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生物質(zhì)燃燒機(jī)法測高壓下推進(jìn)劑燃速研究
摘要：介紹了生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試高壓下推進(jìn)劑燃速特性的基本原理，分析了影響測試精度的各因素，并從實(shí)驗(yàn)上對生物質(zhì)燃燒機(jī)法中的散熱損失進(jìn)行修正-將測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差提高到1%。生物質(zhì)燃燒機(jī)法一次測試可測出全部壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速，可成為高壓高燃推進(jìn)劑研制的有效工具。
1引 言
隨著新型火箭、導(dǎo)彈武器和高強(qiáng)度材料的發(fā)展，對固體推進(jìn)劑提出了高燃速及高壓強(qiáng)下穩(wěn)定工作的新要求。如動能攔截器用的脈沖發(fā)動機(jī)、反坦克彈、高裝填系數(shù)的單室雙推火箭發(fā)動機(jī)等，發(fā)動機(jī)工作壓強(qiáng)均在lOMPa以上，其使用的推進(jìn)劑燃速也高達(dá)50～250 mm．s'1。提高固體火箭發(fā)動機(jī)工作壓強(qiáng)是目前世界各國為提高火箭發(fā)動機(jī)比沖而采取的重要技術(shù)途徑。
但是，高壓強(qiáng)下固體推進(jìn)劑燃速特性不同于一般工作匪強(qiáng)下的燃速特性，某些固體推進(jìn)劑在高壓下，燃速特性出現(xiàn)突變現(xiàn)象¨司。高壓下其燃速一壓強(qiáng)關(guān)系出現(xiàn)拐點(diǎn)。
為正確進(jìn)行發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道設(shè)計(jì)，必須知道所選用的推進(jìn)劑在不同壓強(qiáng)下的燃速特性。因此尋求一種簡單、可靠、高精度的測試高壓強(qiáng)下高燃速推進(jìn)劑燃速特性的方法顯得非常重要。
本文首先分析目前測試固體推進(jìn)劑高壓強(qiáng)下燃速特性的各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)；然后詳細(xì)分析生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試原理，分析影響生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試精度的各種原因。
2高壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速測試方法選擇
目前測試固體推進(jìn)劑燃速特性的方法主要有：靶線法、聲發(fā)肘法、密閉爆發(fā)器法、生物質(zhì)燃燒機(jī)法。靶線法、聲發(fā)射法、密閉爆發(fā)器法的測試精度目前都己達(dá)到了2%，是常用的三種測試方法，但這三種方法存在如下不足：(1) -次測試只能測出一個壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速；(2)它們可測的最大壓強(qiáng)一般不大于25 MPa(3)假如推進(jìn)劑燃速特性出現(xiàn)突變，使用此三種方法測試時，測試推進(jìn)劑有限點(diǎn)的燃速很難真實(shí)反應(yīng)推進(jìn)劑在較寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)燃速特性。
生物質(zhì)燃燒機(jī)法通過推進(jìn)劑在密閉容器中燃燒，測試容器內(nèi)壓強(qiáng)與時間變化關(guān)系，并根據(jù)燃燒過程動態(tài)燃燒模型，推導(dǎo)出推進(jìn)劑的燃速表達(dá)式，再通過數(shù)據(jù)處理得到不同壓強(qiáng)下的推進(jìn)劑燃速特性參數(shù)。這種方法可測試的壓強(qiáng)高達(dá)80 MPa而且通過一次測試就可得出推進(jìn)劑在全部壓強(qiáng)下的燃速。
考慮到高壓強(qiáng)下固體推進(jìn)劑燃速特性有可能出現(xiàn)拐點(diǎn)，為詳細(xì)、正確了解高燃速推進(jìn)劑在高壓強(qiáng)下的燃速特性（找出拐點(diǎn)），我們必須測試推進(jìn)劑在連續(xù)壓強(qiáng)下的燃速。如果采用靶線法、聲發(fā)射法和密閉爆發(fā)器法，測試精度高，但是，需要測試的數(shù)據(jù)多，工作量大；而生物質(zhì)燃燒機(jī)法通過一次測試就可以得出不同壓強(qiáng)下190推進(jìn)劑的燃速，操作簡單，具有很大的實(shí)用性。
3生物質(zhì)燃燒機(jī)法分析
3 1測試原理
生物質(zhì)燃燒機(jī)法的基本原理是利用壓強(qiáng)_時間曲線換算成壓強(qiáng)一肉厚曲線，再計(jì)算出壓強(qiáng)一燃速曲線。
在生物質(zhì)燃燒機(jī)中點(diǎn)燃幾何尺寸、質(zhì)量（Wp）、燃?xì)馄骄鄬Ψ肿淤|(zhì)量（Mg）已知的固體推進(jìn)劑試樣。隨著燃燒的進(jìn)伉燃燒器中的燃?xì)鈮簭?qiáng)不斷增加，通過壓強(qiáng)傳感器記錄下p f曲線。假定試樣的燃面被同時引燃，且燃燒服從平行層燃燒規(guī)律。記錄下的p-f曲線上任一時刻≠所對應(yīng)的鼽與該時燃燒掉推進(jìn)劑量形。可表示成下列關(guān)系式：
3 2測試精度影響因素分析
從生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試原理分析可知，影響密閉燃燒器法測試精度的因素主要有如下三方面：
(1)推進(jìn)劑試樣尺寸的規(guī)整性。在計(jì)算試樣燃面變化時，假定推進(jìn)劑燃燒服從平行層燃燒規(guī)律，故燃面變化實(shí)際上是推進(jìn)劑尺寸變化因此，推進(jìn)劑尺寸是否規(guī)敕，關(guān)系到燃面計(jì)算的正確與否。在制作推進(jìn)劑試樣日寸，必須盡量保證試樣尺寸的規(guī)整性。
(2)因?yàn)樯镔|(zhì)燃燒機(jī)的壓強(qiáng)由推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的氣體填充而產(chǎn)生，因此只要知道每千克推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生多少摩爾氣體，就可由壓強(qiáng)推算出推進(jìn)劑燃燒消耗的質(zhì)量。因此燃?xì)馄骄鄬Ψ肿淤|(zhì)量M。非常關(guān)鍵，它的正確性也非常重要。
(3)生物質(zhì)燃燒機(jī)容器的散熱損失。雖然密閉燃燒器工作時間很短，但是因?yàn)樯釗p失而造成的壓力損失非常大，低壓下甚至達(dá)300。因此散熱損失修正是生物質(zhì)燃燒機(jī)法測推進(jìn)劑燃速的關(guān)鍵技術(shù)。
上述三個影響因素中：推進(jìn)劑試樣尺寸的規(guī)整性可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)刀具來解決；推進(jìn)劑不同壓強(qiáng)下的燃?xì)馄骄鄬Ψ肿淤|(zhì)量M。是通過熱力計(jì)算來獲得的，提高熱力計(jì)算程序的準(zhǔn)確性可提高密閉燃燒囂的測試精度；最難以解決的是生物質(zhì)燃燒機(jī)工作過程中的散熱損失修正。
3 3散熱損失修正
目前生物質(zhì)燃燒機(jī)法的散熱損失修正方法主要有：
(1)平均熱損失修正方法。此方法認(rèn)為推進(jìn)劑試樣在燃燒過程中熱損失率是不變的，把總的熱損失量除以試樣的燃燒時間，然后平均分配到整個燃燒過程。試驗(yàn)表明：用這種簡單的方法修正，誤差很大，與實(shí)際情況相差太遠(yuǎn)。
(2)反推式熱損失修正方法。這種熱損失修正方法是利用推進(jìn)劑試樣燃燒結(jié)束后的壓強(qiáng)下降段的熱損失來模擬相對應(yīng)的壓強(qiáng)上升段的熱損失。這種方法實(shí)際計(jì)算出來的結(jié)果與理論值的誤差比較大。
(3)傳熱計(jì)算的熱損失修正方法。此方法考慮了燃?xì)獾妮椛鋼Q熱及對流換熱對熱損的影響。這種方法理論上很完善，但是目前我們無法得到真正的理論計(jì)算模型，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值出現(xiàn)很大的偏差。
(4)實(shí)驗(yàn)校正法。本方法是利用試驗(yàn)校正結(jié)果來修正生物質(zhì)燃燒機(jī)散熱損失的一種方法，由于修正直接來源于試驗(yàn)，因此能真實(shí)反映生物質(zhì)燃燒機(jī)的工作狀態(tài)，具有非常高的準(zhǔn)確性。
通過大量的對比試驗(yàn)，本文認(rèn)為前面三種散熱修正方法都不是很精確，誤差較大。因此提出依托于試驗(yàn)標(biāo)定的綜合測定熱損失修正法，主要是對3 1節(jié)的兀進(jìn)行校正。
在生物質(zhì)燃燒機(jī)中點(diǎn)燃一蛺已知質(zhì)量的試樣，測出燃燒結(jié)束時的最大壓強(qiáng)，pV =WpRg兀，因pⅣWp，Rg己知，可求出實(shí)際的定容爆溫%與理論計(jì)算（熱力計(jì)算所得兀）定容爆溫比較，得兀-L一AT。用
AT∥)×iooO表示熱損失大小。因?yàn)樗袑?shí)驗(yàn)都第3期胡松啟等：生物質(zhì)燃燒機(jī)法測高壓下推進(jìn)劑燃速研究
191是在同一生物質(zhì)燃燒機(jī)中進(jìn)行的，燃燒器熱損失和內(nèi)表面對熱損失的影響可以相互抵消。
本文曾通過實(shí)驗(yàn)，定量地確定了推進(jìn)劑藥量大小、推進(jìn)劑爆溫、熱釋放率燃燒時間等因素對熱損失的影響舊，研究認(rèn)為：熱釋放率降低、燃燒時間增加、推進(jìn)劑爆溫越高，則熱損失越大。在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文提出綜合測定熱損失修正法對L進(jìn)行校正，大大提高生物質(zhì)燃燒機(jī)的測試平行誤差。
4結(jié)論
生物質(zhì)燃燒機(jī)法一次測試可測出全部壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速，可用于研究推進(jìn)劑在較寬范圍內(nèi)燃燒性能。本文于基于大量試驗(yàn)與理論分市斤，提出綜合測定熱損失修正注，對測試過程中熱損失進(jìn)行修正，將生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降低到1%。
摘要：介紹了生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試高壓下推進(jìn)劑燃速特性的基本原理，分析了影響測試精度的各因素，并從實(shí)驗(yàn)上對生物質(zhì)燃燒機(jī)法中的散熱損失進(jìn)行修正-將測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差提高到1%。生物質(zhì)燃燒機(jī)法一次測試可測出全部壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速，可成為高壓高燃推進(jìn)劑研制的有效工具。
1引 言
隨著新型火箭、導(dǎo)彈武器和高強(qiáng)度材料的發(fā)展，對固體推進(jìn)劑提出了高燃速及高壓強(qiáng)下穩(wěn)定工作的新要求。如動能攔截器用的脈沖發(fā)動機(jī)、反坦克彈、高裝填系數(shù)的單室雙推火箭發(fā)動機(jī)等，發(fā)動機(jī)工作壓強(qiáng)均在lOMPa以上，其使用的推進(jìn)劑燃速也高達(dá)50～250 mm．s'1。提高固體火箭發(fā)動機(jī)工作壓強(qiáng)是目前世界各國為提高火箭發(fā)動機(jī)比沖而采取的重要技術(shù)途徑。
但是，高壓強(qiáng)下固體推進(jìn)劑燃速特性不同于一般工作匪強(qiáng)下的燃速特性，某些固體推進(jìn)劑在高壓下，燃速特性出現(xiàn)突變現(xiàn)象¨司。高壓下其燃速一壓強(qiáng)關(guān)系出現(xiàn)拐點(diǎn)。
為正確進(jìn)行發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道設(shè)計(jì)，必須知道所選用的推進(jìn)劑在不同壓強(qiáng)下的燃速特性。因此尋求一種簡單、可靠、高精度的測試高壓強(qiáng)下高燃速推進(jìn)劑燃速特性的方法顯得非常重要。
本文首先分析目前測試固體推進(jìn)劑高壓強(qiáng)下燃速特性的各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)；然后詳細(xì)分析生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試原理，分析影響生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試精度的各種原因。
2高壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速測試方法選擇
目前測試固體推進(jìn)劑燃速特性的方法主要有：靶線法、聲發(fā)肘法、密閉爆發(fā)器法、生物質(zhì)燃燒機(jī)法。靶線法、聲發(fā)射法、密閉爆發(fā)器法的測試精度目前都己達(dá)到了2%，是常用的三種測試方法，但這三種方法存在如下不足：(1) -次測試只能測出一個壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速；(2)它們可測的最大壓強(qiáng)一般不大于25 MPa(3)假如推進(jìn)劑燃速特性出現(xiàn)突變，使用此三種方法測試時，測試推進(jìn)劑有限點(diǎn)的燃速很難真實(shí)反應(yīng)推進(jìn)劑在較寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)燃速特性。
生物質(zhì)燃燒機(jī)法通過推進(jìn)劑在密閉容器中燃燒，測試容器內(nèi)壓強(qiáng)與時間變化關(guān)系，并根據(jù)燃燒過程動態(tài)燃燒模型，推導(dǎo)出推進(jìn)劑的燃速表達(dá)式，再通過數(shù)據(jù)處理得到不同壓強(qiáng)下的推進(jìn)劑燃速特性參數(shù)。這種方法可測試的壓強(qiáng)高達(dá)80 MPa而且通過一次測試就可得出推進(jìn)劑在全部壓強(qiáng)下的燃速。
考慮到高壓強(qiáng)下固體推進(jìn)劑燃速特性有可能出現(xiàn)拐點(diǎn)，為詳細(xì)、正確了解高燃速推進(jìn)劑在高壓強(qiáng)下的燃速特性（找出拐點(diǎn)），我們必須測試推進(jìn)劑在連續(xù)壓強(qiáng)下的燃速。如果采用靶線法、聲發(fā)射法和密閉爆發(fā)器法，測試精度高，但是，需要測試的數(shù)據(jù)多，工作量大；而生物質(zhì)燃燒機(jī)法通過一次測試就可以得出不同壓強(qiáng)下190推進(jìn)劑的燃速，操作簡單，具有很大的實(shí)用性。
3生物質(zhì)燃燒機(jī)法分析
3 1測試原理
生物質(zhì)燃燒機(jī)法的基本原理是利用壓強(qiáng)_時間曲線換算成壓強(qiáng)一肉厚曲線，再計(jì)算出壓強(qiáng)一燃速曲線。
在生物質(zhì)燃燒機(jī)中點(diǎn)燃幾何尺寸、質(zhì)量（Wp）、燃?xì)馄骄鄬Ψ肿淤|(zhì)量（Mg）已知的固體推進(jìn)劑試樣。隨著燃燒的進(jìn)伉燃燒器中的燃?xì)鈮簭?qiáng)不斷增加，通過壓強(qiáng)傳感器記錄下p f曲線。假定試樣的燃面被同時引燃，且燃燒服從平行層燃燒規(guī)律。記錄下的p-f曲線上任一時刻≠所對應(yīng)的鼽與該時燃燒掉推進(jìn)劑量形。可表示成下列關(guān)系式：
3 2測試精度影響因素分析
從生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試原理分析可知，影響密閉燃燒器法測試精度的因素主要有如下三方面：
(1)推進(jìn)劑試樣尺寸的規(guī)整性。在計(jì)算試樣燃面變化時，假定推進(jìn)劑燃燒服從平行層燃燒規(guī)律，故燃面變化實(shí)際上是推進(jìn)劑尺寸變化因此，推進(jìn)劑尺寸是否規(guī)敕，關(guān)系到燃面計(jì)算的正確與否。在制作推進(jìn)劑試樣日寸，必須盡量保證試樣尺寸的規(guī)整性。
(2)因?yàn)樯镔|(zhì)燃燒機(jī)的壓強(qiáng)由推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的氣體填充而產(chǎn)生，因此只要知道每千克推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生多少摩爾氣體，就可由壓強(qiáng)推算出推進(jìn)劑燃燒消耗的質(zhì)量。因此燃?xì)馄骄鄬Ψ肿淤|(zhì)量M。非常關(guān)鍵，它的正確性也非常重要。
(3)生物質(zhì)燃燒機(jī)容器的散熱損失。雖然密閉燃燒器工作時間很短，但是因?yàn)樯釗p失而造成的壓力損失非常大，低壓下甚至達(dá)300。因此散熱損失修正是生物質(zhì)燃燒機(jī)法測推進(jìn)劑燃速的關(guān)鍵技術(shù)。
上述三個影響因素中：推進(jìn)劑試樣尺寸的規(guī)整性可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)刀具來解決；推進(jìn)劑不同壓強(qiáng)下的燃?xì)馄骄鄬Ψ肿淤|(zhì)量M。是通過熱力計(jì)算來獲得的，提高熱力計(jì)算程序的準(zhǔn)確性可提高密閉燃燒囂的測試精度；最難以解決的是生物質(zhì)燃燒機(jī)工作過程中的散熱損失修正。
3 3散熱損失修正
目前生物質(zhì)燃燒機(jī)法的散熱損失修正方法主要有：
(1)平均熱損失修正方法。此方法認(rèn)為推進(jìn)劑試樣在燃燒過程中熱損失率是不變的，把總的熱損失量除以試樣的燃燒時間，然后平均分配到整個燃燒過程。試驗(yàn)表明：用這種簡單的方法修正，誤差很大，與實(shí)際情況相差太遠(yuǎn)。
(2)反推式熱損失修正方法。這種熱損失修正方法是利用推進(jìn)劑試樣燃燒結(jié)束后的壓強(qiáng)下降段的熱損失來模擬相對應(yīng)的壓強(qiáng)上升段的熱損失。這種方法實(shí)際計(jì)算出來的結(jié)果與理論值的誤差比較大。
(3)傳熱計(jì)算的熱損失修正方法。此方法考慮了燃?xì)獾妮椛鋼Q熱及對流換熱對熱損的影響。這種方法理論上很完善，但是目前我們無法得到真正的理論計(jì)算模型，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值出現(xiàn)很大的偏差。
(4)實(shí)驗(yàn)校正法。本方法是利用試驗(yàn)校正結(jié)果來修正生物質(zhì)燃燒機(jī)散熱損失的一種方法，由于修正直接來源于試驗(yàn)，因此能真實(shí)反映生物質(zhì)燃燒機(jī)的工作狀態(tài)，具有非常高的準(zhǔn)確性。
通過大量的對比試驗(yàn)，本文認(rèn)為前面三種散熱修正方法都不是很精確，誤差較大。因此提出依托于試驗(yàn)標(biāo)定的綜合測定熱損失修正法，主要是對3 1節(jié)的兀進(jìn)行校正。
在生物質(zhì)燃燒機(jī)中點(diǎn)燃一蛺已知質(zhì)量的試樣，測出燃燒結(jié)束時的最大壓強(qiáng)，pV =WpRg兀，因pⅣWp，Rg己知，可求出實(shí)際的定容爆溫%與理論計(jì)算（熱力計(jì)算所得兀）定容爆溫比較，得兀-L一AT。用
AT∥)×iooO表示熱損失大小。因?yàn)樗袑?shí)驗(yàn)都第3期胡松啟等：生物質(zhì)燃燒機(jī)法測高壓下推進(jìn)劑燃速研究
191是在同一生物質(zhì)燃燒機(jī)中進(jìn)行的，燃燒器熱損失和內(nèi)表面對熱損失的影響可以相互抵消。
本文曾通過實(shí)驗(yàn)，定量地確定了推進(jìn)劑藥量大小、推進(jìn)劑爆溫、熱釋放率燃燒時間等因素對熱損失的影響舊，研究認(rèn)為：熱釋放率降低、燃燒時間增加、推進(jìn)劑爆溫越高，則熱損失越大。在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文提出綜合測定熱損失修正法對L進(jìn)行校正，大大提高生物質(zhì)燃燒機(jī)的測試平行誤差。
4結(jié)論
生物質(zhì)燃燒機(jī)法一次測試可測出全部壓強(qiáng)下推進(jìn)劑燃速，可用于研究推進(jìn)劑在較寬范圍內(nèi)燃燒性能。本文于基于大量試驗(yàn)與理論分市斤，提出綜合測定熱損失修正注，對測試過程中熱損失進(jìn)行修正，將生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降低到1%。
本文正開展生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試的燃速和發(fā)動機(jī)法測試的燃速相關(guān)性研究以期提高生物質(zhì)燃燒機(jī)法測試精確度。
生物質(zhì)燃燒機(jī)，http://www.jiegankeliji.com
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