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2025-09-29
推进剂药柱形状对燃烧特性的影响
【摘要】：固体推进剂火箭发动机一旦开始燃烧，就不能调整推力，因此药柱的形状很重要。图13-44b所示为星型，药柱形状燃烧表面积随燃烧时间的增加而保持一定面积，因此称为中立型。如图13-46所示，在d/D为0.5、L/D为2的状态，燃烧形式类似于中立型。图13-46 圆柱管型燃烧特性
火箭发动机的推力以排气质量流量与有效排气速度之积或喷管入口压力、推力系数与喷管喉部端面积之积表示。这表示推进剂药柱的形状和燃烧类型，决定了多种推力-时间特性。固体推进剂火箭发动机一旦开始燃烧，就不能调整推力，因此药柱的形状很重要。
1.燃烧类型和药柱形状
固体推进剂药柱的基本燃烧类型如图13-43所示。图13-43a所示为药柱充满容器的状态下，从末端面开始逐渐燃烧的端面燃烧类型，图13-43b所示为从圆柱外表面开始逐渐燃烧的外表面燃烧类型，图13-43c所示为从圆柱中空内表面开始逐渐燃烧的内表面燃烧类型，图13-43d所示为内表面、外表面复合燃烧类型。图13-44所示为根据药柱端面形状的推力-时间特性曲线。燃烧从药柱表面开始，因此药柱的形状是时间的函数，决定着燃烧面积，由燃烧率和燃烧面积决定推力。图13-44a所示为药柱端面形状是中空圆柱管型，目前多采用此类型。圆柱管型内表面的燃烧表面积随燃烧时间的增加而增大，进而推力也随之增大，因此称为渐增型。图13-44b所示为星型（或内表面、外表面燃烧），药柱形状燃烧表面积随燃烧时间的增加而保持一定面积，因此称为中立型。图13-44c所示为双锚型（或外表面燃烧），药柱形状燃烧表面积随燃烧时间的增加而减少，推力也随之减小，因此称为渐减型。其中最常用的设计为星型药柱的中立型燃烧。
图13-43 燃烧类型的分类
2.药柱的燃烧特性
为了说明药柱的燃烧特性，进行如下假设。燃烧为完全燃烧，燃烧气体符合均质理想气体状态方程式。燃烧气体的质量热容比与温度无关保持一定。燃烧气体的流动方向与喷管的主轴方向相同，在端面上为具有均匀流动特性（压力、温度、密度、速度等保持不变）的一维正常流动。忽略摩擦和边界层损失，没有通过火箭壁面的热传递。喷管内流动是正常状态，没有激波或不连续表面，均匀膨胀。
图13-44 药柱端面形状与推力-时间特性(https://www.chuimin.cn)
图13-45 圆柱管型内表面燃烧药柱
现在对图13-45所示的圆柱管型内表面燃烧进行分析。如果中空燃烧通道（或药柱长度）无限长，会进行渐增型燃烧；但如果中空燃烧通道很短，会形成3维燃烧，因由d/D、L/D的大小决定燃烧表面积，几乎不会出现渐增型燃烧。此类型的燃烧特性如图13-46所示。横轴η为无量纲燃烧距离，纵轴θ为无量纲燃烧表面积，各自以如下式进行定义：
式中，vb为药柱的燃烧速度；Ab为燃烧表面积。
如图13-46所示，在d/D为0.5、L/D为2的状态，燃烧形式类似于中立型。因此如果L/D增大，会形成渐增型燃烧；如果L/D减小，会形成渐减型燃烧。
图13-46 圆柱管型燃烧特性
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