不完全燃烧

1. 不完全燃烧的基本特征

当固体火箭发动机的燃烧室压强降低到一定程度时就会发生不完全燃烧。 实验观察表明， 不完全燃烧具有以下基本特征：

（1） 从压强曲线看， 燃烧室压强低于按完全燃烧预估的正常值， 燃烧时间延长， 发动机比冲低于正常值， 并且随着压强的进一步降低， 可能出现一次燃尽、 时燃时灭的断续燃烧或因压强过低导致的燃烧中止等情况， 分别如图4-12 （a）、 （b）、 （c） 所示。

图4－12 不完全燃烧的几种典型压强曲线

（a） 一次燃尽； （b） 时燃时灭； （c） 燃烧中止

（2） 从实验现象看， 发生不完全燃烧时， 发动机喷出大量浓烟， 火焰亮度减弱， 发出“咻咻” 的排气声。 对于双基推进剂， 燃烧结束后， 打开喷管可以看到燃烧室内有大量棕色浓烟，这是尚未完全燃烧的NO中间燃烧产物被空气氧化而生成的棕色NO2。由于还有大量NO2或NO等中间产物没有完全还原为N2，故称为不完全燃烧。

（3） 从原因分析看，由第3章可知，固体推进剂的稳态燃烧存在临界压强pcr，当工作压强低于pcr时即发生不完全燃烧。临界压强值与推进剂性质和发动机工作条件（如初温、流速、 点火条件等） 有关， 并可以通过实验测量出来。

由此可见， 不完全燃烧一旦发生将使发动机性能严重变坏， 甚至使火箭中途坠落， 是绝不允许发生的。

2. 不完全燃烧的机理分析

针对不完全燃烧产生的原因已经做了大量的实验研究， 提出了多种不同的解释， 主要包括吹熄假说和吹旺假说。

吹熄假说认为， 当燃气流速过大时， 由于燃气流过燃烧室的时间过短， 导致传热不足以及燃烧反应来不及进行到底， 使推进剂表面获得的反馈热量减少， 当反馈热量不足以维持燃烧的稳定时即发生不完全燃烧。

在实验中确实发现过在低压下燃气流速过大容易发生不完全燃烧的现象。 但在低压下，即使燃气流速很低， 有时也会发生不完全燃烧， 这种现象难以用吹熄假说解释； 通过对不完全燃烧产物的成分分析发现， 在装药燃烧的开始阶段， 即燃气流速最大、 侵蚀燃烧效应最强时，燃烧产物中并没有不完全燃烧产物NO和NO2，它们都出现在燃烧的中期和末期；实验还发现， 只要燃气压强足够高， 即使流速相当大， 也不会出现不完全燃烧。 以上现象与吹熄假说是相矛盾的。

吹旺假说与吹熄假说正好相反， 认为过低的流速导致了燃烧表面获得的反馈热量下降，当下降到不足以维持稳定燃烧时便发生不完全燃烧。 如果燃气流速很大， 则流动的湍流效应可以强化向固相表面的传热， 从而促进燃烧 （即侵蚀燃烧效应）。

上述现象说明， 造成不完全燃烧的原因不能简单地用 “吹熄” 或 “吹旺” 假说来解释。下面根据推进剂的稳态燃烧机理， 在同时考虑燃气压强和流速作用的条件下， 分析产生不完全燃烧的原因。

根据固体推进剂的稳态燃烧机理可知， 为了维持推进剂的正常燃烧， 必须向推进剂固相表面提供必要的热量 （即反馈热量）， 使固相分解吸热反应能持续地进行下去， 这就要求气相反应完全， 能将热能充分释放出来， 并使向固相表面传递的反向热流具有足够的强度。 这说明在固体推进剂燃烧过程中， 固相热分解和气相燃烧反应是相互影响、 相互制约、 相互依赖的， 如果由于某些条件 （如燃气压强、 流速和初温等） 的变化， 使气相和固相释放的总热量小于散失的总热量， 则就有可能发生不完全燃烧。

同时， 推进剂的稳态燃烧理论表明， 燃烧室压强是影响燃烧过程的主要因素。 压强过低时， 一方面使气相反应不完全， 能量不能充分释放出来， 燃烧温度下降； 另一方面， 又使混合相区和暗区厚度加大， 使高温气相反应区远离固相表面。 这两个因素都使传向固相的反馈热流减弱。 当压强降低到一定值时， 固相表面得不到必要的反馈热量， 表面达不到一定的温度， 固相热分解减弱或停止进行， 致使气相反应中止在不同的燃烧区， 从而造成不同程度的不完全燃烧， 如一次燃尽的不完全燃烧、 断续燃烧或燃烧中止等。

双基推进剂不完全燃烧的特征是在燃烧产物中存在大量燃烧中间产物NO和NO2，由于NO和NO2还原为N2是一个放热反应，因此NO和NO2越多，说明燃烧反应越不充分，释放的热量越低。推进剂的化学能以燃烧方式释放时， 其放热量与燃烧的压强有关， 见表4-1。由表可见， 放热量随着压强的升高而增大， 并在压强达到或超过4.0MPa时达到最高值。 因此， 为了使推进剂的化学能得到充分释放， 即放热量达到最高热值或标准热值， 燃烧压强必须达到或超过某个界限压强值pcr，即推进剂正常燃烧的临界压强。对于表4-1所列的双基推进剂，pcr＝4.0MPa。

表4－1 不同压强下测量的某推进剂的热值

推进剂的临界压强值取决于其自身性质和发动机工作条件， 主要包括如下一些因素：

（1） 推进剂性质。推进剂性质是影响pcr的主要因素。双基推进剂的临界压强较高，通常在4.0MPa左右， 有的高达6～7MPa； 复合推进剂的临界压强较低， 在4MPa以下， 一般在2.0MPa左右。 表4-2列出了三种推进剂的临界压强， 其中， 推进剂Ⅱ和Ⅲ分别含有催化剂Mg O和Pb O， 具有较低的临界压强。

表4－2 不同推进剂在不同初温下的临界压强

（2） 装药初温Ti。一般地，临界压强pcr随着初温Ti的降低而升高，表4-2给出的数据也显示了这种关系。 因此， 低温实验是检验发动机能否稳定燃烧的重要环节。

（3） 燃气流速。实验表明，临界压强pcr随通气参量 的增大而略有升高，见表4-3。由第3章可知， ∝p1-nv，即在一定压强下 与燃气流速v近似成正比。因此， 对pcr的影响也在一定程度上反映了燃气流速v对pcr的影响。

表4－3 某推进剂在不同æ下的临界压强（Ti＝15℃）

（4） 点火条件。 增加点火药量和提高点火药能量可以使临界压强有所下降。 但点火药量不宜太多，否则将引起过高的初始压强峰pm。

（5） 装药内、外通气参量 i和 e的关系。在一定压强下， i与 e的关系反映了装药内外通道燃气流速的相对大小。实验表明，在其他条件完全相同时， i＞ e比 i＝ e要求有更高的pcr值。这是因为当 i＝ e时，装药内外通道的燃气流速基本相同，流动状态较为均匀；而在 i＞ e时内外通道的燃气流速不同，流动不均匀，热量散失增大，因而使pcr升高。

当发动机工作压强低于pcr时，随着放热量的降低，传向固相的反馈热流减弱，燃烧有可能被中止。 此时燃烧室中残留气体的压强虽然已降到很低， 接近外界压强， 但仍具有较高的温度， 它对固相燃烧表面有足够的加热时间， 因此在表面附近仍有一些物理和化学反应过程在缓慢进行， 不断放出热量。 同时燃烧室壳体、 挡药板、 点火装置等具有高温的零部件以辐射和传导的形式不断向燃烧表面传递热量。 当这些热量积累到一定程度后， 装药又重新被点燃。 于是压强重新上升， 但仍然不能维持正常燃烧， 因而燃烧再次被中止。 这样时燃时灭， 就形成了断续燃烧。

在装药燃烧过程中， 燃气流速对热量的传递有着不可忽视的影响。 在正常燃烧条件下，沿装药燃烧表面的气流速度有利于对固相表面的传热， 可以促使推进剂燃速的提高， 这就是燃气流动对推进剂燃烧的 “吹旺” 作用， 从而产生侵蚀燃烧效应。 但是流动也确实带走了部分高温燃气， 减弱了对固相的反馈热量， 这是不利于完全燃烧的因素。 例如在静止空气中， 装药点燃后可以维持燃烧， 但在燃烧室中有气体流动， 即使在比大气压强高的情况下，也会发生断续燃烧， 或使燃烧中止， 这就是 “吹熄” 作用。

由此可见， 沿装药表面的燃气流动对推进剂的燃烧过程既有吹旺作用也有吹熄作用， 只是在不同条件下， 这两个因素对推进剂燃烧所起的作用程度不同而已。 在高于临界压强条件下， 吹旺作用占主导地位； 而在低于临界压强时， 则是吹熄作用占主导地位。 因此， 单纯强调某一方面的作用是不全面的， 压强的高低才是问题的关键。

3. 防止不完全燃烧的方法

根据以上分析可以清楚地看到， 为了防止推进剂不完全燃烧， 必须使燃烧室的压强在发动机工作过程中始终高于该推进剂的临界压强， 这一设计原则通常称为临界压强准则。

如前所述，发动机初温Ti越低则临界压强pcr越高。因此，设计时应在低温条件下应用临界压强准则，即在最低工作温度（-40℃） 下，要求燃烧室的最低压强（pmin）-40℃必须大于所采用的推进剂在此温度下的临界压强（pcr）-40℃，可表示为

（pmin）-40℃＞（pcr）-40℃（4-12）

实际上，由于Ti越低工作压强越小，即（pmin）-40℃代表了发动机工作压强的最低值；同时，由于Ti越低临界压强越高，因而（pcr）-40℃是临界压强的最高值。所以，式（4-12）表示了发动机设计的最安全状态。

各种推进剂的临界压强值由推进剂生产单位提供或查有关手册得到， 但使用时必须注意其测试条件， 并与发动机的实际情况结合起来考虑。 值得指出的是， 通过实验准确测量发生不完全燃烧的临界压强是十分困难的， 相比之下， 测量出现断续燃烧的临界压强则比较容易。 所以， 推进剂生产单位或手册提供的数据通常是出现断续燃烧的临界压强值， 在选取发动机燃烧室压强的设计值时， 应在参考临界压强的基础上留有一定的余量。