双基推进剂的多阶段燃烧模型

双基推进剂是较早使用的固体火箭推进剂， 经过长期使用和研究， 对这种推进剂的稳态燃烧过程有比较成熟的认识。

1. 燃烧过程

实验研究表明， 双基推进剂的稳态燃烧是分阶段的，可以用多阶段燃烧模型来描述。 燃烧过程划分为五个阶段或称五个区， 如图3-5所示。 从固体推进剂药柱内部至燃烧表面， 这五个区依次为

图3－5 双基推进剂的多阶段燃烧模型

其中， Ⅰ区和Ⅱ区统称为固相表面区， 这时燃烧过程就由四个阶段或四个区组成。

根据多阶段燃烧模型， 双基推进剂稳态燃烧时， 覆盖在推进剂燃烧表面的高温燃烧产物以对流和辐射等形式将热量传向推进剂（反馈热流），使燃烧表面附近固相的温度由初温Ti迅速升高，并在一定厚度范围内形成固相加热区 （Ⅰ）； 在固相加热区的外界面上， 温度达到某些组元的熔点、 沸点和热分解温度， 在固相中发生组元的熔化、 蒸发、 升华和最活泼组元的初始热分解， 于是形成一个凝聚相反应区 （Ⅱ）； 在Ⅱ区中生成的气态物质夹杂着一些固体和液体微粒逸出该区， 在燃烧表面附近形成固、 液、 气三态共存的混合相区 （Ⅲ）； 混合相区中的固、 液态微粒继续气化成气态的可燃混合物， 并相互发生各种燃烧反应， 直到完全气化， 形成一个新区。 由于该区的燃烧反应条件尚不充分， 反应速度较慢， 释放的热量还不足以使气体温度达到发光的程度， 故称为暗区 （Ⅳ）； 随着反应条件的逐步具备， 燃烧反应速度迅速加快， 生成最终燃烧产物， 将推进剂具有的化学能充分释放出来， 转换为燃烧产物的热能， 并使其温度达到发光程度， 于是形成明亮的火焰区 （Ⅴ）， 燃烧过程就到此结束。

2. 各阶段的特点

（1） 固相加热区 （预热区）。

固相加热区内的推进剂组元和物理结构均无变化。 由于受到反馈热流的加热， 推进剂温度升高，发生变软、熔化等物理变化。固相加热区与Ⅱ区分界面上的温度Ta是推进剂中最活泼组元的分解温度，一般双基推进剂的Ta≈90℃。该区在稳态燃烧过程中的作用是积聚热量， 为推进剂的热分解做准备， 以保证燃烧能持续进行下去， 故该区又称 “预热区”， 其厚度一般小于0.1mm， 并随压强升高而减薄。

实验与理论分析均表明， 在稳态条件下， 推进剂固相表面区的温度分布与推进剂燃速有以下函数关系：

式中，y为推进剂内距燃烧表面的距离；T为固相表面区内y处的温度；Ti为推进剂初温；Ts为推进剂装药表面温度； 为推进剂的燃烧速度；ap是推进剂的热扩散系数，由推进剂导热系数κ、密度ρp和比热容c定义，可知

推进剂燃速越大， 固相加热区厚度越薄， 因而温度梯度越大。

（2） 凝聚相反应区 （表面反应区）。

在该区中发生各组元的熔化、 蒸发和升华等物理变化， 以及硝化棉、 硝酸酯等大分子的解聚、 热分解为主的化学反应。 在稳态燃烧情况下， 凝聚相反应区中化学反应的放热量大于热分解所需的吸热量， 故总的热效应是放热的。 凝聚相反应区的外界面 （推进剂表面） 温度Ts≈300℃。Ts与推进剂组成及各组元的物化特性有关，也与燃烧条件（如燃烧室压强、装药初温等） 有关，通常Ts随压强增大而升高。界面温度Ts的高低将直接影响固相的分解速度， 从而影响推进剂的燃速。 与固相加热区相同， 压强升高时凝聚相反应区的厚度也减薄。

（3） 混合相区 （嘶嘶区）。

这是一个固、液、气态物质共存的区域，主要化学反应是由NO2生成NO的反应。其中， 固体微粒主要是推进剂的组元 （如二硝基甲苯等）， 液态物质主要是燃烧的中间产物（如醛类），气态物质主要是NO2、CO、NO等。由于混合相区紧贴燃烧表面，反应十分剧烈， 往往发出嘶嘶声， 故又称为 “嘶嘶区”。 混合相区的厚度一般为0.02～0.002mm， 并随压强升高而减薄。 该区释放的热量约占全部推进剂可释放热量的50％， 结束处的燃烧产物温度Tc可高达1200℃～1400℃，形成了初始火焰，故有时又称之为“初始火焰区”。由于放热反应速度很快， 而该区厚度又很薄， 因此形成了很大的温度梯度， 可对固相区产生很大的反馈热流。

（4） 暗区。

当推进剂燃烧产物完全气化后，其气相化学反应主要是由NO还原为N2的反应，这种反应只有在温度1500℃以上、 压强9.8MPa以上才能迅速进行。 由于该区的温度较低， 故反应缓慢，放出热量很少，气体达不到发光的程度。暗区的重要特征是温度从Tc到Tg变化不大， 亦即温度梯度较小。 燃气压强对上述反应有明显影响， 随着压强升高， 化学反应急剧加快， 放热量增加， 温度梯度增大， 厚度随之急剧减薄。

（5） 火焰区。

火焰区即为燃气的发光区或二次火焰区。 火焰区的出现与温度升高程度有关， 一般情况下当双基推进剂燃烧产物中的气体成分加热到1800℃以上时即开始发光。 火焰区内的化学反应与暗区基本相同， 是暗区化学反应的继续， 故有时将这两个区统称为 “气相反应区”。火焰区内的主要放热反应为

2NO＋2CO→2CO2＋N2＋q

2NO＋2H2→2H2O＋N2＋q

火焰区释放的热量约占推进剂全部可释放热量的50％。 该区反应完成后， 全部燃烧过程即告结束， 生成最终燃烧产物， 温度也升至最高值， 即推进剂的燃烧温度， 绝热时又称为绝热燃烧温度。对流动的燃烧产物而言，绝热燃烧温度即为其滞止温度或总温T0。本书除特别说明外，均用T0表示燃烧温度。一般双基推进剂的T0≈2400～3000K，火焰区的厚度随压强升高也是减薄的。

3. 多阶段稳态燃烧模型的主要结论

（1） 双基推进剂的稳态燃烧是极其复杂的物理化学过程。

根据所呈现的物态和物理化学变化过程的特点， 可将整个燃烧过程分为五个燃烧阶段或五个燃烧区。 每个区虽有各自主要的物理变化和化学反应过程， 但不能将各区机械地截然分开， 全部燃烧过程是一个连续变化过程， 各区之间互相渗透、 互相影响。

（2） 除固相加热区外， 其他各区均有化学反应。

各区的化学反应虽然是互相渗透地进行着， 但如果以氮的还原反应为线索， 则可认为：Ⅰ区无化学反应；Ⅱ区主要是生成NO2的反应；Ⅲ区主要是NO2还原为NO的反应；Ⅳ区是部分NO还原为N2的反应，但反应较缓慢；Ⅴ区为大量NO还原为N2的反应，同时C、H等元素被氧化为CO、CO2和H2O等最终燃烧产物，温度达到最高值，即推进剂的燃烧温度T0。

（3） 反馈热流是保证燃烧稳定持续进行的基本因素。

气相反应区向固相传热使固相气化、 分解， 在固相和凝聚相内以热传导为主， 在气相中则以对流传热为主， 同时也有高温火焰区向其他各区的辐射传热。

（4） 燃气压强对燃烧过程有很大影响。

在较高压强下， 气相燃烧反应起主导作用， 推进剂可以充分释放其化学能， 实现完全燃烧。 压强增大时， 气相反应加快， 放热量增大， 同时各气相反应区厚度均减薄， 使火焰区对固相的反馈热量增加， 加快了凝聚相反应， 燃速增大； 反之， 则燃速降低； 当压强降低到一定程度时， 甚至会不出现火焰区， 燃烧在暗区结束， 使推进剂的化学能得不到充分释放， 导致不完全燃烧。 这种燃烧只能依靠混合相区和凝聚相区的放热反应来维持； 若压强进一步降低， 混合相区和凝聚相区释放的热量不足以维持燃烧进行， 燃烧就将熄灭。

为保证推进剂稳定燃烧所需的最低压强称为“临界压强”，用pcr表示。实验表明，推进剂的临界压强不仅取决于推进剂的基本组成， 而且还与所用燃烧催化剂的种类和数量有着密切关系。 表3-1给出了双基推进剂常用燃烧催化剂所对应的临界压强。

表3－1 常用催化剂所对应的临界压强