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xian333c 发布于2016-09-25 01:32
6/2641

关于侵蚀燃烧

楼层直达
      这次不会讲什么公式,侵蚀燃烧不应该是普通爱好者主要注意的问题。这里更多是讲讲原理,解决方案和简单预测。
      首先要讲讲我在年会上就讲过的,燃烧的热循环。很多人甚至都不清楚燃烧的热循环,这样的话其实面对一个推进剂的添加剂自己也会拿捏不准。对于不同添加剂对于推进剂的影响首先就要掌握推进剂的火焰模型和热循环。推进剂根据种类分为双基推进剂,改性双基推挤剂和复合推进剂。虽然种类不同,火焰模型各不相同,但是基本的模式是相同的。

图片:大致火焰模型.png


基本上都是类似的,固体部分受热分解,产生了液体的表面,接着产生可燃的气体(小液滴也会最终变成气体),气体点燃并燃烧释放热量。热量再反馈到燃烧表面继续维持分解。而部分熔点很高的物质会全程保持固态或液态,叫做二相流,不过这里不用多说。
      复合推进剂就是氧化剂和还原剂分别分解释放出可燃的有机气体和氧气,两者混合,燃烧。也就是气相部分的燃烧,因为固体推进剂中普遍含有金属粉,所以实际上也存在金属粉的固相燃烧,固相燃烧发生在火焰顶端,是金属粉与气相燃烧产物发生的进一步燃烧。氧化剂一直会有人讲分解放热、分解吸热就是不同氧化剂分解过程的不同。高氯酸铵是一种分解放热的氧化剂,就是因为其分解过程中,高氯酸铵先分解为HClO4和NH3,然后HClO4进一步和NH3进行燃烧,才产生化学式上的N2、H2O、O2、HCl。其中NH3和HClO4燃烧的火焰叫做AP火焰,AP火焰释放的热量比高氯酸铵初步分解的热量大,所以我们说高氯酸铵分解叫放热。AP火焰之后的部分就和上面说的一样,气体的混合、燃烧。再比如说高氯酸钾分解实际上会先分解为KClO3和O2,然后KClO3进一步分解才变成了最终的KCl、O2。整个过程都是吸热的,所以分解就是吸热的咯。这部分都是随氧化剂不同而不同的。然后气体的混合燃烧都是相同的。
       双基推进剂就不一样了,双基推进剂的主体就是NC和NG,两个都是自带氧物质。所以就不会出现复合推进剂的氧化剂和还原剂分别分解,不过添加剂还是一样分别分解的,但是都不会影响火焰结构。双基推进剂的固体表面受热分解产生醛类气体和NO2,然后就是氮氧化物和有机物的逐步燃烧,这部分收到压强的影响很大,燃烧室的压强会直接决定燃气的氧化程度。首先当然是气体的升温,然后醛类会和NO2发生最初步的燃烧生成更简单的有机气体和NO,这部分我们叫做嘶嘶区。之后的燃烧就需要较高的压强才会发生,也就是暗区,暗区是部分NO和部分有机气体的进一步燃烧,这里会生成一些具有催化作用的燃烧产物比如说水。在暗区积累了热量并且拥有了催化物质,有机气体会和NO发生剧烈的燃烧,释放出大量的热量和光,这部分就是发光火焰区。双基推进剂一半以上的能量就是由这部分的火焰发出。不过之前有个前提是在较高压强下,这个压强叫做双基推进剂的临界压强,只有燃烧室压高于临界压强才会发生暗区和发光火焰区,暗区会随压强的提高而不断变薄,到了10MPa的压强下,暗区就会薄到几乎无法分辨。一般来说双基推进剂的临界压强在3-6MPa之间,低于临界压强就算你是高能双基推进剂也和低能没什么区别了。
      改性双基就是复合和双基混合在一起,我就不多说了。
      燃烧表面温度受到物质性质不同,比如说高熔点的高氯酸钾推进剂表面温度就会比低熔点的高氯酸铵高很多,在高氯酸钾推进剂中添加惰性的熔点低产气大的添加剂就会影响燃烧稳定,而对于低熔点的AP就没有问题了。同样的热循环被打破就会使推进剂终止燃烧、或者喘燃。(这也就是为什么不要用NC点火的理由之一)

      
       再讲讲侵蚀燃烧是怎么回事:侵蚀燃烧是因为燃气的流动,燃气流过燃面表面,会加强反馈到燃烧表面的热,所以会影响燃速。其燃气流速越快,燃速也会越快。当气流速度超过某个值就会很大程度的加快燃速。由于侵蚀燃速与燃气流速成正比,而燃气流速是从燃烧室顶部不断加快的,所以顶部一段的燃料会正常燃烧,当气流速度达到了发生侵蚀燃烧的速度之后变回发生侵蚀燃烧,并且由于速度不断加快,越靠近喷口的部分燃烧速度就会越快,最终就会烧出来一个喇叭一样的形状。而侵蚀燃烧的气流速度的最低值是随推进剂不同的,所以又是一个繁重的测算任务233333333333。
       有的国家喜欢用侵蚀比来描述侵蚀燃速,用侵蚀比*常规燃速就是侵蚀燃速,但是这种方法比较有限,也有更先进的半经验公式,以常规燃速为基准,引入燃气速度和经验数据计算出侵蚀燃速。
       不过燃气流速随药柱通气面积和喷喉面积之比变大而降低,所以随燃面推移,通气面积变大,侵蚀燃烧也会自己不断减低最终消失。通气面积就是直接求药柱的内孔面积。通过其比值,我们可以直接粗略推断侵蚀燃烧的状态。这里叫做喉通比,业余我看见很多计算使用通气面积/喷喉截面积、而军工上则用喷喉截面积/通气面积,下面我就按照军工标准来说。同时还有压峰比这个值,以为燃速带来的燃面变化会使燃烧室压提高,并形成初始压强峰。压峰比就是用侵蚀燃烧压强/正常的平衡压强。一般来说双基推进剂喉通比<=0.5时,压峰比便可以<1.5。
       喉通比控制在0.5以下就是坠吼的。
      




        算上我以前发的帖子,基本上设计一个圆内孔发动机已经没有什么问题了。看完了之后发动机设计这个基本的姿势就到手了
噗嗤
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哎呀我去 发布于2016-09-25 12:46
沙发F
怎么感觉看不懂
妹子一个
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xian333c 发布于2016-09-25 13:24
板凳F
哎呀我去:怎么感觉看不懂回到原帖
哪里不懂?
噗嗤
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法式油炸薯条 发布于2016-09-28 22:31
地板F
围观(滑稽)
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xian333c 发布于2016-09-29 17:18
4楼F
法式油炸薯条:围观(滑稽)回到原帖
因吹思婷
噗嗤
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莫斯科的黄斯基 发布于2016-09-30 01:13
5楼F
哎呀我去:怎么感觉看不懂回到原帖
看不懂要详细的列出问题哦
Ангельские ритмы!
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兰若,公主魂 发布于2020-05-23 09:53
6楼F
     分析得很好,哈,好东西啊。
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