吳俊峰，李新田，田 輝，曾 鵬，蔡國飆

(北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191)

0 引言

固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由于其自身的結(jié)構(gòu)特征，使其具有經(jīng)濟(jì)性好、安全性好、容易進(jìn)行推力調(diào)節(jié)、易關(guān)機(jī)和重新啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在探空火箭和亞軌道商業(yè)載人飛船等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－6］。國外對(duì)固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開展了較全面的理論分析、數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究工作［6］。近年來，國內(nèi)多家單位也開展了固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的大量研究［7－8］。固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的能量特性分析是合理選擇推進(jìn)劑組合和進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的前提。美國的Estey Paul N等對(duì)固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑選擇方案進(jìn)行了分析［9］，加拿大的Farbar E等對(duì)HTPB(端羥基聚丁二烯)中添加Mg、Al對(duì)性能的影響進(jìn)行了研究［10］，意大利的DeLuca Luigi T對(duì)添加AlH3推進(jìn)劑的性能進(jìn)行了分析［11］，伊拉克的Einav Omry等分析了添加物AP對(duì)燃速的影響［12］。文獻(xiàn)大多主要分析單種添加劑或同種類型添加劑對(duì)推進(jìn)劑性能的影響，研究其能量特性及燃速規(guī)律，但對(duì)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(duì)固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中常用的燃料和氧化劑進(jìn)行了總結(jié)，計(jì)算了最常用推進(jìn)劑組合的能量特性;對(duì)于H2O2/HTPB基推進(jìn)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，進(jìn)行了單因素分析和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。對(duì)固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑組合能量特性的分析可為推進(jìn)劑的選擇提供參考，并為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及內(nèi)彈道性能計(jì)算提供依據(jù)。

1 常用推進(jìn)劑

固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)使用固體和液體推進(jìn)劑，通常典型的固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是采用固體燃料和液體氧化劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，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(nèi)外固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究多針對(duì)正方案式開展，對(duì)反方案式的研究較少。

固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可供選用的推進(jìn)劑種類較廣，組合較多。表1為固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的常用燃料及其密度參數(shù)。

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?xì)浠衔?，包括HTPB、PE(聚乙烯)、Paraffin和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等。除碳?xì)浠衔锿?，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?xì)浠衔锏氖侵饕娜剂匣w，易于生產(chǎn)，應(yīng)用廣泛，但密度相對(duì)較低;金屬具有較高的密度和力學(xué)特性，常被用作添加劑;金氫化物的能量特性較高，但生產(chǎn)加工工藝復(fù)雜，工業(yè)化難度較大;非金屬常被用于增加推進(jìn)劑密度和力學(xué)性能。對(duì)于反方案式發(fā)動(dòng)機(jī)，液體燃料可采用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃料JP-4。

表2所示為常用的氧化劑及其密度參數(shù)。液體氧化劑的選擇范圍較廣，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中所使用的氧化劑大多可用于固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中。常用的液體氧化劑有 LOX(液氧)、H2O2、N2O、N2O4、HNO3、RFNA(紅發(fā)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(diǎn)，應(yīng)用廣泛;氮氧化物、硝基化合物種類較多，但多數(shù)為有毒推進(jìn)劑;氟具有極強(qiáng)的氧化性，能和絕大多數(shù)的元素化合，但由于存在使用安全等問題尚未獲大量實(shí)際應(yīng)用。對(duì)于反方案式固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，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(zhì)或少量燃料混合才易澆注成型，而惰性物質(zhì)會(huì)降低其性能，加入燃料則增加了其危險(xiǎn)性，這也是反方案式固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用較少的主要原因。由于固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)劑概念的提出，人們?cè)谕七M(jìn)劑的選擇上傾向于綠色環(huán)保型。在固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)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(yīng)的主要產(chǎn)物為CO2、H2O和N2等，具有綠色環(huán)保特性。對(duì)上述幾種氧化劑和燃料分別組合，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的理論性能參數(shù)，分析推進(jìn)劑的能量特性。計(jì)算條件取燃燒室壓強(qiáng)為2 MPa，噴管擴(kuò)張比為60，文中后續(xù)計(jì)算條件也與此相同。

表征推進(jìn)劑組合能量特性的參數(shù)有燃燒溫度、特征速度、燃?xì)馄骄肿恿?、真空比沖和密度比沖等。燃燒溫度反映推進(jìn)劑燃燒所釋放能量的大小，特征速度反映了燃燒產(chǎn)物的熱力學(xué)性質(zhì)，燃?xì)馄骄肿恿繒?huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)出口噴氣速度。真空比沖受燃燒溫度、特征速度、燃?xì)馄骄肿恿亢蛧姽軘U(kuò)張比的影響，是燃燒過程和膨脹過程的綜合表征，也是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中最為關(guān)心的參數(shù)。此外，推進(jìn)劑的平均密度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，密度比沖也是需考慮的主要參數(shù)。因此，在不同推進(jìn)劑配方性能比較時(shí)，選用發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖和密度比沖作為分析參數(shù)。

圖1為不同推進(jìn)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(duì)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(dāng);同時(shí)，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(duì)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(shí)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(shí)N2O密度較小，因此對(duì)應(yīng)的密度比沖也最低。

根據(jù)推進(jìn)劑物理性質(zhì)的不同，使其應(yīng)用呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。對(duì)于固體燃料，HTPB生產(chǎn)成本低，且易在其中添加其他燃料成分，改善其力學(xué)性能和能量特性，在研究中使用廣泛;Paraffin熔點(diǎn)低，可用于高燃速固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料;PE在工業(yè)中應(yīng)用較廣，且藥柱可直接機(jī)加成型，也被研究者廣泛使用。對(duì)于液體氧化劑，98%H2O2對(duì)應(yīng)的密度比沖最高，且常溫下易貯存，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用;LOX對(duì)應(yīng)的真空比沖最高，但其常溫下不易貯存，使用和維護(hù)較繁瑣，多用于大型發(fā)動(dòng)機(jī);N2O能量特性較低，但其飽和蒸氣壓很高，自增壓特性好，應(yīng)用也較廣。本文選用98%H2O2/HTPB基推進(jìn)劑組合，進(jìn)一步對(duì)能量特性進(jìn)行分析。

3 燃料配方能量特性分析

3.1 添加物對(duì)燃料性能影響

HTPB燃料松弛模量較小，為提高其力學(xué)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(duì)98%H2O2/HTPB基推進(jìn)劑組合，通過熱力計(jì)算分析常用添加物及其含量對(duì)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，添加量從0% ～15%取4個(gè)水平。

圖3為添加物對(duì)最佳氧燃比的影響。由圖3可知，隨添加物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，最佳氧燃比的值不斷降低，其中AP對(duì)最佳氧燃比的影響最為顯著。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，通常將平均氧燃比設(shè)定在最佳氧燃比附近，以獲得較高的比沖性能。因此，推進(jìn)劑組合最佳氧燃比的大小會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)氧化劑和燃料的分配比例，最佳氧燃比較高時(shí)，氧化劑質(zhì)量較大。

圖4為添加物對(duì)最佳氧燃比對(duì)應(yīng)的真空比沖的影響。由圖4可知，添加物AlH3、Al和B對(duì)真空比沖具有增加作用。AlH3對(duì)真空比沖的增加作用最大，與純HTPB相比，AlH3含量為15%時(shí)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(duì)密度比沖的影響。由圖5可知，4種添加物均對(duì)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(jìn)劑組合中的比例降低，但添加物本身密度較高，且大多對(duì)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(duì)密度比沖的影響最大，和純HTPB相比，Al含量為15%時(shí)密度比沖提高2.03%。AP的添加對(duì)密度比沖略有提高，但作用不明顯。

3.2 燃料配方正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)HTPB燃料中加入添加物AlH3、Al、B和AP對(duì)性能的影響進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)，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(shè)計(jì)如表3所示，因素水平如表4如示，計(jì)算分析不同設(shè)計(jì)方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖和密度比沖的影響。

表3 表頭設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)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(shí)所得試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)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(duì)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(shí)的變化趨勢一致。同時(shí)，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(jié)果分析Table 5 Result analysis of vacuum specific impulse

表6為密度比沖計(jì)算結(jié)果的分析，圖7為密度比沖變化趨勢。

表6 密度比沖結(jié)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(duì)比沖的影響作用明顯，使得其對(duì)密度比沖的增加作用最為顯著。AlH3和B對(duì)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(duì)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(shí)的趨勢一致。同時(shí)，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(jié)論

(1)固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可供選擇的推進(jìn)劑范圍較廣，各種類較多，通過對(duì)常用氧化劑 H2O2、LOX、N2O和燃料HTPB、Paraffin、PE組合的能量特性計(jì)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(jìn)劑對(duì)應(yīng)的真空比沖最高，98%H2O2推進(jìn)劑對(duì)應(yīng)的密度比沖最高;

(2)添加物對(duì)HTPB基燃料影響的單因素分析和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表明，在其中加入Al、AlH3、AP和B均會(huì)減小發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳氧燃比，AlH3對(duì)真空比沖的提高作用最顯著，Al對(duì)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。

［1］Tsohas John，Appel Brad，Rettenmaier Andrew，et al.Development and launch of the purdue hybrid rocket technology demonstrator［R］.AIAA 2009-4842.

［2］Dyer Jonny，Zilliacy Greg，Karabeyoglu Arif.Status update for the peregrine 100km sounding rocket project［C］//Joint Propulsion Conference ＆ Exhibit，2008.

［3］Dyer Jonny，Doran Eric，Dunn Zach，et al.Design and development of a 100km nitrous oxide paraffin hybrid rocket vehicle［R］.AIAA 2007-5362.

［4］Larsen Charles R.Development of guide to commercial space transportation reusable launch vehicle operations＆maintenance［R］.AIAA 2005-6795.

［5］Howard Russell D，Krevor Zachary C，Mosher Todd，et al.Dream chaser commercial crewed spacecraft overview［R］.AIAA 2011-2245.

［6］Chiaverini M J，Kuo K K.Fundamentals of hybrid rocket combustion and propulsion［M］.VA:Progress in Astronautics and Aeronautics，2006.

［7］田輝，蔡國飆，王慧玉，等.固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的邊界層計(jì)算［J］.推進(jìn)技術(shù)，2002，23(5):379-382.

［8］田輝，蔡國飆，王慧玉，等.固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和噴管流動(dòng)數(shù)值模擬［J］.宇航學(xué)報(bào)，2006，27(2):281-285.

［9］Estey Paul N，Whittinghill George R.Hybrid rocket motor propellant selection alternatives［R］.AIAA 92-3592.

［10］Farbar E，Louwers J，Kaya T.Investigation of metallized and nonmetallized hydroxyl terminated polybutadiene hydrogen peroxide hybrid rockets［J］.Journal of Propulsion and Power，2007，23(2):476-486.

［11］DeLuca Luigi T，Rossettini Luca，Kappenstein Charles，et al.Ballistic characterization of AlH3-based propellants for solid and hybrid rocket propulsion［R］.AIAA 2009-4874.

［12］Einav Omry，Peretz Arie，Hashmonay Ben-Ami，et al.Development of a lab-scale system for hybrid rocket motor testing［R］.AIAA 2009-4888.

［13］Geisler Robert L.A global view of the use of aluminum fuel in solid rocket motors［R］.AIAA 2002-3748.

［14］Risha Grant A，Boyer Eric，Wehrman Robert B，et al.Performance comparison of HTPB-based solid fuels containing nano-sized energetic powder in a cylindrical hybrid rocket motor［R］.Pennsylvania，AIAA 2002-3576.

［15］George Philmon，Krishnan S，Varkey P M，et al.Fuel regression rate in hydroxyl-terminated-polybutadiene/gaseous-oxygen hybrid rocket motors［J］.Journal of Propulsion and Power，2001，17(1):35-44.

［16］Palaszewski Bryan.Metallized gelled propellants:oxygen/RP-1/aluminum rocket engine calorimeter heat transfer mesurements［R］.AIAA 97-36247.