[發(fā)明專利]以實(shí)驗為約束的富燃料推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物熱力學(xué)確定方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310141315.3
• 申請日: 2013-04-22
• 公開（公告）號: CN103235083A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王英紅;劉林林;王澤旭;肖連義
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N31/12
• 分類號: G01N31/12
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 陳星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃燒測試技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種以實(shí)驗為約束的富燃料推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物熱力學(xué)確定方法，用于富燃料推進(jìn)劑的一次燃燒產(chǎn)物確定，為二次燃燒的研究提供初始參數(shù)。

背景技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中，一般推進(jìn)劑的燃燒溫度及燃燒產(chǎn)物及熱力學(xué)特性參數(shù)的預(yù)估是通過熱力計算（GJB）獲得，其基本原理：燃燒產(chǎn)物的成分首先決定于推進(jìn)劑的成分，不論燃燒過程怎樣，生成何種產(chǎn)物，根據(jù)質(zhì)量守恒，燃燒前后各元素的摩爾原子總數(shù)相等，可建立一組質(zhì)量守恒方程；燃燒產(chǎn)物的成分還與壓強(qiáng)和溫度有關(guān)，改變溫度與壓強(qiáng)，燃燒產(chǎn)物的化學(xué)平衡狀態(tài)隨之變化，產(chǎn)物的成分也將發(fā)生變化，所以燃燒產(chǎn)物的成分還與化學(xué)平衡有關(guān)。于是可以利用化學(xué)平衡的概念建立一組化學(xué)平衡方程（平衡常數(shù)法），或者是根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)下系統(tǒng)自由能為最小值的條件建立一組平衡組分應(yīng)當(dāng)滿足的方程（最小自由能法）。選用適當(dāng)?shù)姆椒ń庖陨戏匠叹涂梢郧蟪鲞x定溫度和壓強(qiáng)下的燃燒產(chǎn)物成分。若指定不同的溫度進(jìn)行重復(fù)計算，就可以得出成分隨溫度而變化的關(guān)系。再利用能量守恒定律，即推進(jìn)劑的總焓（化學(xué)能+熱焓）等于燃燒產(chǎn)物的總焓，確定燃燒產(chǎn)物的溫度。故“質(zhì)量守恒”、“化學(xué)平衡（自由能最?。焙汀澳芰渴睾恪笔谴_定一般推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物的三組控制方程。

但是富燃料推進(jìn)劑，如含硼富燃料推進(jìn)劑氧化劑含量低，為20～40%（一般推進(jìn)劑的氧化劑含量為60～80%），在燃?xì)獍l(fā)生器中一次燃燒時，燃燒產(chǎn)物中含有大量可燃物和中間反應(yīng)物，并且凝相物含量很高。此外有些金屬（如硼、鋁和碳粒）有可能達(dá)不到著火溫度，它們在一次燃燒過程中只有部分參與化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后的體系是一個非化學(xué)平衡體系。具體體現(xiàn)在：非化學(xué)平衡體系，其燃燒產(chǎn)物除由推進(jìn)劑配方?jīng)Q定外，還會受到工藝過程的影響，而化學(xué)平衡計算則不能反映這一影響結(jié)果。例如，各組分含量相同的條件下（假定化學(xué)式相同），含硼富燃料推進(jìn)劑中的硼經(jīng)AP包覆的配方比沒有包覆配方的爆熱（實(shí)驗值）要高約5%。相同壓強(qiáng)下的絕熱火焰溫度也不同。

一般推進(jìn)劑，如果配方給定，既假定化學(xué)式給定，則通過熱力計算得到一定壓強(qiáng)下的燃燒狀態(tài)（絕熱火焰溫度和產(chǎn)物組成及含量）是一定的，也是唯一的。而含硼富燃料推進(jìn)劑等富燃料推進(jìn)劑的制藥工藝和以及調(diào)節(jié)燃燒性能的目的，硼粉通常要進(jìn)行包覆和團(tuán)聚后加入推進(jìn)劑藥漿，硼粉的處理工藝影響推進(jìn)劑的燃燒性能，這就造成配方相同（假定化學(xué)式相同）的推進(jìn)劑在給定壓強(qiáng)下的燃燒后的狀態(tài)不同，為了確定這種燃燒狀態(tài)以及燃燒產(chǎn)物，原有的熱力計算已不再使用。

國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)毛成立博士、姚娜碩士和航天四院鄭凱斌均發(fā)表了有關(guān)含硼富燃料推進(jìn)劑非平衡熱力計算的理論模型，認(rèn)為：富燃料推進(jìn)劑燃燒后的物質(zhì)由燃燒產(chǎn)物和燃燒剩余物組成；參與反應(yīng)的燃燒產(chǎn)物子系統(tǒng)處于化學(xué)平衡狀態(tài)；燃燒產(chǎn)物和未參與反應(yīng)的硼處于溫度平衡狀態(tài)。這種處理相對于70年代在該問題上處理已經(jīng)有了一些進(jìn)步，首先，采用工程的方法避開了計算的復(fù)雜性。主要表現(xiàn)在參與反應(yīng)物的比例fi的應(yīng)用上。引入fi（參與反應(yīng)硼的比例）后，就把復(fù)雜的計算工作轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚目烧{(diào)參數(shù)的確定上，fi的值是以同類富燃料推進(jìn)劑的一次燃燒結(jié)果為依據(jù)，憑借計算者的一定經(jīng)驗來確定，在計算過程中直接由計算者給定，雖然這一處理會降低計算精度，但仍然能滿足計算結(jié)果的應(yīng)用要求。燃燒溫度是一次燃燒熱力計算最重要的參數(shù)，因為它強(qiáng)烈地影響二次補(bǔ)燃效率，因此把它作為評價推進(jìn)劑配方合理性的重要判據(jù)；硼在一次燃燒過程中參與反應(yīng)的比例也會影響一次燃燒溫度的高低，參與反應(yīng)的硼越多，則燃溫越高，但由于硼燃燒困難，一般認(rèn)為在高含硼量的富燃料推進(jìn)劑中硼參與反應(yīng)的比例不會高于20％，如果一次燃溫能達(dá)到或接近硼粒子點(diǎn)火溫度(1900K)時，參與反應(yīng)的硼的比例小于20％，則認(rèn)為該配方是合理的。因此，含硼富燃料推進(jìn)劑一次燃燒熱力計算的主要任務(wù)是計算參與反應(yīng)的硼的比例與燃溫的關(guān)系，從這一方面來看，上述工程計算方法具有一定的可取性。其次，全面考慮了燃燒產(chǎn)物，充分利用了非平衡過程的特點(diǎn)。由化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)可知，在燃燒過程中體系的吉布斯自由能是在不斷減小的，對于已燃產(chǎn)物而言，由它們組成的子體系的吉布斯自由能已經(jīng)達(dá)到最小，所以對該子體系可以應(yīng)用化學(xué)平衡方程計算各組分的摩爾數(shù)。

但是該方法同時還存在一些缺陷，首先，未參與反應(yīng)的硼是依經(jīng)驗而確定，帶有一定的主觀性，其次，對已燃產(chǎn)物而言，組成的子體系的吉布斯自由能已經(jīng)到達(dá)最小，它們之間不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在一個體系中，把非平衡燃燒處理成子系統(tǒng)平衡也沒有依據(jù)，這必然會給計算結(jié)果帶來誤差。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題