| 生物質(zhì)燃燒機法測高壓下推進劑燃速研究 |
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生物質(zhì)顆粒燃燒機法測高壓下推進劑燃速研究 摘要：介紹了生物質(zhì)燃燒機法測試高壓下推進劑燃速特性的基本原理，分析了影響測試精度的各因素，并從實驗上對生物質(zhì)燃燒機法中的散熱損失進行修正-將測試結(jié)果標準偏差提高到1%。生物質(zhì)燃燒機法一次測試可測出全部壓強下推進劑燃速，可成為高壓高燃推進劑研制的有效工具。 1引 言 隨著新型火箭、導彈武器和高強度材料的發(fā)展，對固體推進劑提出了高燃速及高壓強下穩(wěn)定工作的新要求。如動能攔截器用的脈沖發(fā)動機、反坦克彈、高裝填系數(shù)的單室雙推火箭發(fā)動機等，發(fā)動機工作壓強均在lOMPa以上，其使用的推進劑燃速也高達50～250 mm．s'1。提高固體火箭發(fā)動機工作壓強是目前世界各國為提高火箭發(fā)動機比沖而采取的重要技術(shù)途徑。 但是，高壓強下固體推進劑燃速特性不同于一般工作匪強下的燃速特性，某些固體推進劑在高壓下，燃速特性出現(xiàn)突變現(xiàn)象¨司。高壓下其燃速一壓強關(guān)系出現(xiàn)拐點。 為正確進行發(fā)動機內(nèi)彈道設(shè)計，必須知道所選用的推進劑在不同壓強下的燃速特性。因此尋求一種簡單、可靠、高精度的測試高壓強下高燃速推進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劑高壓強下燃速特性的各種方法的優(yōu)缺點；然后詳細分析生物質(zhì)燃燒機法測試原理，分析影響生物質(zhì)燃燒機法測試精度的各種原因。 2高壓強下推進劑燃速測試方法選擇 目前測試固體推進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下推進劑燃速；(2)它們可測的最大壓強一般不大于25 MPa(3)假如推進劑燃速特性出現(xiàn)突變，使用此三種方法測試時，測試推進劑有限點的燃速很難真實反應(yīng)推進劑在較寬壓強范圍內(nèi)燃速特性。 生物質(zhì)燃燒機法通過推進劑在密閉容器中燃燒，測試容器內(nèi)壓強與時間變化關(guān)系，并根據(jù)燃燒過程動態(tài)燃燒模型，推導出推進劑的燃速表達式，再通過數(shù)據(jù)處理得到不同壓強下的推進劑燃速特性參數(shù)。這種方法可測試的壓強高達80 MPa而且通過一次測試就可得出推進劑在全部壓強下的燃速。 考慮到高壓強下固體推進劑燃速特性有可能出現(xiàn)拐點，為詳細、正確了解高燃速推進劑在高壓強下的燃速特性（找出拐點），我們必須測試推進劑在連續(xù)壓強下的燃速。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)燃燒機法通過一次測試就可以得出不同壓強下190推進劑的燃速，操作簡單，具有很大的實用性。 3生物質(zhì)燃燒機法分析 3 1測試原理 生物質(zhì)燃燒機法的基本原理是利用壓強_時間曲線換算成壓強一肉厚曲線，再計算出壓強一燃速曲線。 在生物質(zhì)燃燒機中點燃幾何尺寸、質(zhì)量（Wp）、燃氣平均相對分子質(zhì)量（Mg）已知的固體推進劑試樣。隨著燃燒的進伉燃燒器中的燃氣壓強不斷增加，通過壓強傳感器記錄下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劑量形？杀硎境上铝嘘P(guān)系式： 3 2測試精度影響因素分析 從生物質(zhì)燃燒機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)推進劑試樣尺寸的規(guī)整性。在計算試樣燃面變化時，假定推進劑燃燒服從平行層燃燒規(guī)律，故燃面變化實際上是推進劑尺寸變化因此，推進劑尺寸是否規(guī)敕，關(guān)系到燃面計算的正確與否。在制作推進劑試樣日寸，必須盡量保證試樣尺寸的規(guī)整性。 (2)因為生物質(zhì)燃燒機的壓強由推進劑燃燒產(chǎn)生的氣體填充而產(chǎn)生，因此只要知道每千克推進劑燃燒產(chǎn)生多少摩爾氣體，就可由壓強推算出推進劑燃燒消耗的質(zhì)量。因此燃氣平均相對分子質(zhì)量M。非常關(guān)鍵，它的正確性也非常重要。 (3)生物質(zhì)燃燒機容器的散熱損失。雖然密閉燃燒器工作時間很短，但是因為散熱損失而造成的壓力損失非常大，低壓下甚至達300。因此散熱損失修正是生物質(zhì)燃燒機法測推進劑燃速的關(guān)鍵技術(shù)。 上述三個影響因素中：推進劑試樣尺寸的規(guī)整性可以通過優(yōu)化設(shè)計刀具來解決；推進劑不同壓強下的燃氣平均相對分子質(zhì)量M。是通過熱力計算來獲得的，提高熱力計算程序的準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。此方法認為推進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。試驗表明：用這種簡單的方法修正，誤差很大，與實際情況相差太遠。 (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劑試樣燃燒結(jié)束后的壓強下降段的熱損失來模擬相對應(yīng)的壓強上升段的熱損失。這種方法實際計算出來的結(jié)果與理論值的誤差比較大。 (3)傳熱計算的熱損失修正方法。此方法考慮了燃氣的輻射換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算模型，因此計算結(jié)果與實際值出現(xiàn)很大的偏差。 (4)實驗校正法。本方法是利用試驗校正結(jié)果來修正生物質(zhì)燃燒機散熱損失的一種方法，由于修正直接來源于試驗，因此能真實反映生物質(zhì)燃燒機的工作狀態(tài)，具有非常高的準確性。 通過大量的對比試驗，本文認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標定的綜合測定熱損失修正法，主要是對3 1節(jié)的兀進行校正。 在生物質(zhì)燃燒機中點燃一蛺已知質(zhì)量的試樣，測出燃燒結(jié)束時的最大壓強，pV =WpRg兀，因pⅣWp，Rg己知，可求出實際的定容爆溫%與理論計算（熱力計算所得兀）定容爆溫比較，得兀-L一AT。用 AT∥)×iooO表示熱損失大小。因為所有實驗都第3期胡松啟等：生物質(zhì)燃燒機法測高壓下推進劑燃速研究 191是在同一生物質(zhì)燃燒機中進行的，燃燒器熱損失和內(nèi)表面對熱損失的影響可以相互抵消。 本文曾通過實驗，定量地確定了推進劑藥量大小、推進劑爆溫、熱釋放率燃燒時間等因素對熱損失的影響舊，研究認為：熱釋放率降低、燃燒時間增加、推進劑爆溫越高，則熱損失越大。在大量實驗研究的基礎(chǔ)上，本文提出綜合測定熱損失修正法對L進行校正，大大提高生物質(zhì)燃燒機的測試平行誤差。 4結(jié)論 生物質(zhì)燃燒機法一次測試可測出全部壓強下推進劑燃速，可用于研究推進劑在較寬范圍內(nèi)燃燒性能。本文于基于大量試驗與理論分市斤，提出綜合測定熱損失修正注，對測試過程中熱損失進行修正，將生物質(zhì)燃燒機法測試的相對標準偏差降低到1%。 本文正開展生物質(zhì)燃燒機法測試的燃速和發(fā)動機法測試的燃速相關(guān)性研究以期提高生物質(zhì)燃燒機法測試精確度。
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