[科普中国]-固体推进剂燃烧

固体推进剂

固体推进剂是一种经过特殊加工的、本身含有氧化剂和燃烧剂、能够规律燃烧产生大量炽热气体的固态含能材料。它能在没有环境氧的参与下自行维持燃烧反应。

固体推进剂可以分为均质推进剂和异质推进剂两大类。

均质推进剂的主要特点址推进剂各组分在分子形态上相互结合， 无相界面，结构均匀。其主要组分是硝化棉( C24H28O44N12)和硝化甘油(C3H5O9N5)等，因而又常称为双基推进剂或双基药。这两种组分中都含有燃烧元素C和H及氧化元素O。硝化棉能溶于富氧的硝化甘油中形成结构均匀的物质，因此在燃烧时呈现许多预混燃烧的特点。2

异质推进剂主要由无机氧化剂和可燃物（如高分子粘合剂和金属燃烧剂）等组成的复相混合物。以聚硫橡胶、聚氨酯、聚丁二烯等高聚物粘合剂为特征的称为复合推剂；以双基推进剂基体做粘合剂为特征的称为改性双基推进剂。异质推进剂中无机氧化剂通常呈颗粒状（直径从几微米列几百微米）存在于粘合剂基体中，它燃烧时带有更多的扩散燃烧的特点。

与各种气态、液态燃料的燃烧相比，固体推进剂的燃烧过程是比较复杂的。它包含—系列在气、液、固各相中发生的化学反应和传热、相变和扩散等物理过程，并且出现了许多在通常状态下不能独立存在的中间产物。不同推进剂的工作压力有明显差异，火箭用复合推进剂工作压力最低，通常在10到100大气压，双基推进剂则常在70到200大气压之间，而火炮的膛压常高达500到5000大气压。因南此，又给固体推进剂的燃烧研究带来了一定的困难，这方面的研究工作在一定程度上还依赖于试验仪器设备的进展程发。2

固体推进剂和炸药的化学组成基本上是相同的，可认为是同类物质。然而，它们在应用上却有明显的区别。固体推进剂是通过燃烧产生炽热的气体做推进功，燃烧过程是亚声速的。炸药则是通过爆炸所产生的高压炽热气体的冲量做破坏功，这个过程通常都是超声速的。

燃烧特性固体推进剂是由多种组元组成的物质，本身结构相当复杂。固体推进剂的燃烧过程包括一系列复杂的物理化学过程。这是一个涉及到在固态、液态、气态的非均相混合物中出现的非常复杂的物理化学过程。在这一过程中，不仅有固态的熔化、升华、汽化，液态的蒸发以及气态与液态的混合等物理变化过程，由于燃烧过程是在高温高压条件下进行的，因此它有剧烈的解聚、热分解、氧化、还原反应，以及固气的表面反应、液相反应、离解与复合反应等，同时还伴随着激烈的热量和质量的交换过程。推进剂的燃烧过程对于固体火箭发动机来讲，是将推进剂通过物理变化和化学反应把推进剂的化学能转变为燃烧产物的热能。3

固体推进剂的燃烧过程不仅取决于推进剂各组元的物理化学性能，而且还取决于发动机燃烧室的条件(如燃烧室压强、燃气流动速度等)，因此双基推进剂和复合推进剂的燃烧机理是不同的。燃烧机理是指在燃烧室中进行化学反应的特点，以及热量和质量的传递的过程。3

由于燃烧过程中，反应速度很快，因而不容易在试验中直接观察到过程进行的详细情况，多年来，人们通过实际观察和测试分析对推进剂的燃烧机理有了基本认识，提出了一些燃烧的基本规律。

“几何燃烧定律”是固体推进剂燃烧的重要规律，是对推进剂燃烧表面推进的规律的描述。

早在19世纪，先后由皮奥波特和维也里根据火炮发射中抛出残余药片的形状同原来药片初始形状相似的情况，提出了“几何燃烧定律”。它包括三项基本假设：

①整个装药的燃烧表面同时点燃；

②装药成分均匀，燃烧表面各点的条件相同；

③燃烧表面上的各点都以相同的燃速向装药里面推进。

根据这些假设条件，推进剂在燃烧时，装药的表面始终与初始燃烧表面平行，也就是说，某一瞬时的燃烧表面是沿装药初始几何形状平行的向内部退移的规律而形成的，这就是所谓“平行层燃烧规律”。根据“几何燃烧定律”，把整个装药的复杂燃烧过程概括为两点：①装药的燃烧表面上各点的燃速相等；②燃烧面的推移方向是向装药内部且处处都是沿着燃烧表面法线方向。由这两点，不管推进剂药柱几何形状多么复杂，我们都可以分析出任一瞬时装药的燃烧表面形状及尺寸。3

由上面介绍的“几何燃烧定律”，我们可以定义出固体推进剂的燃速。燃速是固体推进剂的一个重要特性。在推进剂燃烧过程中，推进剂燃烧表面沿其法线方向向推进剂内部连续推进的速度称之为燃速，以r表示。其定义式为：

式中 e——沿燃面法向向里推移的直线距离，称为燃层厚度，cm；

t——燃烧时间，s。

推进剂燃速大小，主要受推进剂本身的组成性质的影响，另外也与推进剂燃烧条件有关。3

稳态燃烧过程固体推进剂的燃烧是在高温高压条件下进行，而且反应速度很快，大部分过程是在比较窄 的燃烧反应区内进行的(燃烧反应区的厚度有的只有十分之几亳米，甚至更小)。由于推进剂 的微观组织结构不同，固体推进剂的稳态燃烧在燃烧机理上是不同的。所谓“稳态”燃烧是相 对“不稳态”而言。“稳态”燃烧是指其过程持续且稳定，不随时间而变化。3

双基推进剂双基推进剂本身所含的氧化剂和燃烧剂是预先混合好的。它的一维燃烧过程通常以燃烧 区的构成为基础进行描述。双基推进剂稳态燃烧模型，目前仍然延续引用的是四区燃烧模型, 如概述图所示。目前比较公认的燃烧区是由亚表面及表面反应区、嘶嘶反应区、暗区和发光 火焰区组成。3

(1) 亚表面及表面反应区

简单地说，亚表面及表面反应区是最靠近 推进剂燃烧表面的区域.首先由外界气体通过 传热方式向推进剂里层传热，从而使推进剂初 温升高.推进剂这一层变软，靠近表面处形成 亚表面和表面反应区。该区的物理反应有熔 化、分馏、蒸发及热分解。该区里层的化学反 应是吸热反应，而靠表层区则有放热反应。如 果反应放热大于吸热，则表面温度上升至燃烧 表面温度。此时大部分分解产物还来不及发 生化学反成就进入了嘶嘶反应区。3

(2) 嘶嘶反应区

固体推进剂的分解产物进入气相区后首 先形成嘶嘶反应区。这一区并不完全是气体，还夹杂着液体以及固相微粒，是一个以气体为主的带有凝相微粒的弥散分布区。该区总的热效应是放热的，放出的热量又加速固相微粒的汽化。随着温度和压力的提高，使凝相汽化过程强度增大。

(3)暗区

嘶嘶反应区反应结束后生成大量的NO，而NO的还原反应只能在高温、高压下才有一定的反应速度，随着逐步远离燃烧表面，分解产物逐步聚集，温度不断提高，不过反应速度较慢。暗区的温度只能达到1670—1970K，尚达不到发光的程度，这就构成了暗区。3

(4)发光火焰区

经过暗区的热量积累，分解产物与未完全燃烧的产物之间开始进行气相反应，使NO的进一步还原反应加速，形成了发光火焰区。这一区的反应进行程度，取决于该区压强提高到一定程度后，燃烧才能充分和完全。这个一定程度的压强值称为最低正常燃烧压强，也称为临界压力。

复合推进剂复合推进剂燃烧的主要特征阶段是固相的分解与汽化，以及气相火焰反应。它的氧化剂气体和燃烧剂气体并不是预混好的，而是在燃烧过程中边混合边反应，形成扩散燃烧。因此，只有在离开燃烧表面一定距离后，由于质量扩散，混合才趋于均匀。而混合是在反应区进行，然后再燃烧，此燃烧火焰称为扩散火焰。显然与双基推进剂的燃烧过程有很大区别，其根本原因就是由于复合推进剂是异质结构。由于组成结构的不同，双基推进剂是以预混火焰为前提的燃烧过程；复合推进剂是以扩散火焰为前提的燃烧过程。3

图5-12所示为含铝粉复合推进剂稳态燃烧的三维燃烧模型。这说明在复合推进剂的燃烧区中，各种物理、化学过程不仅沿燃烧表面的垂直方向变化，而且在同一平面上有多种燃烧过程是分散进行。其燃烧表面是一个不规则的、高低不平的不稳定界面。复合推进剂整个燃烧区的各种反应过程大致有：①过氯酸铵(AP)在固相表面上的热分解；②燃烧剂的热分解；③燃烧剂气体和氧化剂气体在气相中的反应。3

此外，燃烧过程也受到压强的影响，压强低时气相反应速度慢，压强高时气相反应速度加快，而且不论压强的高与低，过氯酸铵颗粒尺寸对燃烧也有影响。总之，复合推进剂的燃烧相当复杂，涉及到各组元在固相受热后的软化、蒸发和分解汽化，以及各组元在气相中相互扩散和反应，通过相互间的传热、传质，在燃烧区形成多种火焰。3

燃速特性燃烧速度（简称燃速）是固体火箭推进剂的重要特性参数.对固体火箭发动机的工作性 能有着密切的关系，其影响燃烧室压强和推力大小，还影响工作时间等。4

间的速度向装药内部移动，即以 平行层逐层燃烧，称为几何燃烧定律。这种燃烧规律是由法国学者皮奥伯特（G. Piobert) 1839年提出的。

该定律由实验现象总结而出，在宏观上，基本反映了实除燃烧情况，虽然实际燃烧不可 能严格满足上述理想条件。该定律的重要意义在于：燃面的变化规律可由纯几何关系导 出，为发动机的装药设计和性能预估带来极大的方便.4

固体推进剂的燃速定义为在单位时间内烧去固体推进剂的几何厚度或质量。

固体推进剂的燃速与推进剂自身组成有关，组元不同，其燃速特性有较大差异；固体推进剂燃速还与燃烧条件有关，如与燃烧室压强、推进剂初温、气流速度和旋转加速度等有关。

1．推进剂性能对燃速的影响

推进剂的性能主要取决于推进剂的组元、组元含量、氧化剂颗粒度、推进剂密度以及催化剂种类等。

对于双基推进剂，硝化甘油含量多少可以调节燃速，即硝化甘油含量高时，燃烧热增加，使燃速相应加快；在组分中加入催化剂可以显著提高燃速，尤其是低压强工作时，可以明显提高燃速。一般情况下，加入催化剂对推进剂燃烧热影响很小。3

对于复合推进剂，氧化剂颗粒度大小影响燃速。氧化剂颗粒粗时，燃速低；氧化剂颗粒小时，可以使燃速增加，但是使推进剂粘度加大。

推进剂的密度也影响燃速，一般情况下，密度大则燃速降低。此外，推进剂工艺过程也影响燃速，即使是同一种推进剂而不同批次生产的，也会有差异。

2．压强对燃速的影响

发动机燃烧室的工作压强对推进剂燃速影响较大，而且燃速与压强的关系直接影响发动机的内弹道性能。大多数推进剂的燃速随着压强的增加而增加；但也有的推进剂在某一压强范围(压强段)内，燃速不随压强变化而变化，或变化很小。由指数关系的燃速公式可知，在一定的压强范围内，可以近似将燃速看作压强的函数。由于双基推进剂与复合推进剂的燃烧过程有区别，所以在燃速与压强的关系方面也不尽相同。3

3．初温对燃速的影响

推进剂的初始温度是指它燃烧前的推进剂温度。推进剂的燃速受初温的影响比较明显，这是它的一个固有缺点。固体推进剂本身是一个导热性很低的物质，推进剂药柱燃烧是在一个很薄加热层中进行。

如果推进剂药柱无恒温措施，那么药柱初温受环境温度条件影响，初温升高则燃速增加，初温降低则燃速减小，同时也影响工作压强和推力，发动机工作时间也受影响。虽然发动机的总冲并没有多大变化，可是发动机的比冲却随初温变化而有1%～2%的变化。3

从推进剂燃烧机理上看，初温升高，相当于推进剂固相中具有的热能增加，在相同的热传导条件下，加速了固相的分解速度，燃速随之增加。初温对燃速的影响可通过燃烧模型进行预测和分析，并由试验研究获得工程上的应用。因此，对于大型固体火箭发动机，如果环境温度超过了保证发动机性能的允许条件时，必须进行恒温处理，保证按规定的推进剂初温进行地面试验或飞行试验。3

4．燃气速度对燃速的影响

固体推进剂的稳态燃烧没有考虑推进剂药柱燃烧表面受燃气流速的影响。实际上发动机装药的燃烧表面存在着平行于燃烧表面的气流速度，由于高温、高压燃气流动使装药下游的对流传热加强，从而使此区段的推进剂燃烧速度增加，这种现象称为侵蚀燃烧。3

侵蚀燃烧是由平行于燃面的燃气流作用使燃速增加的一种现象。由于侵蚀燃烧，使得发动机内弹道性能发生变化，出现初始压力峰。但随着燃烧时间加长，压力一时间曲线的峰值会消失。这是由于经过时间t之后，装药燃烧表面退缩，使燃气流经通道截面加大，流速减弱，侵蚀效应相应减弱。有侵蚀燃烧现象的p-t曲线如图5-13。

由于侵蚀燃烧现象，使发动机的p-t曲线产生拖尾现象，从而影响发动机性能；由于侵蚀燃烧出现的初始压力峰，使发动机燃烧室结构强度设计变得不够合理，即由于考虑初始压力峰的影响，使燃烧室壳体加厚。3

5．加速度场对燃速的影响

飞行器在发动机推力作用下加速飞行，或利用旋转来稳定飞行，使固体火箭发动机推进剂药柱的燃烧过程处于加速度场的环境中。无论是旋转加速度还是纵向加速度，研究表明与加速度矢量成60°～90°夹角的燃烧表面，最容易使燃速增加，从而对发动机性能带来影响。3

几何燃烧定律固体推进剂成形后就成为推进剂装药或药柱（药粒）。大量实验结果证实.如果药 柱的成分和结构均匀，燃烧表面各点的物理条件相同.则在点火（认为各处同时点燃） 后，燃烧表面是按平行层沿其法线方向以一定速度向药柱内部退缩。利用这一特征，吋 以根据纯几何关系导出燃烧过程中药柱燃烧表面的变化规律。这是估算枪炮及固体火箭 发动机性能的基础。因此上述定律称为几何何燃烧定律。2