（热能工程专业论文）复合推进剂火箭发动机的热力计算.pdf

n e m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no fc o m p o s i t ep r o p e l l a n tr 0 c k e tm i n o r i ；i ；昌；i i i 暑i i i i 一i i ；i i i i i i i i i i i i i ；高；i i 宣宣；宣昌i 暑暑i i 宣 摘要 纳米级铝和水反应燃料由于在水下推进方面的应用而受到广泛关注。 固体火箭发动机的热力计算是发动机设计工作中的基本计算之一，可为发动机的 设计提供原始数据。本文针对某固体火箭发动机的设计需求，进行了金属水反应发动 机的性能计算和优化，具体研究内容包括：( 1 ) 以金属燃料为推进剂，建立了金属 水发动机热力计算的数学模型：( 2 ) 以最小吉布斯自由能法为基础，利用v i s u a l f o r t r a n 语言开发工具编制了热力计算程序。 利用热力计算程序计算了不同种类推进剂的能量特性，计算结果表明，纯铝粉燃 料的能量特性高于其他配比条件下的铝基燃料；丁羟推进剂能量特性较差，不适合作 水下超高速发动机的推进剂；g a p ( 叠氮化缩水甘油聚合物) 粘合剂可明显改善铝基燃料 的能量特性；在相同配比下，g a p 粘合剂铝基燃料的能量特性高于丁羟粘合剂铝基燃 料。 针对铝冰推进剂，计算了不同a 1 a 1 m 0 配比下的能量特性。研究表明，当配比为 8 0 2 0 时比冲最大，最大比冲为2 3 2 7 6 n s k g ，其相应的最优水燃比为0 9 。 关键词：铝水燃烧反应；铝冰推进剂；水下推进；空间推进；发动机模拟 t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no fc o m p o s i t ep r o p e l l a n tr o c k e tm o t o r a bs t r a c t n a n o s c a l ea l u m i n u ma n dw a t e rp r o p e l l a n t sh a v er e c e i v e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s ta so f l a t eb e c a u s eo ft h e i ra p p l i c a t i o nt ou n d e r w a t e ra n ds p a c ep r o p u l s i o n t h et h e s i si sm a d em e t a l w a t e rr e a c t i o nf u e l 嬲ap r o p e l l a n t , a n di se s t a b l i s h e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l o ft h e r m o d ) r n a m i cc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt o t h eg i b b sf r e ee n e r g y m i n i m i z a t i o n , t h et h e s i si se s t a b l i s h e das e to ft h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o np r o c e d u r eu s i n gt h e l a n g u a g ed e v e l o p m e n tt o o lo fv i s u a lf o r t r a n ，a n dd e v e l o p st h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo f t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nf o rm e t a l w a t e rc o m b u s t i o nr e a c t i o n t h e r m o d y r n a m i cc a l c u l a t i o na n de n e r g yc h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i s o no nt h e d i f f e r e n t t y p e so ff u e lf o ra l w a t e rp r o p e l l a n tr o c k e tm o t o rh a sb e e nd o n e ，a n dt h er e s u l ti ss h o w i n g t h a te n e r g yc h a r a c t e r i s t i c so fa l u m i n u mp o w d e rf u e li sh i g h e rt h e nd i f f e r e n tp r o p o r t i o n a l u m i n u mm a t r i xf u e l t h ee n e r g yc h a r a c t e r i s t i co fh t p bb a s e df u e li sp o o r ，s oi sn o ts u i t a b l e t oa l w a t e rp r o p e l l a n tr o c k e tm o t o r g a pc a ng r e a t l yi m p r o v et h ee n e r g yc h a r a c t e r i s t i co f a l u m i n u mm a t r i xf u e l u n d e rt h es a m ep r o p o r t i o n ，e n e r g yc h a r a c t e r i s t i co fg a p a l u m i n u m m a t r i xf u e li sh i g h e rt h e nh t p b a l u m i n u mm a t r i xf u e l t h e r m o d y r n a m i cc a l c u l a t i o n w a sc o n d u c t e dt od e t e r m i n et h er e l a t i v e p r o p u l s i v e p e r f o r m a n c ea n dv i a b i l i t yo fn o v e ls o l i dp r o p e l l a n t sc o m p r i s e do fa l i c eu s i n gg i b b sf r e e e n e r g ym i n i m i z a t i o nm e t h o d t h er e s u l ti ss h o w i n g t h a tt h em a x i m u ms p e c i f i ci m p u l s ea n d t h eo p t i m u mw a t e rr a t i of o r t h ef o r m u l a t i o n8 0 2 0a r e2 3 2 7 6n s k ga n d0 9r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：a l u m i n u mw a t e rc o m b u s t i o nr e a c t i o n ；a l i c ep r o p e l l a n t ；u n d e r w a t e rp r o p u l s i o n ； s p a c ep r o p u l s i o n ；p r o p e l l a n tr o c k e tm o t o rs i m u l a t i o n t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no fc o m p o s i t ep r o p e l l a n tr o c k e tm o t o r l i s to ff i g u r e s f i g u r e1 1 ：s c h e m a t i co fas o l i d f u e l l e dr o c k e tm o t o r 3 f i g u r e2 1 ：t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nd i a ；r 锄一一一一一- 3 2 f i g u r e3 1 ：a m o u n to fc o m b u s t i o np r o d u c ti nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e r 3 8 f i g u r e3 2 ：a m o u n to fc o m b u s t i o np r o d u c ti nt h en o z z l e 一一一一- 3 8 f i g u r e3 3 ：a d i a b a t i cf l a m et e m p e r a t u r eo fa l w a t e rp r o p e l l a n tr o c k e tm o t o ra sa f u n c t i o no f w a t e rr a t i o 一一- 一一一一一一一4 6 f i g u r e3 4 ：n o z z l ee x i tt e m p e r a t u r eo fa l w a t e rp r o p e l l a n tr o c k e tm o t o r a saf u n c t i o no fw a t e r r a t i o 一一一一一一一一一- - 4 8 f i g u r e3 5 ：c h a r a c t e r i s t i cv e l o c i t yo fa l w a t e rp r o p e l l a n tr o c k e tm o t o ra saf u n c t i o no fw a t e r r a t i o 5 0 f i g u r e3 6 ：n o z z l ee x i tv e l o c i t yo fa l w a t e rp r o p e l l a n tr o c k e tm o t o ra saf u n c t i o no fw a t e r r a t i o 一w - 一- w - 5 2 f i g u r e3 7 ：s p e c i f i ci m p u l s eo f a l w a t e rp r o p e l l a n tr o c k e tm o t o ra saf u n c t i o no fw a t e rr a t i o f i g u r e3 8 ：s p e c i f i ci m p u l s ep e ru n i tv o l u m ea saf u n c t i o no f p r o p e l l a n tf o r m u l a t i o n 一5 6 f i g u r e4 1 ：a m o u n t o fc o m b u s t i o np r o d u c ti n t h ec o m b u s t i o nc h a m b e rw i t hd i f f e r e n t f o r m u l a t i o n s 6 0 f i g u r e4 2 ：a m o u n to fc o m b u s t i o np r o d u c ti nt h en o z z l ew i t hd i f f e r e n tf o r m u l a t i o n s 一一- 6 2 f i g u r e4 3 ：c o m p o s i t i o no ft h ec o m b u s t i o np r o d u c ta saf u n c t i o no fw a t e rr a t i o f o ra l i c e p r o p e l l a n tr o c k e tm o t o r - 一一一一一6 6 f i g u r e4 4 ：c a l c u l a t e da d i a b a t i cc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea saf u n c t i o no f w a t e rr a t i of o ra l i c e p r o p e l l a n tr o c k e tm o t o r一一6 7 f i g u r e4 5 ：c a l c u l a t e ds p e c i f i ci m p u l s ea sa f u n c t i o no fw a t e rr a t i of o ra l i c ep r o p e l l a n tr o c k e t m o t o r 6 7 h a r b i ne n 锄n e e r i n gu n l v e r s l t y l i s to ft a b l e s t a b l e3 1 ：p r o p e l l a n tf o r m u l a t i o n s ( ag r o u p ) t a b l e3 2 ：p r o p e l l a n tf o r m u l a t i o n s ( bg r o u p ) t a b l e3 3 ：p r o p e l l a n tf o r m u l a t i o n s ( cg r o u p ) t a b l e3 4 ：p r o p e l l a n tf o r m u l a t i o n sf dg r o u p ) - - 3 5 3 5 3 5 3 5 t a b l e3 5 ：r e s u l t so f c o m b u s t i o nc h a m b e rt h e r m o d y 7 n a m i cc a l c u l a t i o n t a b l e3 6 ：r e s u l t so f n o z z l et h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n 3 6 3 7 3 9 3 9 3 9 t a b l e3 7 ：r e s u l t so f t h e o r e t i c a lr o c k e tp e r f o r m a n c e s ( ag r o u p ) t a b l e3 8 ：r e s u l t so f t h e o r e t i c a lr o c k e tp e r f o r m a n c e s ( bg r o u p ) t a b l e3 9 ：r e s u l t so ft h e o r e t i c a lr o c k e tp e r f o r m a n c e s ( cg r o u p ) t a b l e3 10 ：r e s u l t so ft h e o r e t i c a lr o c k e tp e r f o r m a n c e s ( dg r o u p ) 一一4 0 t a b l e3 11 ：r e s u l t so fo p t i m u mw a t e rr a t i o ，s p e c i f i ci m p u l s ep e ru n i tw e i g h ta n dp e ru n i t v o l u m ef o ra g r o u p - - - - - - - - - 4 3 t a b l e3 12 ：r e s u l t so fo p t i m u mw a t e rr a t i o ，s p e c i f i ci m p u l s ep e ru n i tw e i g h ta n dp e ru n i t v o l u m ef o rb g r o u p - - - - - - - - 4 3 t a b l e3 13 ：r e s u l t so fo p t i m u mw a t e rr a t i o ，s p e c i f i ci m p u l s ep e ru n i tw e i g h ta n dp e ru n i t v o l u m ef o rc g r o u p - - - - - - - - - t a b l e3 1 4 ：r e s u l t so fo p t i m u mw a t e rr a t i o ，s p e c i f i ci m p u l s ep e ru n i tw e i g h ta n dp e ru n i t v o l u m ef o rd g r o u p - 一- - - - 一一一- - - - 一- - - - - 一一- 一一一- - 一- 一w - 一一一一- - - 一- - - - - - - 4 4 t a b l e4 1 ：a l u m i n u m a l u m i n u mo x i d ef o r m u l a t i o n s5 8 t a b l e4 2 ：r e s u l t so fc o m b u s t i o nc h a m b e rt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n 一一一一6 0 t a b l e4 3 ：r e s u l t so fn o z z l et h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n 6 1 t a b l e4 4 ：t h em a x i m u mq u a n t i t yo fh y d r o g e na n da l u m i n u mo x i d ea n dw a t e rr a t i o c o r r e s p o n d 一一一- 一一6 3 t a b l e4 5 ：r e s u l t so fo p t i m u mw a t e rr a t i o ，s p e c i f i ci m p u l s ep e ru n i tw e i g h ta n dp e ru n i t v o l u m e 一6 3 i n t r o & i c t i o n c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n i ib a c k g r o u n d w h e ng o dc r e a t e da l u m i n u mp o w d e rh er e a l i z e dr o c k e ts c i e n t i s t sw o u l do v e r - u s ei t u n l e s sh eg a v ei ts o m eu n d e s i r a b l ec h a r a c t e r i s t i c s i ti sc r e a t e dw i t hat e n a c i o u so x i d et h a t m u s tb ep e n e t r a t e db yo x i d i z i n gs p e c i e ss m a l l e rt h a nt h e0 2m o l e c u l eb e f o r ei tc a nb ei g n i t e d 【1 1 a l u m i n u mi sa l le x c e l l e n te n e r g e t i cm a t e r i a lw i t hi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n sp a r t i c u l a r l y i np r o p u l s i o n i tc a l lr e a c tw i t hav a r i e t yo fo x i d i z e r si n c l u d i n g0 2 ，h 2 0 ，a n dc 0 2i n t oa l l o x i d ew i t hav e r yl o we n t h a l p yo ff o r m a t i o n ，t h e r e b yr e l e a s i n gs i g n i f i c a n te n e r g y b e c a u s eo f t h i sh i g he n e r g yr e l e a s e ，a l u m i n u mi sf r e q u e n t l yu s e da sa na d d i t i v ei ns o l i dr o c k e tm o t o r s ， u s u a l l yw i t ham e a np a r t i c l es i z eo nt h eo r d e ro f3 0 9 m t h j sa p p l i c a t i o nh a sb e e nt h ed r i v e r f o rr e s e a r c hf o rt h ep a s t5 0y e a r s 【2 】 s o l u t i o n st os o l i dr o c k e tm o t o rm o d e l s ，h o w e v e r , s u g g e s tt h a ta l u m i n u mp a r t i c l e s d e t a c hf r o mt h eb i n d e ra n dp a s st h r o u g ht h ep r i m a r yf l a m ez o n ea n dc o m b u s tw i t hp o s t - f l a m e g a s e ss u c ha sh 2 0a n dc 0 2 ，a so p p o s e dt o0 2 ，i nt h eh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ez o n e p r e v i o u sw o r kh a ss h o w nt h en e e df o rt h ec h a r a c t e r i z a t i o no fa l u m i n u mc o m b u s t i o ni n c o n c e n t r a t i o n so fw a t e ra to rg r e a t e rt h a n5 0 ，a n dw i t he x t e n d e dt e m p e r a t u r e sa n dp r e s s u r e s b e c a u s eo fh 2 0 sa v a i l a b i l i t ya sa no x i d i z e ri ns o l i dr o c k e tm o t o r s t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r i nt h i sr e g i m ei st h ec o m b u s t i o nt i m et oe n s u r et h a tt h ee n e r g yr e l e a s eo ft h ep a r t i c l e so c c u r s p r i o rt ot h em e t a lp a r t i c l e se x i t i n gt h er o c k e tm o t o r o t h e ri m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so fc o m b u s t i o no fa l u m i n u m 、析t i lw a t e ra r ei t sp o t e n t i a l u s ew i t hw a t e r g a t h e r e di ns i t u , b ei tu n d e r w a t e ro ri ns p a c ep r o p u l s i o na p p l i c a t i o n sw h e r et h e w a t e rc o u l db eg a t h e r e dd u r i n gt h em i s s i o n a d d i t i o n a l l y a l u m i n u m sr e a c t i o n 、析t l lw a t e r v a p o rp r o d u c e sh ea l o n gw i t ha 1 2 0 3 ，a n dt h i sm e c h a n i s mm a yb e c o m ea l li m p o r t a n tm e t h o d f o rr e d u c i n gh e ot oh 2 1 1 1 ef i r s ta n dm o s ts i m p l em o d e lf o ra l u m i n u mp a r t i c l ec o m b u s t i o ni st h a to fa d i f f u s i o nd r o p l e t ，a k i nt ot h ew a yah y d r o c a r b o nd r o p l e tb u m s o l a s s m a nn o t e dt h a tf o ra m e t a lp a r t i c l et ob u mi nt h ev a p o rp h a s e ，t h eo x i d ev o l a t i l i z a t i o nt e m p e r a t u r em u s tb eg r e a t e r t h a nt h et e m p e r a t u r eo ft h em e t a lb o i l i n gp o i n t s i n c et h i sc r i t e r i o ni sm e tf o ra l u m i n u m ，i t m o s to f t e nb u m si nt h ev a p o rp h a s e d i f f u s i o nl i m i t e dd r o p l e tt h e o r ya l s op r e d i c t st h a tt h e t i m ei tt a k e sf o rap a r t i c l et oc o m p l e t ec o m b u s t i o ni sd e p e n d e n to nt h ei n i t i a ld i a m e t e rs q u a r e d ， h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y b u ti n d e p e n d e n to f p r e s s u r ea n dw i t haw e a kt e m p e r a t u r ed e p e n d e n c e f o ra l u m i n u mp a r t i c l e s l a r g e rt h a n2 0 p m ，t h i st h e o r yh o l d sf a i r l yw e l l 3 1 d u r i n gt h e19 9 0 s ，t h ea l u m i n u m - w a t e rr e a c t i o na g a i nh a sr e c e i v e dr e n e 忙di n t e r e s ta s a nu n d e r w a t e rt h e r m a lp r o p u l s i o ns y s t e m p a r t i c u l a r l yi nu n d e r w a t e rp r o p u l s i o na n dp o w e r o p e r a t i o n sb a s e do nt h e r m a lc o n v e r s i o n , s t r a t e g i e sr e q u i r et h a tb o t hf u e l 锄do 】( i d i z e rb c a v a i l a b l eo nd e m a n d ，s p e c i f i c a l l yt h a tw a t e rb eu s e da st h eo x i d i z e r 觚do i l l vt h e f u e lb e c a r d e dw i t ht h ec o n v e r s i o nd e v i c e a l u m i n u m w a t e rc o m b u s t i o nc a nb ea l s ou s e df o rs p a c e p r o p u l s l o ns y s t e m s s i n c ei ti sn o n t o x i ca n d t h e r e f o r ec o n s i d e r e d a s t g r e e n t h e r m o d y n a m i c a l l y ，s e v e r a lm e t a l sr e a c tw i t hw a t e rt op r o d u c ee x o t l l 锄l i cr e a c t i o n s t h e a l u m i n u m - w a t e rr e a c t i o ny i e l d s ，t h e o r e t i c a l l y ， o t h e rf u e lo x i d i z e rc o m b i n a t i o n s1 4 v e r yh i g he n e r g yd e n s i t y ，c o m p a r e dw i t hm a n y 1 2t h ec o m b u s t i o no fa l u m i n u mp o w d e rw i t hw a t e r t h ea l u m i n u m w a t e rr e a c t i o ni si m p o r t a n tt om a n y c o m b u s t i o na n de x p l o s i v es v s t e m s w h e na l u m i n u mb u m si nac o m p o s i t es o l i d p r o p e l l a n t ，t h ea lt y p i c a l l yr e a c t sw i t h c o m b u s t i o np r o d u c t so ft h ee n e r g e t i co x i d i z e ra n db i n d e r ，s u c ha sh 2 0a n dc 0 2 t h e c o m b u s t i o no fa 1w i t hs e a w a t e ri so fi n t e r e s tt ou n d e r w a t e rp r o p u l s i o n ，s i n c et h er e a c t i o ni s e x t r e m e l ye x o t h e r m i ca n dt h ew a t e r ( o x i d i z e r ) n e e dn o tb ec a r r i e do n b o a r d 【5 】s u c hr e a c t i o n h a sa l s ob e e np r o p o s e da sam e t h o dt o p r o d u c eh y d r o g e nf o rh i g h s p e e da i rb r e a t h i n g p r o p u l s i o n i na d d i t i o n ，t h ea 1 h 2 0r e a c t i o nh a sb e e ns t u d i e di nr e f e r e n c et on u c l e a r r e a c t o r 6 1 s a f e t ya n du n d e r w a t e re x p l o s i v e s a l u m i n u mr e a c t se x o t h e r m i c a l l yw i t ho x y g e n f o l l o w i n gt h er e a c t i o n 7 4 】： 2 a l ( s ) + 3 20 2 ( g ) a 1 2 0 3 ( g ) ( a h 。( 2 9 8 k ) = 一4 0 4 k c a l m 0 1 ) i na no x y g e na t m o s p h e r e ，a na l u m i n u mp a r t i c l ei sc o a t e d b yal a y e ro fa 1 2 0 3 t h u s i n o r d e rt oi g n i t ei t ，i ti sn e c e s s a r yt or a i s et h ep a r t i c l es u r f a c et e m p e r a t u r ea tl e a s to v e rt h e a 1 2 0 3m e l t i n gp o i n t ( 2 3 0 0 k ) ：t h i si sp a r to ft h es o c a l l e d “g l a s s r n a n sc r i t e r i o n ，i g n i t i o n d e l a yt i m e ，i nt h i sc a s e ，i se s s e n t i a l l yt h et i m en e e d e dt oh e a ta n dm e l tt h ea 1 2 0 3l a y e rs o 斌 0 2m a yd i f f u s et ot h ea 1s u r f a c e o n c ea lv a p o r i z e s ，k i n e t i c si sf a s ta n dn ol o n g e rc o i m o l sn 地 1 9 n i t i o np r o c e s s l o w e r i n gi g n i t i o nt e m p e r a t u r e so fa li sp o s s i b l eb yo x i d i z i n ga j 州i m m w i t hs t e a mf o l l o w i n gt h er e a c t i o n ： 2 a l ( s ) + 3 h 2 0 ( g ) ha 1 2 0 3 ( s ) + 3 h 2 ( a h 。( 2 9 8 k ) = - 2 3 0k c a l m 0 1 ) 2 i n t r o d u c t i o n i nas t e a ma t m o s p h e r e ，i nf a c t , a l u m i n u mp a r t i c l e sa r ec o v e r e db yal e s sp r o t e c t i v e h y d r o x i d el a y e r i n t h i sc a s e ；i g n i t i o n t e m p e r a t u r e d r o p st o 16 0 0 1 7 0 0 k , s h o r t e n i n g i g n i t i o nt i m e t l l i so p t i o ni sp a r t i c u l a r l ya t t r a c t i v ef o ru n d e r w a t e rp r o p u l s i o n , s i n c et h e o x i d i z e ri sp r o v i d e dd i r e c t l yb yt h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t ，r e d u c i n gt h eo n b o a r ds t o r a g e r e q u i r e m e n tb u to b t a i n i n gal o w e re n e r g yd e n s i t y ( i e t h e h of o rr e a c t i o n ( 2 ) i sl e s st h a nf o r r e a c t i o n ( 1 ) ) t 1 1 ec o m b u s t i o no fa 1w i t hw a t e ri sf u n d a m e n t a l l ya l li n t e r e s t i n gs y s t e m ，b e c a u s e w i t h o u tp r e h e a t , t h er e a c t i o ni sp r e d i c t e dt oo c c u ra sah e t e r o g e n e o u sp r o c e s si nc o n t r a s tt oa v a p o r i z a t i o np r o c e s sf o l l o w e db yag a s p h a s e r e a c t i o na st y p i c a l l yo c c u r sw h e na l u m i n u m r e a c t si na i r 9 - 11 1 p r e s s u r e 【m p a 】 f i g u r e1 1 ：a d i a b a t i cf l a m et e m p e r a t u r e so fa l u m i n u mc o m b u s t i o ni n s t o i c h i o m e t r i cm i x t u r e so fa i ra n dl i q u i dw a t e r f i g u r e ( i 1 ) s h o w st h e a d i a b a t i cf l a m et e m p e r a t u r e s o fs t o i c h i o m e t r i ca 1 a i ra n d a 1 l i q u i dw a t e ra l o n gw i t ht h ea 1v a p o r i z a t i o nt e m p e r a t u r ea saf u n c t i o no fp r e s s u r e a ss e e n f r o mt h ef i g u r e ，e x c e p ta ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ea n ds l i g h t l yh i g h e r , t h ef l a m et e m p e r a t u r eo f t h ea l l i q u i dw a t e rr e a c t i o ni sl o w e rt h a nt h ev a p o r i z a t i o nt e m p e r a t u r eo fa i ，s u g g e s t i n gt h a t c o m b u s t i o nm u s ti n i t i a l l yp r o c e e dt