专利名称：以实验为约束的富燃料推进剂燃烧产物热力学确定方法
技术领域：
本发明涉及燃烧测试技术领域，具体为一种以实验为约束的富燃料推进剂燃烧产物热力学确定方法，用于富燃料推进剂的一次燃烧产物确定，为二次燃烧的研究提供初始参数。
背景技术：
现有技术领域中，一般推进剂的燃烧温度及燃烧产物及热力学特性参数的预估是通过热力计算(GJB)获得，其基本原理:燃烧产物的成分首先决定于推进剂的成分，不论燃烧过程怎样，生成何种产物，根据质量守恒，燃烧前后各元素的摩尔原子总数相等，可建立一组质量守恒方程；燃烧产物的成分还与压强和温度有关，改变温度与压强，燃烧产物的化学平衡状态随之变化，产物的成分也将发生变化，所以燃烧产物的成分还与化学平衡有关。于是可以利用化学平衡的概念建立一组化学平衡方程(平衡常数法)，或者是根据化学平衡状态下系统自由能为最小值的条件建立一组平衡组分应当满足的方程(最小自由能法)。选用适当的方法解以上方程就可以求出选定温度和压强下的燃烧产物成分。若指定不同的温度进行重复计算，就可 以得出成分随温度而变化的关系。再利用能量守恒定律，即推进剂的总焓(化学能+热焓)等于燃烧产物的总焓，确定燃烧产物的温度。故“质量守恒”、“化学平衡(自由能最小)”和“能量守恒”是确定一般推进剂燃烧产物的三组控制方程。但是富燃料推进剂，如含硼富燃料推进剂氧化剂含量低，为20 40% (—般推进剂的氧化剂含量为60 80%)，在燃气发生器中一次燃烧时，燃烧产物中含有大量可燃物和中间反应物，并且凝相物含量很高。此外有些金属(如硼、铝和碳粒)有可能达不到着火温度，它们在一次燃烧过程中只有部分参与化学反应，反应后的体系是一个非化学平衡体系。具体体现在:非化学平衡体系，其燃烧产物除由推进剂配方决定外，还会受到工艺过程的影响，而化学平衡计算则不能反映这一影响结果。例如，各组分含量相同的条件下(假定化学式相同)，含硼富燃料推进剂中的硼经AP包覆的配方比没有包覆配方的爆热(实验值)要高约5%。相同压强下的绝热火焰温度也不同。一般推进剂，如果配方给定，既假定化学式给定，则通过热力计算得到一定压强下的燃烧状态(绝热火焰温度和产物组成及含量)是一定的，也是唯一的。而含硼富燃料推进剂等富燃料推进剂的制药工艺和以及调节燃烧性能的目的，硼粉通常要进行包覆和团聚后加入推进剂药浆，硼粉的处理工艺影响推进剂的燃烧性能，这就造成配方相同(假定化学式相同)的推进剂在给定压强下的燃烧后的状态不同，为了确定这种燃烧状态以及燃烧产物，原有的热力计算已不再使用。国内西北工业大学毛成立博士、姚娜硕士和航天四院郑凯斌均发表了有关含硼富燃料推进剂非平衡热力计算的理论模型，认为:富燃料推进剂燃烧后的物质由燃烧产物和燃烧剩余物组成；参与反应的燃烧产物子系统处于化学平衡状态；燃烧产物和未参与反应的硼处于温度平衡状态。这种处理相对于70年代在该问题上处理已经有了一些进步，首先，采用工程的方法避开了计算的复杂性。主要表现在参与反应物的比例fi的应用上。引Afi (参与反应硼的比例)后，就把复杂的计算工作转变为简单的可调参数的确定上，fi的值是以同类富燃料推进剂的一次燃烧结果为依据，凭借计算者的一定经验来确定，在计算过程中直接由计算者给定，虽然这一处理会降低计算精度，但仍然能满足计算结果的应用要求。燃烧温度是一次燃烧热力计算最重要的参数，因为它强烈地影响二次补燃效率，因此把它作为评价推进剂配方合理性的重要判据；硼在一次燃烧过程中参与反应的比例也会影响一次燃烧温度的高低，参与反应的硼越多，则燃温越高，但由于硼燃烧困难，一般认为在高含硼量的富燃料推进剂中硼参与反应的比例不会高于20%，如果一次燃温能达到或接近硼粒子点火温度(1900K)时，参与反应的硼的比例小于20%，则认为该配方是合理的。因此，含硼富燃料推进剂一次燃烧热力计算的主要任务是计算参与反应的硼的比例与燃温的关系，从这一方面来看，上述工程计算方法具有一定的可取性。其次，全面考虑了燃烧产物，充分利用了非平衡过程的特点。由化学反应的特点可知，在燃烧过程中体系的吉布斯自由能是在不断减小的，对于已燃产物而言，由它们组成的子体系的吉布斯自由能已经达到最小，所以对该子体系可以应用化学平衡方程计算各组分的摩尔数。但是该方法同时还存在一些缺陷，首先，未参与反应的硼是依经验而确定，带有一定的主观性，其次，对已燃产物而言，组成的子体系的吉布斯自由能已经到达最小，它们之间不再发生化学反应。在一个体系中，把非平衡燃烧处理成子系统平衡也没有依据，这必然会给计算结果带来误差。

发明内容
要解决的技术问题为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种以实验为约束的富燃料推进剂燃烧产物热力学确定方法，能够解决推进剂非平衡燃烧产物的确定问题。技术方案 本发明以实测一定压强下的燃烧温度为约束，建立有条件的燃烧产物自由能最小的动态规划计算方法，确定实质为非平衡燃烧的推进剂燃烧产物。本发明的技术方案为:所述一种以实验为约束的富燃料推进剂燃烧产物热力学确定方法，其特征在于:采用以下步骤:步骤1:实验测量富燃料推进剂的绝热火焰温度T ；步骤2:根据富燃料推进剂配方，计算富燃料推进剂的假定化学式，建立各元素守恒方程:
权利要求
1.一种以实验为约束的富燃料推进剂燃烧产物热力学确定方法，其特征在于:采用以下步骤: 步骤1:实验测量富燃料推进剂的绝热火焰温度T ； 步骤2:根据富燃料推进剂配方，计算富燃料推进剂的假定化学式，建立各元素守恒方程:
2.根据权利要求1所述一种以实验为约束的富燃料推进剂燃烧产物热力学确定方法，其特征在于:实验测量富燃料推进剂的绝热火焰温度的方法为: 步骤1.1:制作若干燃烧端面尺寸逐步增大的推进剂药条，将热电偶呈V字型埋设在推进剂药条中，且V字型尖头方向朝向推进剂药条燃烧端面； 步骤1.2:将若干推进剂药条燃烧，通过热电偶测量各个推进剂药条燃烧的气相温度；取随燃烧端面尺寸增大，气相温度保持不变时，对应的气相温度为富燃料推进剂的绝热火焰温度。
全文摘要
本发明提出了一种以实验为约束的富燃料推进剂燃烧产物热力学确定方法，通过实验测得推进剂在一定压强下的绝热火焰温度；根据推进剂配方，写出其假定化学式，建立各元素守恒(质量守恒)方程；根据推进剂配方，推进剂各组元的原料焓，以及燃烧产物各组分在绝热火焰温度时的生产焓，建立能量守恒方程；以燃烧产物各组分含量为变量建立燃烧产物自由能函数，以质量守恒方程和能量守恒方程为约束，求燃烧产物自由能函数的最小值，从而得出燃烧产物各个组分的含量。能够解决推进剂非平衡燃烧产物的确定问题。
文档编号G01N31/12GK103235083SQ20131014131
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者王英红, 刘林林, 王泽旭, 肖连义 申请人:西北工业大学