固体火箭发动机的点火过程

点火过程进行的时间非常短暂， 一般以微秒或毫秒计， 具有强烈的瞬态特点。 在点火过程中发生了极其复杂的物理化学变化过程， 包括传热、 流动、 相变、 化学组分的质量扩散，以及有关化学动力学等过程的复杂瞬态现象， 如图4-28所示。 这些过程相互渗透， 有些是吸热的， 有些则是放热的， 但总的热效应是放热， 因而装药表面温度不断升高。 由于表面各处的温度升高不均匀， 某些点上的温度首先达到发火点， 随即产生燃烧火焰， 使推进剂装药局部点燃。 未点燃的燃面一方面受到点火装置燃烧产物的继续加热； 另一方面已燃表面产生的火焰迅速传播， 使未燃燃面相继点燃， 直到点燃全部燃烧表面。

图4－28 固体推进剂点火的物理化学过程

在点火过程中出现的主要现象可以概括为：

（1） 点火药进行燃烧反应， 生成高温燃烧产物。

（2） 点火药燃烧产物通过导热、 对流和辐射的形式向推进剂表面传递热量。

（3） 推进剂燃烧表面局部点燃， 火焰向整个推进剂表面传播。

（4） 燃烧室中流场的建立。

（5） 燃烧室内压强升高到稳定燃烧压强。

（6） 有时伴随着超压、 滞火 （延迟点火）、 破坏性冲击波 （爆轰）、 燃烧振荡、 间歇燃烧和熄火等不规则现象。

各种现象及其发生的实际顺序与点火装置的形式和在发动机中的位置有着强烈的依赖关系。 对前置喷射式点火， 点火装置产生的高温燃烧产物直接流向喷管， 药柱前端由于传热速率最大首先被点燃， 随着燃气沿药柱表面向下游的流动， 部分药柱表面开始燃烧， 火焰向下游传播直到药柱末端， 燃烧室压强逐渐上升并最终达到平衡工作状态。 由前置式点火装置点燃的固体火箭发动机典型压强-时间曲线如图4-29所示。

图4－29 固体火箭发动机典型压强－时间曲线

后置喷射式点火与上述过程有些不同。 点火源产生的燃气向火箭发动机燃烧室的内部喷射并膨胀， 然后再改变流动方向， 从而在燃烧室前部产生一个冷空气的压缩滞止区。 在该滞止区内， 向推进剂表面进行能量传递的主要形式是炽热气体／粒子的辐射和热传导， 而其下游的传热形式主要是对流。 由于复杂的流动结构和与之有关的传热速率， 推进剂在后端， 有时是在中间部位首先点火， 其火焰是从点火部位分别向上游和下游两个方向传播的， 向下游的火焰传播速率更快一些。 在后置式点火的火箭发动机中， 首次点火部位以及整个点火过程在很大程度上受点火燃气射流穿透能力的影响， 经常观察到平衡压强的建立与整个推进剂药柱的全部点燃是同时出现的。

在固体火箭发动机的点火过程中， 为了使点火装置工作结束时， 即点火源撤去后， 装药仍能继续维持燃烧， 必须使加入的点火能量在装药表面建立一定厚度的加热层。 随着装药的自持燃烧， 压强迅速上升， 并很快达到预期的稳态工作压强。 实际的固体火箭发动机点火过程通常可分为三个阶段， 即点火延迟期或诱导期、 火焰传播期和燃烧室充满期 （稳态工作状态的建立过程）， 分别对应于图4-29的1、2和3阶段。 前两个阶段为推进剂的点火过程， 第三个阶段为发动机工作过程中燃气压强-时间曲线的建立过程， 属于固体火箭发动机的瞬态工作过程， 这种划分方法尤其适合于前置式点火装置点火过程的讨论与分析。

（1） 点火延迟期。

点火延迟期通常是指从启动点火源到装药燃烧表面局部点燃， 即推进剂燃烧表面上出现第一个火焰的时间间隔。 这一阶段包括与点火源点火和内弹道性能有关的时间延迟以及与推进剂装药本身有关的时间延迟， 已有的大多数分析都假设点火源本身的时间延迟为已知值（实验数据或通过其他方法获得）， 而与推进剂有关的时间延迟则相当复杂， 在建立点火模型时需要简化处理。

（2） 火焰传播期。

火焰传播期是指从推进剂燃烧表面上首次出现火焰到整个推进剂装药被点燃的时间间隔， 即火焰从装药局部点燃点开始传播到装药的全部燃烧表面并使装药全面点燃所需要的时间。 点火火焰的传播取决于点火源燃气的流动和向推进剂表面的传热速率， 以及点火药和推进剂的组成。 对前置式点火装置， 萨默菲尔德于1964年提出的相邻推进剂区域顺序点燃的假设能够成功地描述火焰传播过程， 特别是以对流传热为主要传热方式的火焰传播。

（3） 燃烧室充满期。

从火焰传播结束到燃烧产物逐渐充满燃烧室空腔直至建立起燃烧室平衡压强所用的时间称为燃烧室充满期。 在这一过程中， 燃烧室压强快速升高， 可能出现高增压速率与燃速的耦合效应 （瞬态燃烧）； 同时， 燃烧产物沿推进剂表面的高速流动也可能使推进剂药柱的燃速增大 （侵蚀燃烧效应）。 这两种增强燃烧效应共同作用的结果是在燃烧室充满阶段可能观察到压强上升过头的情况， 即超压现象。 在高体积装填密度、 大长径比或大喉通比J的固体火箭发动机中， 这些效应是十分重要的， 这样的发动机有时称为高速过渡 （HVT） 发动机。图4-30给出的是两种不同喉通比的HVT发动机起始阶段的压强-时间曲线。

图4－30 不同喉通比HVT发动机起始阶段的压强－时间曲线