提高燃速的物理方法

为了能较大幅度提高装药燃速， 以满足火箭发动机的某些性能要求， 可在推进剂中嵌入金属丝， 利用金属丝良好的导热性增加气相区对固相的传热， 从而提高装药燃速。 这是一种行之有效的调节燃速的物理方法。

对于端面燃烧的装药， 可在装药内部垂直于燃烧表面的方向上嵌入细长的金属丝。 装药燃烧时， 金属丝因熔点高而不易熔化， 使一定长度的金属丝裸露在固相以外的高温气相中。由于金属丝的导热系数比固体推进剂大数百倍， 因此依靠金属丝的高导热性可以增加从气相区吸收的热量， 并向固相传递， 使金属丝周围的固相推进剂得到比其他部分更多的热量， 形成一个金属丝加热区。 这部分由金属丝加热的推进剂提前达到点火温度， 使燃速大大增加。而远离金属丝的装药仍然是气相与固相的直接接触传热， 其燃速不受金属丝影响。 这种很大的燃速差将使燃烧表面在燃烧过程中逐渐从原来的平面演变成以金属丝为轴线的锥形表面，并且随着装药燃烧的进行， 锥孔逐渐扩大， 当锥孔的底边到达装药外表面时， 燃烧表面积达到最大值。 此后， 在理论情况下燃烧以恒定不变的锥孔形燃烧表面向装药内部推进， 如图3-38所示， 根据几何关系， 锥孔的半顶角θ可以写成

式中， 和 0为表示沿金属丝方向的燃速和基本燃速；Km为燃速增大系数， 即

图3－38 嵌金属丝的装药燃面变化

燃速增大程度与金属丝材料有关。 表3-4给出了一种AP复合推进剂 （AP：74.63％； 聚氯乙烯：12.44％； 癸二酸二乙酯：12.4％） 嵌入各种金属丝后的燃速增大系数Km，金属丝的直径为d＝0.127mm，实验压强p＝6.89MPa，基本燃速 0＝12.7mm／s。表中同时列出了金属丝的有关参数。

表3－4 金属丝材料对燃速增大的影响

由表可见，影响燃速增大系数的主要因素是金属丝的导热性能，即热扩散系数ap，如银的ap值最大，故燃速增大系数Km也最大；其次是金属的熔点Tm，熔点越高则金属丝在高温燃气中保留的长度越长， 吸收的热量越多， 因而有利于燃速的提高。 以镁和钨为例， 两者的导热系数κ值相差不多，但钨的熔点远高于镁，故其Km值也比镁大。为了同时提高金属丝的导热性和耐热性， 可采用双金属丝， 即采用一种导热性好的金属丝与另一种熔点高的金属丝结合在一起嵌入装药中， 这样可获得更大的燃速增大系数。

金属丝的几何形状和直径对燃速增大系数Km值也有很大影响。图3-39给出了燃速增大系数Km与金属丝直径d的关系。由图可见，对于给定的金属丝，存在一个使Km达最大值的直径。此外，燃速增大系数还与燃烧室的工作压强有关，Km值随压强增大而略有增大。

为了进一步提高燃速增大系数， 还可在金属丝外表面上涂一层用高能高燃速推进剂制成的化学涂层。

图3－39 燃速增大系数Km与金属丝直径d的关系（p＝3.92MPa）

对于其他形状的装药药柱， 为了提高推进剂燃速， 可在装药中加入大量长度为2～5mm的短金属纤维。 由于金属纤维的方向是随机的， 因而对燃速的影响在各个方向上大体相同。用这种方法提高燃速的效果不如定向的长金属丝好，一般其燃速增大系数Km≈2。

思 考 题

1. 概述双基推进剂多阶段燃烧模型的主要内容。

2. 根据双基推进剂的多阶段燃烧模型， 分析压强影响燃烧过程的机理。

3. 何谓临界压强？

4. 粒状扩散火焰模型认为AP复合推进剂的稳态燃烧过程分为三个阶段， 试概括其主要内容。

5. 根据多火焰燃烧模型， AP复合推进剂稳态燃烧时， 在单个氧化剂晶粒周围存在什么火焰？

6. 简述几何燃烧定律。

7. 固体推进剂装药的燃烧速度是如何定义的？ 其基础是什么？

8. 固体推进剂燃速定律是指什么因素对燃速的影响规律？ 试写出指数燃速定律的表达式， 并说明燃速压强指数n的物理意义、 数值范围和设计者希望其越低越好的原因。

9. 在使用固体推进剂的指数燃速定律时， 除了要注意压强的单位外， 为什么要特别注意其适用范围？

10. 什么是固体推进剂燃速的平台效应？ 平台推进剂的主要优点是什么？

11. 固体推进剂侵蚀燃烧效应是指什么因素对燃速的影响？ 试描述侵蚀燃烧效应的现象并说明侵蚀燃烧效应对发动机性能的主要影响。

12. 概述固体推进剂侵蚀燃烧效应的主要影响因素。

13. 推进剂性质对侵蚀燃烧效应的影响体现为哪些方面？

14. 侵蚀燃烧效应的界限流速是如何定义的？ 对给定的推进剂， 其数值与侵蚀燃烧效应有何联系？ 对给定流动条件的发动机， 其数值与侵蚀燃烧效应的大小如何联系？

15. 何谓侵蚀公式？ 举例说明几种常用的侵蚀公式及相应的侵蚀准则。

16. 写出喉通比的定义并说明其意义。

17. 写出通气参量的定义并说明其物理意义。

18. 初温对固体火箭发动机的性能有何影响？ 如何定量描述？ 通常选取的初温使用范围和标准气温是多少？

19. 什么是固体推进剂燃速的加速度效应？ 有何影响？

20. 简述提高固体推进剂燃速的物理方法。

习 题

1.某复合推进剂的燃速表达式为 ＝4.642p0.4587mm／s，其中压强单位为MPa。试将其改写成压强单位为atm、 燃速单位为mm／s的形式， 并计算p＝100atm时的燃速。

（1atm＝0.101325MPa， ＝1.6242p0.4587mm／s；13.43mm／s）

2. 已知某推进剂的侵蚀公式为ε＝0.6235＋4.3702×10-3，试确定其界限通气参量。

（ th＝86）

3. 某复合推进剂在工作压强49MPa、 初温293K时测得的燃速为15.2cm／s， 在相同压强、 初温为323K时测得的燃速为17.1cm／s。 求该推进剂的燃速温度敏感系数， 并计算相同压强、 初温为310K时的燃速。

4. 某发动机采用双芳镁-3双基推进剂， 其压强指数n＝0.5， 燃气比热容比γ＝1.25，燃烧产物的平均摩尔质量为M＝22.0kg／kmol，绝热燃烧温度T0＝2355K，装药头部燃速 1＝0.98cm／s。已知燃烧室内某截面处流速v＝400m／s、侵蚀比ε＝1.38，试求该截面处装药的侵蚀燃速。 （提示： 由式 （5-54） 计算速度系数， 由式 （5-81） 计算压强比。）

5. 已知某推进剂的侵蚀公式为

试推导出平均侵蚀比的表达式。

6. 某发动机采用双基推进剂， 装药为单根圆孔药型， 端面包覆， 内外孔燃烧。 已知装药尺寸为：药柱内径d＝50mm、外径D＝100mm、长L＝1875mm，燃烧室内径Di＝125mm。 推进剂的侵蚀公式为

式中， p的单位为MPa。 试计算发动机工作初期装药末端 （压强10MPa） 内外燃烧表面的侵蚀比。