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铝—冰固体推进剂燃烧性能研究

作　者: 韩秀杰
导　师: 王革
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 低温铝—冰固体推进剂热力计算燃速
分类号: V512
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

固体火箭发动机结构简单且推重比大，常用于火箭的助推级。而长期的深空探测和载人航天任务需要更高性能的推进剂。纳米铝粉是一种高能量水平的金属燃料，且目前已经解决了持续燃烧问题，其用于火箭推进剂是绿色火箭推进的一个发展方向。纳米铝的燃烧组织形式可以是铝/水或铝-冰固体推进剂。铝/水燃烧系统已经被证实在深空推进方面具有很大潜力。铝-冰固体推进剂是低温固体推进剂的一种。作为一种绿色燃料不但具有结构简单，安全性高和高比冲的优点，而且成本还有望进一步降低，具有潜在的应用价值。本文利用最小自由能法，对不同氧燃比条件下的铝-冰固体推进剂进行热力计算，给出其能量特性。然后，建立铝-冰固体推进剂表面燃烧区导热数理模型并对其温度场进行数值模拟，进一步铝-冰固体推进剂的燃速特性。同时还研究了铝-冰固体推进剂的导热系数和比热采用三种不同平均方法时，燃速的变化规律。三种平均方法分别为质量平均、体积平均和调和平均。进而全面评价铝-冰固体推进剂的性能，为铝-冰固体推进剂的实际应用提供理论依据。主要结论如下：1.通过热力计算发现，燃烧室和喷管的平衡组分主要是H₂和Al₂O₃，其中Al2O3占75%以上。燃烧室的定压燃烧温度、比冲和推力系数等理论性能参数变化规律相同，均随氧燃比的增加而呈下降的趋势。计算结果表明，铝-冰固体推进剂是一种高能量水平的推进剂，其比冲可达3300m/s，是一种很有应用潜力的推进剂。2．计算结果表明，铝-冰固体推进剂的燃速随着初温的升高而增大，且在273.15K时出现温度的大幅度上升，但其随氧燃比的增加而减小。从铝-冰固体推进剂导热系数和比热采用三种不同平均方法时燃速的变化规律可以看出，推进剂的导热系数和比热对燃速的影响非常大。因此，对采用合理的计算方法非常重要。这里建议对铝-冰固体推进剂的导热系数和比热采用铝和冰相应值的体积平均进行计算。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-21
  1.1 选题的背景及意义  10
  1.2 低温固体推进剂  10-12
  1.3 铝-冰固体推进剂  12-13
  1.4 国内外研究进展  13-20
    1.4.1 低温固体推进剂的研究进展  13-14
    1.4.2 早期的铝/水反应和铝-冰固体推进剂的研究进展  14-18
    1.4.3 纳米铝粉的研究进展  18-20
  1.5 本论文的主要研究内容  20-21
第2章固体火箭发动机热力计算  21-45
  2.1 推进剂假定化学式  21-24
  2.2 计算燃烧室平衡组份的最小自由能法  24-34
    2.2.1 质量守恒方程  25
    2.2.2 吉布斯（Gibbs）自由能  25-29
    2.2.3 吉布斯自由能方程的求解  29-32
    2.2.4 最小自由能法的计算步骤  32-34
  2.3 计算燃烧室定压燃烧温度的能量守恒方程  34-37
  2.4 燃烧室中燃烧产物热力计算  37-39
    2.4.1 燃烧产物定压燃烧温度的确定  37
    2.4.2 燃烧室中其它热力参数的计算  37-39
  2.5 喷管膨胀过程的热力计算  39-43
    2.5.1 平衡流动和冻结流动  39-40
    2.5.2 喷管中平衡流的热力计算  40-41
    2.5.3 喷管中冻结流的热力计算  41-43
  2.6 固体火箭发动机理论性能参数计算  43-44
  2.7 本章小结  44-45
第3章铝—冰固体推进剂燃烧区数理模型  45-58
  3.1 燃烧区一维导热微分方程的离散化  45-51
    3.1.1 内点的离散化  46-49
    3.1.2 边界节点的离散化  49-51
  3.2 解三对角方程组的 TDMA 算法  51-54
  3.3 铝-冰一维导热微分方程的求解流程  54-55
  3.4 燃速的推导  55-56
  3.5 本章小结  56-58
第4章铝-冰固体推进剂能量特性计算  58-78
  4.1 铝-冰固体推进剂燃烧室及喷管热力计算  58-65
    4.1.1 热力计算程序简介  58
    4.1.2 初始条件  58-59
    4.1.3 热力计算结果及分析  59-65
  4.2 铝-冰一维导热微分方程计算结果及分析  65-70
  4.3 铝-冰固体推进剂燃速计算结果及分析  70-77
    4.3.1 初温对燃速的影响  72-74
    4.3.2 氧燃比对燃速的影响  74-75
    4.3.3 导热系数对燃速的影响  75-76
    4.3.4 比热对燃速的影响  76-77
  4.4 本章小结  77-78
结论与展望  78-80
  1．结论  78-79
  2．展望  79-80
参考文献  80-87
致谢  87

铝—冰固体推进剂燃烧性能研究

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