熱化學(xué)反應(yīng)的溫度。
固相點(diǎn)火理論是在雙基推進(jìn)劑基礎(chǔ)上建立起來的, 得到的點(diǎn)火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。 對(duì)于熔化溫度較相近的燃料黏合劑和氧化劑組成的復(fù)合推進(jìn)劑, 點(diǎn)火延遲時(shí)間也是以惰性加熱時(shí)間占主導(dǎo)地位, 也可用固相點(diǎn)火理論預(yù)估點(diǎn)火延遲時(shí)間。
固相點(diǎn)火理論的主要缺陷是:
(1) 由于忽略了質(zhì)量擴(kuò)散和氣相成分在點(diǎn)火過程中的作用, 因而不能預(yù)估環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)點(diǎn)火過程的影響。
(2) 固相熔化、 發(fā)泡和某些化學(xué)反應(yīng)等因素, 導(dǎo)致推進(jìn)劑表面層的物理性質(zhì)在點(diǎn)火過程中和點(diǎn)火前的初始狀態(tài)有很大差別, 但該理論未考慮。
2. 氣相點(diǎn)火理論
隨著高能復(fù)合推進(jìn)劑和點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展, 人們發(fā)現(xiàn)環(huán)境氣體壓強(qiáng)和氧化劑濃度對(duì)點(diǎn)火過程有著重要影響, 這是固相點(diǎn)火理論所不能解釋的。 在激波管點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上, 薩默菲爾德等人建立了第一個(gè)氣相點(diǎn)火的一維理論模型, 之后又相繼出現(xiàn)氣相二維模型等其他模型。 氣相點(diǎn)火理論假設(shè)點(diǎn)火氣體是高溫氧化性氣體, 在其作用下推進(jìn)劑表面溫度升高, 發(fā)生固相熔化和吸熱分解, 燃燒劑被氧化, 但不直接發(fā)生放熱的固相化學(xué)反應(yīng)。 生成的燃燒劑氣體擴(kuò)散到推進(jìn)劑表面附近的熱氧化性氣體中, 并與之發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng), 反應(yīng)速度取決于燃燒劑氣體和熱氧化性氣體的濃度。 由此可見, 對(duì)點(diǎn)火過程起支配作用的是氣相組分之間的化學(xué)反應(yīng), 故稱為氣相點(diǎn)火理論。 該理論的點(diǎn)火準(zhǔn)則有兩個(gè), 一是氣相區(qū)溫度達(dá)到點(diǎn)火氣體溫度的a倍, 二是氣相中出現(xiàn)溫度的極值。
氣相點(diǎn)火理論強(qiáng)調(diào)氣相反饋熱的影響, 認(rèn)為氣相反應(yīng)是控制點(diǎn)火過程的主要因素。 該理論的主要優(yōu)點(diǎn)是可以預(yù)估環(huán)境條件 (氧濃度、 壓強(qiáng)等因素) 對(duì)點(diǎn)火延遲的影響。 由于復(fù)合推進(jìn)劑中作為燃燒劑的黏合劑的熔化溫度大大低于氧化劑顆粒的熔化溫度, 燃燒劑蒸發(fā)的氣體與環(huán)境氧化劑有更多的反應(yīng)時(shí)間, 因此預(yù)估結(jié)果與復(fù)合推進(jìn)劑點(diǎn)火參數(shù)的影響趨勢(shì)一致性較好。 但是, 氣相點(diǎn)火理論建立在以熱氧化性氣體點(diǎn)燃純?nèi)剂?(不含氧化劑) 的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上, 所得結(jié)論在應(yīng)用上受到一定限制。
3. 異相點(diǎn)火理論
異相點(diǎn)火理論由安德森 (Anderson) 和布朗 (Brown) 等人提出, 最初是從研究自燃點(diǎn)火現(xiàn)象發(fā)展起來的。 該理論認(rèn)為固相燃燒劑和環(huán)境氧化劑在固-氣界面上的放熱化學(xué)反應(yīng)是點(diǎn)火過程的控制反應(yīng), 因?yàn)槌跏嫉姆艧岱磻?yīng)發(fā)生在固-氣相之間, 故稱之為異相點(diǎn)火理論。由于該理論建立在一些簡(jiǎn)單的假設(shè)基礎(chǔ)上, 致使點(diǎn)火延遲時(shí)間的定量預(yù)估與實(shí)測(cè)結(jié)果不能很好吻合, 而且固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般不采用自燃式點(diǎn)火, 因此其實(shí)用性不大。
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