推进剂燃速的平台效应

从指数燃速定律的燃速表达式 （3-7） 可以看出， 燃速压强指数n的大小反映了燃速对压强的敏感度， n越大， 压强对燃速的影响就越大。 通常情况下， 发动机设计者希望推进剂的燃速压强指数越低越好， 从而使发动机某些参数的偶然变化所引起的压强波动不致对发动机推力等性能产生大的影响， 有利于提高火箭发动机性能参数的重现性和武器的射击精度。 为此， 人们一直在寻求燃速压强指数n的数值很小甚至接近于零的推进剂， 以尽量降低压强对燃速的影响。 当然， 这种要求并不是绝对的， 高的燃速压强指数对某些应用可能是有利的。 例如， 为了精确控制主动段终点的弹道参数， 必须能够精确地主动终止固体导弹的发动机推力， 对于采用燃烧室卸压方法的推力终止系统而言， n越大则压强下降得越快， 发动机熄火越容易。 此外， 为了通过改变喷管喉部面积来调节发动机的压强和推力， 也要求燃速压强指数不能太小。

1. 平台燃烧现象与平台推进剂

在固体火箭推进剂的研制实践中发现， 将少量铅化物加入双基推进剂中后， 可使其燃速特性发生很大变化，如图3-9所示。在低压下，燃速 和压强指数n均较大，形成“超速燃烧” （super-rate burning）； 在某一压强范围内， 燃速基本上不随压强变化， 即n值很小，甚至接近于零， 成为 “平台燃烧” （plateau-burning）； 在另一压强范围内， 燃速却随压强升高而降低， 即n＜0， 形成 “麦撒燃烧” （mesa-burning）。 这种具有超速-平台-麦撒燃烧特性的推进剂， 或者只明显表现出平台燃烧特性的推进剂， 称为 “平台推进剂”。

图3－9 双基平台推进剂的燃速特性曲线

例如， 某双基平台推进剂， 在压强p＝17.5～22.0MPa范围内， 不同初温下的燃速公式为

可见， 该推进剂的n值很小， 使燃速对压强的敏感度大幅度降低， 因而可以有效提高固体火箭发动机性能参数的重现性。

平台推进剂是一种很有应用前途的推进剂。 除双基平台推进剂以外， 复合平台推进剂和无烟改性双基平台推进剂的研究也取得了很大进展。 目前， 平台推进剂的应用尚受到能量、燃速和平台压强范围的限制。

2. 双基平台推进剂的实验研究

双基平台推进剂的实验研究主要集中在平台推进剂的燃烧特性， 如各种催化剂和添加剂对燃速的影响、 平台推进剂燃烧区结构和温度分布的实验测量等。 在实验的基础上先后提出了多种燃烧理论， 可以不同程度地解释各种平台燃烧现象。 但这些理论都有一定局限性， 基本上处于定性分析阶段， 其中比较完善的是 “铅-碳催化理论” 和 “化学计量理论”。 铅-碳催化理论由波林 （J.Powling） 提出， 能够解释超速、 平台和麦撒燃烧现象， 但其关键性假设， 即 “碳对燃烧表面附近气相中的NO还原反应起催化作用” 还缺乏有力的实验证明，理论的可靠性尚有待于进一步验证。 化学计量理论是萨默菲尔德等人于1977年提出的， 其主要假设能得到实验验证， 不足之处是只能解释超速燃烧和平台燃烧， 而不能解释麦撒燃烧现象。

关于平台燃烧现象， 从大量实验结果得到的初步结论如下。

（1） 虽然许多金属化合物都能提高燃速， 但只有铅化合物能产生超速、 平台和麦撒燃烧。 出现这些燃烧现象的压强范围和燃速取决于铅化合物的物理化学性质、 粒度、 含量及其分布情况。

（2） 双基平台推进剂的燃烧历程基本上与双基推进剂相同。 但在超速燃烧时， 混合相区变薄、 温度梯度增大， 而暗区和火焰区则基本不变。 这表明铅化合物只对混合相区的放热反应起催化作用， 通过强化对燃烧表面的传热使燃速加快， 而对暗区和火焰区的燃烧特性影响不大。

（3） 双基平台推进剂在超速和平台燃烧时， 燃烧表面上出现大量碳粒和铅粒， 而在麦撒燃烧时却没有碳粒， 说明铅化合物影响了凝聚相中硝酸酯的分解反应。

（4） 双基平台推进剂在低压下分解时，气相中的醛（R-CHO） 与NO2含量之比降低，反应速度增大。

（5） 加入不同添加剂对铅化合物的平台效应有不同的影响。 如铜化合物能加强铅化合物的平台效应， 而加入镍化合物则对平台效应基本无影响。