固液火箭發動機推進劑組合能量特性分析①

吳俊峰，李新田，田 輝，曾 鵬，蔡國飆

(北京航空航天大學宇航學院，北京 100191)

0 引言

固液火箭發動機由于其自身的結構特征，使其具有經濟性好、安全性好、容易進行推力調節、易關機和重新啟動等優點。近年來，受到國內外學者的廣泛關注，并在探空火箭和亞軌道商業載人飛船等領域得到廣泛應用［1－6］。國外對固液火箭發動機開展了較全面的理論分析、數值仿真與試驗研究工作［6］。近年來，國內多家單位也開展了固液火箭發動機的大量研究［7－8］。固液火箭發動機推進劑的能量特性分析是合理選擇推進劑組合和進行發動機設計的前提。美國的Estey Paul N等對固液火箭發動機推進劑選擇方案進行了分析［9］，加拿大的Farbar E等對HTPB(端羥基聚丁二烯)中添加Mg、Al對性能的影響進行了研究［10］，意大利的DeLuca Luigi T對添加AlH3推進劑的性能進行了分析［11］，伊拉克的Einav Omry等分析了添加物AP對燃速的影響［12］。文獻大多主要分析單種添加劑或同種類型添加劑對推進劑性能的影響，研究其能量特性及燃速規律，但對不同類型添加劑之間的比較及他們之間相互作用的研究較少。

本文對固液火箭發動機中常用的燃料和氧化劑進行了總結，計算了最常用推進劑組合的能量特性;對于H2O2/HTPB基推進劑組合，選用常用的金屬氫化物、金屬、非金屬燃料及氧化劑添加劑，分析了不同添加物對發動機性能的影響，進行了單因素分析和正交試驗設計。對固液火箭發動機推進劑組合能量特性的分析可為推進劑的選擇提供參考，并為發動機設計及內彈道性能計算提供依據。

1 常用推進劑

固液火箭發動機同時使用固體和液體推進劑，通常典型的固液火箭發動機是采用固體燃料和液體氧化劑的火箭發動機，也稱為正方案式。反方案式則采用固體氧化劑和液體燃料。國內外固液火箭發動機的研究多針對正方案式開展，對反方案式的研究較少。

固液火箭發動機可供選用的推進劑種類較廣，組合較多。表1為固液火箭發動機中的常用燃料及其密度參數。

表1 常用燃料及其密度Table 1 Density of common fuels

常見的固體燃料主要為碳氫化合物，包括HTPB、PE(聚乙烯)、Paraffin和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等。除碳氫化合物外，其他燃料還包括金屬 Mg、Al、Li、Be，金屬氫化物 LiH、BeH2、AlH3、LiAlH4，及非金屬B、C等。碳氫化合物的是主要的燃料基體，易于生產，應用廣泛，但密度相對較低;金屬具有較高的密度和力學特性，常被用作添加劑;金氫化物的能量特性較高，但生產加工工藝復雜，工業化難度較大;非金屬常被用于增加推進劑密度和力學性能。對于反方案式發動機，液體燃料可采用渦噴發動機燃料JP-4。

表2所示為常用的氧化劑及其密度參數。液體氧化劑的選擇范圍較廣，液體火箭發動機中所使用的氧化劑大多可用于固液火箭發動機中。常用的液體氧化劑有 LOX(液氧)、H2O2、N2O、N2O4、HNO3、RFNA(紅發煙硝酸)、LF2(液氟)、FLOX(氟液氧混合劑)等。液氧和過氧化氫具有無毒無污染的特點，應用廣泛;氮氧化物、硝基化合物種類較多，但多數為有毒推進劑;氟具有極強的氧化性，能和絕大多數的元素化合，但由于存在使用安全等問題尚未獲大量實際應用。對于反方案式固液火箭發動機，常采用的固體氧化劑有AP、AN(硝酸銨)和NP(高氯酸硝酰)。由于固體氧化劑難以制造，通常需與惰性物質或少量燃料混合才易澆注成型，而惰性物質會降低其性能，加入燃料則增加了其危險性，這也是反方案式固液火箭發動機使用較少的主要原因。由于固液火箭發動機燃料燃速較低，少量的固體氧化劑(如AP)也通常被添加在固體燃料中，以增加其燃速［12］。

表2 常用氧化劑及其密度Table 2 Density of common oxidizers

2 主要組合性能

近年來，隨著無毒無污染推進劑概念的提出，人們在推進劑的選擇上傾向于綠色環保型。在固液火箭發動機的實際應用中，被廣泛使用的固體燃料主要有HTPB、Paraffin和PE，液體氧化劑主要有H2O2、LOX和N2O。這些燃料和氧化劑反應的主要產物為CO2、H2O和N2等，具有綠色環保特性。對上述幾種氧化劑和燃料分別組合，計算發動機的理論性能參數，分析推進劑的能量特性。計算條件取燃燒室壓強為2 MPa，噴管擴張比為60，文中后續計算條件也與此相同。

表征推進劑組合能量特性的參數有燃燒溫度、特征速度、燃氣平均分子量、真空比沖和密度比沖等。燃燒溫度反映推進劑燃燒所釋放能量的大小，特征速度反映了燃燒產物的熱力學性質，燃氣平均分子量會影響發動機出口噴氣速度。真空比沖受燃燒溫度、特征速度、燃氣平均分子量和噴管擴張比的影響，是燃燒過程和膨脹過程的綜合表征，也是發動機設計過程中最為關心的參數。此外，推進劑的平均密度直接影響發動機的體積和結構質量，密度比沖也是需考慮的主要參數。因此，在不同推進劑配方性能比較時，選用發動機真空比沖和密度比沖作為分析參數。

圖1為不同推進劑組合的真空比沖隨氧燃比變化曲線，圖2為密度比沖隨氧燃比變化曲線。

從圖1和圖2可知，對于同種氧化劑，HTPB、Paraffin和PE 3種燃料分別與氧化劑組合后的比沖隨氧燃比變化曲線的趨勢基本相似，最佳氧燃比的位置也較為接近，說明他們的能量性能相當;同時，3種燃料的密度也相差不大。因此，密度比沖隨氧燃比變化的趨勢也十分相似。對不同的氧化劑，LOX組合的最佳氧燃比值最小，最大真空比沖在3種氧化劑中最大，同時隨著氧燃比與最佳氧燃比的偏離，真空比沖下降速度較快;98%H2O2組合的最佳氧燃比和最大真空比沖介于LOX和N2O之間，但由于98%H2O2密度較高，其與3種燃料組合的密度比沖在各種配方中最大;N2O組合最佳氧燃比最大，最大比沖最低，同時N2O密度較小，因此對應的密度比沖也最低。

根據推進劑物理性質的不同，使其應用呈現不同的特點。對于固體燃料，HTPB生產成本低，且易在其中添加其他燃料成分，改善其力學性能和能量特性，在研究中使用廣泛;Paraffin熔點低，可用于高燃速固液火箭發動機燃料;PE在工業中應用較廣，且藥柱可直接機加成型，也被研究者廣泛使用。對于液體氧化劑，98%H2O2對應的密度比沖最高，且常溫下易貯存，在實際中得到廣泛應用;LOX對應的真空比沖最高，但其常溫下不易貯存，使用和維護較繁瑣，多用于大型發動機;N2O能量特性較低，但其飽和蒸氣壓很高，自增壓特性好，應用也較廣。本文選用98%H2O2/HTPB基推進劑組合，進一步對能量特性進行分析。

3 燃料配方能量特性分析

3.1 添加物對燃料性能影響

HTPB燃料松弛模量較小，為提高其力學性能和能量特性，常在配方中加入一定量的其他組分［10，13－16］。對98%H2O2/HTPB基推進劑組合，通過熱力計算分析常用添加物及其含量對性能的影響。在常用的金屬氫化物、金屬、非金屬燃料及氧化劑中，選用AlH3、Al、B、AP 4種添加物，分析單組分含量對發動機性能的影響，添加量從0% ～15%取4個水平。

圖3為添加物對最佳氧燃比的影響。由圖3可知，隨添加物質量分數的增加，最佳氧燃比的值不斷降低，其中AP對最佳氧燃比的影響最為顯著。發動機設計中，通常將平均氧燃比設定在最佳氧燃比附近，以獲得較高的比沖性能。因此，推進劑組合最佳氧燃比的大小會影響發動機設計時氧化劑和燃料的分配比例，最佳氧燃比較高時，氧化劑質量較大。

圖4為添加物對最佳氧燃比對應的真空比沖的影響。由圖4可知，添加物AlH3、Al和B對真空比沖具有增加作用。AlH3對真空比沖的增加作用最大，與純HTPB相比，AlH3含量為15%時真空比沖提高1.19%。而AP的添加反而使真空比沖略有降低，氧化劑AP混合在固體燃料中，可起到提高燃速的作用。

圖5為添加物對密度比沖的影響。由圖5可知，4種添加物均對密度比沖有增加作用。雖然添加物含量的提高使得最佳氧燃比減小，從而使得密度較高的98%H2O2在推進劑組合中的比例降低，但添加物本身密度較高，且大多對比沖有增加作用，綜合作用下最終使密度比沖提高。其中Al對密度比沖的影響最大，和純HTPB相比，Al含量為15%時密度比沖提高2.03%。AP的添加對密度比沖略有提高，但作用不明顯。

3.2 燃料配方正交試驗設計

對HTPB燃料中加入添加物AlH3、Al、B和AP對性能的影響進行正交試驗設計，分析多種添加物的影響作用。影響因素為AlH3、Al、B和AP添加物的質量分數，添加量從0% ～15%取四水平，采用L16(45)五因素四水平正交表，留置一空列。表頭設計如表3所示，因素水平如表4如示，計算分析不同設計方案對發動機真空比沖和密度比沖的影響。

表3 表頭設計Table 3 Design of table head

表4 因素水平Table 4 Table of factor levels %

表5為真空比沖計算結果的分析，圖6為真空比沖變化趨勢。表5中，ki表示任一列上因素取水平i時所得試驗結果的算術平均值，R=max{k1，k2，k3，k4}－min{k1，k2，k3，k4}極差 。從表 5 和圖 6 可知，隨著Al、AlH3和B含量的增加，比沖增大，且AlH3對比沖的增加作用最明顯，Al次之;氧化劑AP的添加反而使真空比沖略為降低。圖6中，多因素作用下真空比沖的變化趨勢與單因素分析時的變化趨勢一致。同時，表5中空列的極差較小，均說明各因素間的交互作用不大。

表5 真空比沖結果分析Table 5 Result analysis of vacuum specific impulse

表6為密度比沖計算結果的分析，圖7為密度比沖變化趨勢。

表6 密度比沖結果分析Table 6 Result analysis of density specific impulse

從圖7和表6可知，隨著4種添加物含量的增加，密度比沖均增加;其中，Al由于密度最高，且其含量對比沖的影響作用明顯，使得其對密度比沖的增加作用最為顯著。AlH3和B對密度比沖的影響比Al略低。AP的增加雖然使比沖略減小，但其密度較大，從而對密度比沖有一定的增加作用。圖7中，多因素作用下密度比沖的變化趨勢也與單因素分析時的趨勢一致。同時，表6中空列的極差較小，均說明各因素間的交互作用不大。

4 結論

(1)固液火箭發動機可供選擇的推進劑范圍較廣，各種類較多，通過對常用氧化劑 H2O2、LOX、N2O和燃料HTPB、Paraffin、PE組合的能量特性計算表明，HTPB、Paraffin和PE分別與同種氧化劑組合后的能量特性較為接近，LOX推進劑對應的真空比沖最高，98%H2O2推進劑對應的密度比沖最高;

(2)添加物對HTPB基燃料影響的單因素分析和正交試驗設計表明，在其中加入Al、AlH3、AP和B均會減小發動機的最佳氧燃比，AlH3對真空比沖的提高作用最顯著，Al對密度比沖的提高作用最顯著，Al、AlH3、AP和B之間的交互影響作用不太明顯。

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