專利名稱：以實(shí)驗(yàn)為約束的富燃料推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物熱力學(xué)確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃燒測試技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種以實(shí)驗(yàn)為約束的富燃料推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物熱力學(xué)確定方法，用于富燃料推進(jìn)劑的一次燃燒產(chǎn)物確定，為二次燃燒的研究提供初始參數(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中，一般推進(jìn)劑的燃燒溫度及燃燒產(chǎn)物及熱力學(xué)特性參數(shù)的預(yù)估是通過熱力計(jì)算(GJB)獲得，其基本原理:燃燒產(chǎn)物的成分首先決定于推進(jìn)劑的成分，不論燃燒過程怎樣，生成何種產(chǎn)物，根據(jù)質(zhì)量守恒，燃燒前后各元素的摩爾原子總數(shù)相等，可建立一組質(zhì)量守恒方程；燃燒產(chǎn)物的成分還與壓強(qiáng)和溫度有關(guān)，改變溫度與壓強(qiáng)，燃燒產(chǎn)物的化學(xué)平衡狀態(tài)隨之變化，產(chǎn)物的成分也將發(fā)生變化，所以燃燒產(chǎn)物的成分還與化學(xué)平衡有關(guān)。于是可以利用化學(xué)平衡的概念建立一組化學(xué)平衡方程(平衡常數(shù)法)，或者是根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)下系統(tǒng)自由能為最小值的條件建立一組平衡組分應(yīng)當(dāng)滿足的方程(最小自由能法)。選用適當(dāng)?shù)姆椒ń庖陨戏匠叹涂梢郧蟪鲞x定溫度和壓強(qiáng)下的燃燒產(chǎn)物成分。若指定不同的溫度進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，就可 以得出成分隨溫度而變化的關(guān)系。再利用能量守恒定律，即推進(jìn)劑的總焓(化學(xué)能+熱焓)等于燃燒產(chǎn)物的總焓，確定燃燒產(chǎn)物的溫度。故“質(zhì)量守恒”、“化學(xué)平衡(自由能最小)”和“能量守恒”是確定一般推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物的三組控制方程。但是富燃料推進(jìn)劑，如含硼富燃料推進(jìn)劑氧化劑含量低，為20 40% (—般推進(jìn)劑的氧化劑含量為60 80%)，在燃?xì)獍l(fā)生器中一次燃燒時(shí)，燃燒產(chǎn)物中含有大量可燃物和中間反應(yīng)物，并且凝相物含量很高。此外有些金屬(如硼、鋁和碳粒)有可能達(dá)不到著火溫度，它們在一次燃燒過程中只有部分參與化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后的體系是一個(gè)非化學(xué)平衡體系。具體體現(xiàn)在:非化學(xué)平衡體系，其燃燒產(chǎn)物除由推進(jìn)劑配方?jīng)Q定外，還會受到工藝過程的影響，而化學(xué)平衡計(jì)算則不能反映這一影響結(jié)果。例如，各組分含量相同的條件下(假定化學(xué)式相同)，含硼富燃料推進(jìn)劑中的硼經(jīng)AP包覆的配方比沒有包覆配方的爆熱(實(shí)驗(yàn)值)要高約5%。相同壓強(qiáng)下的絕熱火焰溫度也不同。一般推進(jìn)劑，如果配方給定，既假定化學(xué)式給定，則通過熱力計(jì)算得到一定壓強(qiáng)下的燃燒狀態(tài)(絕熱火焰溫度和產(chǎn)物組成及含量)是一定的，也是唯一的。而含硼富燃料推進(jìn)劑等富燃料推進(jìn)劑的制藥工藝和以及調(diào)節(jié)燃燒性能的目的，硼粉通常要進(jìn)行包覆和團(tuán)聚后加入推進(jìn)劑藥漿，硼粉的處理工藝影響推進(jìn)劑的燃燒性能，這就造成配方相同(假定化學(xué)式相同)的推進(jìn)劑在給定壓強(qiáng)下的燃燒后的狀態(tài)不同，為了確定這種燃燒狀態(tài)以及燃燒產(chǎn)物，原有的熱力計(jì)算已不再使用。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)毛成立博士、姚娜碩士和航天四院鄭凱斌均發(fā)表了有關(guān)含硼富燃料推進(jìn)劑非平衡熱力計(jì)算的理論模型，認(rèn)為:富燃料推進(jìn)劑燃燒后的物質(zhì)由燃燒產(chǎn)物和燃燒剩余物組成；參與反應(yīng)的燃燒產(chǎn)物子系統(tǒng)處于化學(xué)平衡狀態(tài)；燃燒產(chǎn)物和未參與反應(yīng)的硼處于溫度平衡狀態(tài)。這種處理相對于70年代在該問題上處理已經(jīng)有了一些進(jìn)步，首先，采用工程的方法避開了計(jì)算的復(fù)雜性。主要表現(xiàn)在參與反應(yīng)物的比例fi的應(yīng)用上。引Afi (參與反應(yīng)硼的比例)后，就把復(fù)雜的計(jì)算工作轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚目烧{(diào)參數(shù)的確定上，fi的值是以同類富燃料推進(jìn)劑的一次燃燒結(jié)果為依據(jù)，憑借計(jì)算者的一定經(jīng)驗(yàn)來確定，在計(jì)算過程中直接由計(jì)算者給定，雖然這一處理會降低計(jì)算精度，但仍然能滿足計(jì)算結(jié)果的應(yīng)用要求。燃燒溫度是一次燃燒熱力計(jì)算最重要的參數(shù)，因?yàn)樗鼜?qiáng)烈地影響二次補(bǔ)燃效率，因此把它作為評價(jià)推進(jìn)劑配方合理性的重要判據(jù)；硼在一次燃燒過程中參與反應(yīng)的比例也會影響一次燃燒溫度的高低，參與反應(yīng)的硼越多，則燃溫越高，但由于硼燃燒困難，一般認(rèn)為在高含硼量的富燃料推進(jìn)劑中硼參與反應(yīng)的比例不會高于20%，如果一次燃溫能達(dá)到或接近硼粒子點(diǎn)火溫度(1900K)時(shí)，參與反應(yīng)的硼的比例小于20%，則認(rèn)為該配方是合理的。因此，含硼富燃料推進(jìn)劑一次燃燒熱力計(jì)算的主要任務(wù)是計(jì)算參與反應(yīng)的硼的比例與燃溫的關(guān)系，從這一方面來看，上述工程計(jì)算方法具有一定的可取性。其次，全面考慮了燃燒產(chǎn)物，充分利用了非平衡過程的特點(diǎn)。由化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)可知，在燃燒過程中體系的吉布斯自由能是在不斷減小的，對于已燃產(chǎn)物而言，由它們組成的子體系的吉布斯自由能已經(jīng)達(dá)到最小，所以對該子體系可以應(yīng)用化學(xué)平衡方程計(jì)算各組分的摩爾數(shù)。但是該方法同時(shí)還存在一些缺陷，首先，未參與反應(yīng)的硼是依經(jīng)驗(yàn)而確定，帶有一定的主觀性，其次，對已燃產(chǎn)物而言，組成的子體系的吉布斯自由能已經(jīng)到達(dá)最小，它們之間不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在一個(gè)體系中，把非平衡燃燒處理成子系統(tǒng)平衡也沒有依據(jù)，這必然會給計(jì)算結(jié)果帶來誤差。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種以實(shí)驗(yàn)為約束的富燃料推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物熱力學(xué)確定方法，能夠解決推進(jìn)劑非平衡燃燒產(chǎn)物的確定問題。技術(shù)方案 本發(fā)明以實(shí)測一定壓強(qiáng)下的燃燒溫度為約束，建立有條件的燃燒產(chǎn)物自由能最小的動態(tài)規(guī)劃計(jì)算方法，確定實(shí)質(zhì)為非平衡燃燒的推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物。本發(fā)明的技術(shù)方案為:所述一種以實(shí)驗(yàn)為約束的富燃料推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物熱力學(xué)確定方法，其特征在于:采用以下步驟:步驟1:實(shí)驗(yàn)測量富燃料推進(jìn)劑的絕熱火焰溫度T ；步驟2:根據(jù)富燃料推進(jìn)劑配方，計(jì)算富燃料推進(jìn)劑的假定化學(xué)式，建立各元素守恒方程:
權(quán)利要求
1.一種以實(shí)驗(yàn)為約束的富燃料推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物熱力學(xué)確定方法，其特征在于:采用以下步驟: 步驟1:實(shí)驗(yàn)測量富燃料推進(jìn)劑的絕熱火焰溫度T ； 步驟2:根據(jù)富燃料推進(jìn)劑配方，計(jì)算富燃料推進(jìn)劑的假定化學(xué)式，建立各元素守恒方程:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種以實(shí)驗(yàn)為約束的富燃料推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物熱力學(xué)確定方法，其特征在于:實(shí)驗(yàn)測量富燃料推進(jìn)劑的絕熱火焰溫度的方法為: 步驟1.1:制作若干燃燒端面尺寸逐步增大的推進(jìn)劑藥條，將熱電偶呈V字型埋設(shè)在推進(jìn)劑藥條中，且V字型尖頭方向朝向推進(jìn)劑藥條燃燒端面； 步驟1.2:將若干推進(jìn)劑藥條燃燒，通過熱電偶測量各個(gè)推進(jìn)劑藥條燃燒的氣相溫度；取隨燃燒端面尺寸增大，氣相溫度保持不變時(shí)，對應(yīng)的氣相溫度為富燃料推進(jìn)劑的絕熱火焰溫度。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種以實(shí)驗(yàn)為約束的富燃料推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物熱力學(xué)確定方法，通過實(shí)驗(yàn)測得推進(jìn)劑在一定壓強(qiáng)下的絕熱火焰溫度；根據(jù)推進(jìn)劑配方，寫出其假定化學(xué)式，建立各元素守恒(質(zhì)量守恒)方程；根據(jù)推進(jìn)劑配方，推進(jìn)劑各組元的原料焓，以及燃燒產(chǎn)物各組分在絕熱火焰溫度時(shí)的生產(chǎn)焓，建立能量守恒方程；以燃燒產(chǎn)物各組分含量為變量建立燃燒產(chǎn)物自由能函數(shù)，以質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程為約束，求燃燒產(chǎn)物自由能函數(shù)的最小值，從而得出燃燒產(chǎn)物各個(gè)組分的含量。能夠解決推進(jìn)劑非平衡燃燒產(chǎn)物的確定問題。
文檔編號G01N31/12GK103235083SQ20131014131
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者王英紅, 劉林林, 王澤旭, 肖連義 申請人:西北工業(yè)大學(xué)