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2023-08-02
点火延迟期影响因素研究：提升固体火箭发动机设计
【摘要】：表面老化或受潮、结霜等均损害点火性能。除上所述，影响发动机点火性能的因素还有很多。
下面研究建立主装药的引燃过程的描述方程，以说明影响点火性能的各种因素。
为简化分析，特做如下假设：
·主装药点燃前，不发生相变和化学反应。
·主装药表面温度Tw达到点燃温度Tig时，便立即被点燃。
主装药的引燃过程可以用图5.3所示的物理模型来描述。
控制方程为一维热传导方程：
图5.3 主装药导热模型
式中 ap——推进剂的导温系数，ap=λp/（cpρp）。
方程定解条件为：
解上述方程得：
式中 H——相对热交换系数，H=αc/λ；
erf——误差函数，，erf（0）=0，erf（∞）=1。
根据推进剂的温度点火准则：当装药表面温度达到推进剂的着火温度时认为装药点着火了，则可求得当x=0时装药表面温度Ts随时间t的变化关系：
设药柱表面由初始温度T0经过时间τ后到达发火点温度Tig，则有
其中，τ为药柱点火延迟期t1c，当
时，将式（5-7）中的指数函数和误差函数展开为级数，忽略其中的高阶小量，可以得到时间τ的表达式：
在主装药引燃过程中，点火药燃气对主装药表面传递的热流密度为：
故式（5-8）也可写成：
由式（5-10）可知影响装药点火延迟的因素如下。
1.推进剂的性质
推进剂的点燃温度Tig越高，点火滞后越大；λpcpρp乘积越大，点火滞后也越大。与双基推进剂相比，复合推进剂的Tig和λpcpρp皆大，因此，复合推进剂比双基推进剂点火困难，应该采用高能点火药来点火，或增加点火药量。
2.点火药的性质
点火药的能量特性越高（燃烧温度Tg高），则点火滞后越小。点火燃气中固体微粒含量越高，热交换系数α越大，则点火滞后越小。因此，为改善点火性能，应采用高能点火药和燃气中固体微粒含量高的点火药。
3.点火药量
点火药量越多，点火燃气的流量
越大，点火燃气对主装药表面的热交换系数α也越大，可见
。因此，增多点火药量能明显地减小点火滞后。采用增加点火药量的措施来改善点火性能，是最常用和最简便的方法。
4.工作温度
初温T0越低，点火滞后越大。因此，确定点火药量时应以低温工作条件为依据，但又要保证高温下不产生过大的点火压强峰。
5.装药的通气面积Ap
通气面积越大，热交换系数αc越小，使点火滞后越大。因此，主装药通气面积大时，通常需用较多的点火药量。
6.点火装置的位置
点火装置安放在发动机头部时，所用点火燃气参与点火过程，点火燃气流量
大，使点火滞后小。相反，点火装置处于喷管端时，许多点火燃气经喷管直接喷出，只有部分点火燃气参与点火过程，
减小，使点火滞后增大。因此，后一种点火装置往往需要更多的点火药量。
7.点火压强
试验研究已经证明，对于复合推进剂，当点火压强超过0.3～0.7 MPa以上时，点火滞后与压强无关。当点火压强小于上述压强值时，则点火滞后随着压强降低而明显增大，而且大多数复合推进剂还应有临界点火压强，在此压强以下，推进剂不能被点燃。因此，为保证得到满意的点火性能，点火压强至少应大于0.3～0.7MPa。而对于双基推进剂，可近似取其临界压强pcr作为临界点火压强。
8.自由容积
自由容积增大，使点火滞后时间tig1、火焰传播时间tig2和燃烧室充填时间tig3增大，故点火延迟时间tig增大。
9.工作高度
点火药和推进剂在高空的低压下点燃比较困难，经常会造成不点火的现象。因此，对于高空工作的发动机，燃烧室以及点火装置都应该很好地密封。并且选用低压下易点燃且燃气中有较多气体含量的高能点火药。
10.主装药的表面状态
浇注的装药表面经过打磨或切削后，能改善其点火性能。表面老化或受潮、结霜等均损害点火性能。
11.发动机密封盖的强度
通常密封盖强度越高，点火滞后越小，点火性能的均一性也越好等。
除上所述，影响发动机点火性能的因素还有很多。在设计点火装置时，推进剂、主装药的形状和尺寸、发动机的结构、发动机的工作温度和工作高度等因素是已经确定的。因此，点火装置设计者只能在这些已知的条件下，合理地设计点火装置特别是它的能量释放系统来满足规定的点火性能要求。
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