过氧化氢固液发动机.pdf

32 湖北航天科技 第3期 H202固液混合发动机能量特性研究· 国防科技大学 李 芳 张为华 摘 要 利用热力计算，比较了HO 固液混合发动机四种固体燃料系统的能量特性， 分析了HO含量和燃烧室压强对HO 固液混合发动机能量特性的影响，得出的结论对 HO 固液混合发动机燃料配方和发动机总体设计非常重要。 主题词 HO 固液混合发动机 能量特性 热力计算 前言 固液混合发动机由于具有高安全性、高可靠性、高性能、低成本以及节流性能好等特点， 是 目前火箭推进系统的一个发展方向，已成为液体和固体火箭发动机的重要竞争者，有着广 泛的前景。HO 固液火箭发动机能量特性计算，对研究燃料系统配方及其与HO的配比 关系和发动机总体设计非常重要。 1 计算实例 1．1 四种燃料系统能量特性比较 HO 固液混合发动机的液态氧化剂为HO，固体燃料系统有四种选择，如表 1所示。 针对这四种固体燃料系统，改变燃料系统与HO 的配比关系研究提高HO含量对HO 固液混合发动机能量特性的影响。在这四种固体燃料系统中，通过B或Al与AP在燃料系 统中的含量，研究固体燃料系统推进剂配方HO 固液混合发动机能量特性的影响。计算 过程中取燃烧室压强Pc为6．894NPa，喷管出口压强Pe和环境压强均Pa为0．101325NPa。 表2～表3为以上四种固体燃料系统的热力计算结果。其中：Is为比冲；T为平衡温度；C’ 为特征速度；Rg为气相气体常数；Rw为燃气气体常数。 表1 四种燃料系统配方 来 收稿 日期：2005—01—10 第3期 H202固液混合发动机能量特性研究 33 四种固体燃料系统的平衡温度、比冲、特征速度和燃气气体常数随HO含量的变化曲 线如图1～图3所示。 从图1可看出，HO 固液混合发动机的能量特性：平衡温度、比冲和特征速度随HO 含量的增加均呈现出首先显著提高，直到最终稳定在一定值，之后变化缓慢的特点，特别是 铝基固体燃料系统在图中加HO范围内此特征明显。燃气气体常数的变化与燃气平均分 子量的变化成反比。从图4可看出，除第2号燃料系统的燃气气体常数始终下降外，其他三 种燃料系统的燃气气体常数均随HO含量的增加而先增加，后减少。在HO 固液混合发 动机燃料体系中，有两种机制影响着燃气平均分子量的变化：其一是HO含量增加，意味 着固体燃料系统含量减少，即可生成分子量较大的凝聚相燃烧产物的反应物源减少；其二是 氧化剂HO含量增加，更有利于Al和B分别生成凝聚相燃烧产物A10和BO。这两种 作用结果相反的机制相互作用，使燃气气体常数随HO含量增加呈现出图4结果。 图1 平衡温度随HO含量变化 图2 比冲随HO含量变化 图3 特征速度随HO含量变化 图4 燃气气体常数随HO含量变化 湖北航天科技 第3期 对铝基固体燃料系统和硼基固体燃料系统进行比较，结果如表2所示。从表2可发现， 铝基固体燃料系统最终可达到的能量特性中平衡温度和比冲比硼基固体燃料系统明显高， 但二者的特征速度相关不大。特征速度c 由下式决定： C =、 f (1．1) 式中：n为燃气物质的量；R为燃气气体常数；平衡温度；f是燃气比热比的函数。由于燃气 比热比变化不大，所以特征速度C 的大小取决于 。 虽然铝基固体燃料系统的平衡温度 比硼基固体燃料系统高562—722K，但由于其燃 气气体常数比硼基固体燃料系统小49—55(表2)，所以二者综合的效果使两种燃料系统的 特征速度c。相关不大。 · 从图1一图4可发现，达到最终的能量特性，铝基固体燃料系统需要的H0含量要明 显小于硼基固