固体火箭发动机热力计算与性能预估

固体火箭发动机燃烧室与喷管内的流动实际上同时伴随着复杂的化学反应， 燃烧产物包括气相组分和凝相组分，是典型的多组分气体混合物。因此，只有研究多组分反应流体才能更真实地模拟发动机的工作过程。本章在定压绝热条件下建立固体火箭发动机燃烧产物基本物理化学特性参数的计算模型，在此基础上，对发动机的比冲、特征速度等性能参数进行理论预估。

固体火箭发动机热力计算与性能预估的主要任务可以分为以下三个部分：

（1） 确定燃烧室和喷管中 （或以燃烧室为基础） 的燃烧产物组分和燃烧温度， 这是热力计算的核心部分。 通常以燃烧产物化学反应处于平衡状态为条件建立数学模型， 本章介绍“化学平衡常数法” 和 “最小自由能法” 两种模型。 燃烧室中的燃烧一般假设在绝热条件下进行， 故又称 “绝热燃烧温度”。

（2） 在确定燃烧产物组分和燃烧温度的基础上计算燃烧室和喷管中的热力参数， 这些基本参数包括燃烧产物组分、燃烧温度、 比热容比、 气体常数、 摩尔质量和比热容等。 喷管中的燃烧产物与燃烧室中的不同， 主要是流动引起的变化， 有化学平衡流与冻结流两种极限。

（3）计算火箭发动机的性能参数，如特征速度c∗、排气速度ve、比冲Isp和推力系数CF等。利用热力计算得到的参数，可以计算出固体火箭发动机的理论性能参数，再通过各种损失的修正， 进行实际性能参数预估。

因此， 热力计算的首要任务是确定燃烧产物组分和燃烧温度， 为此需要建立相应的计算模型和方程。 热力过程是固体火箭发动机工作时的第一个能量转换过程， 固体推进剂通过燃烧将其化学能转变为燃烧产物的热能和压强势能。 从第3章介绍的推进剂稳态燃烧可知， 这是一个非常复杂的问题， 难以求解， 必须进行简化。

假设推进剂的燃烧化学反应处于瞬时平衡状态， 这样便可使燃烧模型得到简化。 由热力学知识可知， 当化学反应处于平衡状态时， 各化学平衡反应都存在一个化学平衡常数 （可通过实验测量）， 反应系统的自由能达到最小。 可以根据这些性质建立方程组进行热力计算。 根据化学平衡常数建立的热力计算方法称为 “平衡常数热力计算法”， 适于手工计算和简单编程计算， 虽可满足工程需要， 但通用性差， 误差较大。 根据反应系统平衡时自由能最小这一特性建立的计算方法称为 “最小自由能热力计算法”， 适于编程计算， 具有较高的精度， 通用性很好。