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1、低温固体推进剂成形过程温度场分析研究徐善玮张宏安( 中国航天科技集团公司四院设计部西安7 1 0 0 2 5 )摘要：本文介绍一种新的化学火箭推进领域一低温固体推进技术用低温固体推进剂冷冻成形技术，介绍了低温固体推进剂药柱冷冻试验的结构型式及冷冻温度，并对低温固体推进剂冷冻过程以及解冻过程的二维温度场进行了数值模拟，根据数值模拟结果提出低温固体推进剂开发研究的一些初步建议主题词：固体推进剂火箭发动机低温固体推进剂温度场1前言低温固体推进( c s P ) 是一种新概念的化学火箭推进系统，其主要特征是在低温下制造、贮存和发射，它们使用的氧化剂和燃料在常温下可以为气态、液态或固态，但在低温下制成推
2、进剂后其中至少有一种组分必须是低温固态。简言之，这是一种采用固态氢或固态甲烷、固态煤油、固态氧的火箭发动机。这种发动机所覆盖的推进剂范围十分广阔。它既继承了固体火箭的简易性和高可靠性，又具有液体火箭的高比冲，成为兼具双重特性的新一代化学火箭发动机。本文介绍了低温固体推进剂药柱冷冻试验的结构型式及冷冻温度，并对低温固体推进剂冷冻过程以及解冻过程的二维温度场进行了数值模拟，根据数值模拟结果提出低温固体推进剂开发研究的一些初步建议。2 低温固体推进剂冷冻成形技术研究2 1 低温固体推进剂药柱结构荟f 获莨 巨 司+ 辎 艮k ，+ 萋|j隧：澄h1，ll，| _ FP 厂 F 睦艮 j图1 低温固体
3、推进剂成形图F i 9 1C S Ps h a p e dd i a g r a m啪1 l 柚 U 啪 t ， 咂m 麓 U O瑚靠点聿童l 一珏c ；Ij ；i 卅， ； l O珊 U 棚L 幢柚j 壬曩霜 O蕾霄蚰m珏= 0 ，椎鹰1 ，图2H z 0 2 沸点冰点图F i g2H 2 0 2b o i l i n gf i ：e e z i n gd i a g r a m玛0 2 浓度( )图3H 。0 2 固液相图F i 9 3H 2 0 2s o l i dl i q u i dd i a g r a m一5 3 低温固体推进剂药柱结构将氧化剂和燃料从物理上分隔开，主要是其燃烧稳
4、定性好。这种发动机和混合式发动机相似，燃烧以稳定的边界层方式进行。所以又称为内置的混合式发动机，燃烧比常规固体发动机安全得多。目前重点考虑的是轴向分片式药柱，即将氧化剂和燃料均制成若干薄片，彼此交替地设置在燃烧室。燃烧室壳体可采用超高强度钢壳体构型及喷管构型，与普通固体发动机相似。这种结构的燃速通常比固液发动机高，药片厚度按燃烧要求而确定，氧化剂片和燃料片厚度按化学计量确定。低温固体推进剂药柱结构如图1 所示，药柱为端面燃烧型药柱。其中低温固体推进剂氧化剂选取为浓度为9 0 的H 2 0 2 ，燃料为石蜡，氧化剂与燃料的配比为4 ：1 。多数低温固体推进剂制造时必须进行深度冷冻。因此低温固体推
5、进剂成形试验需要确定低温固体推进剂的冷冻温度，高浓度H 2 0 2 ( 浓度9 0 ) 冰点为1 3 。C ，但是要将H 2 0 2 完全冷冻成为固体，温度需要达到5 6 0 C 。试验方案决定采用液态氮来完成冷冻试验，液态氮的温度为1 9 6 ，完全可以将高浓度H 2 0 2 冷冻成固体，H 2 0 2 的沸点冰点图以及固液相图如图2 和图3 所示。2 2 低温固体推进剂冷冻成形过程温度场计算在低温固体推进剂冷冻成形前，需要确定冷冻时间，为了准确确定低温固体推进剂的冷冻时间及其内部温度场，减少在具体试验过程当中的工作反复，首先开展低温固体推进剂二维温度场的数值计算，以此来确定低温固体推进剂的
6、冷冻时间。，低温固体推进剂冷冻成形温度场计算采用有限体积方法计算二维非稳态温度场，控制方程采用积分形式的热传导方程。对于某单元体，。如果不含内热源，在时间间隔A t 内的热增量，等于该时间间隔内进入该单元体内热量。设有一不随时间变化的控制体P ，圪表示其体积，A 表示其边界面积，元表示边界上微元面积的单位外法向量，则积分形式的非稳态热传导方程为：甜胪争V + 伽元刎= 0( 1 )式中P 、C 及茸分别为微元体的密度、比热及边界上的热流通量。对于图4 所示的单元体，如果用1 1 、S 、W 、e 分别表示上、下、左、右单元体的中心，相应的下标表示该单元体上、下、左、右边界，则方程( 1 ) 的
7、离散形式如下： p c v , , 哪T k + l _ 叫等& + 等疋+ 筹+ 等卜式中：p 为材料密度( k g m 3 ) ；C 为材料比热( 堙。c ) ；九为材料导热系数( W m * C ) ；S ；( f = e ，w ，玎，s ) 为单元体边界长度；为单元体体积，即图4 中阴影部分的面积。对于二维轴对称柱坐标系，计算面积及体积时均应乘以比例因子R ，i = e ，W , S ，n ( 当地半径) ，故( 2 ) 式在柱坐标系下的形式为：p c 咋R P ( 零”一黟) = 旯( 等举。+ 等舻。+ 筹聃+ 警聃卜- 5 4 - ：1 1 We：S图4 单元体网格示意图F i
8、g4e l e m e n tg r i dd i a g r a m对于方程( 3 ) ，用P R 格式求解。将P R 格式应用于( 3 ) ，则可得到本文的计算公式：I + ! ；C V p R ，( 露”一乃2 ) =4 掣T , - T w2 ”，+ 掣6 4 - - - 6 4 - - - 印。+ 等举+ 等举， 三一1 - ”，+ 印。+ 等举+ 等举，悟q 上式是两个三对角方程组，可用追赶法求解。这里假设导热系数，密度，比热容都不随温度变化，为常数。由于燃料与氧化剂为不同物质，其导热系数，密度，比热也各不相同，所以应该分开来计算，相交界面导热系数等参数的计算，采用平均法来计算。I
9、 径( - )( a )( b )郴- 5 7 船5 9 舶- B 1e 2倒- e 3 舢- 6 5 枷B 7- e 8e 9- 7 0图5 在工业冰箱中冷冻成形时的温度场F i g5t e m p e r a t u r ef i e l df r o z e ni ni n d u s t r i a lr e f r i g e r a t o r图5 ( a ) 为将温度为2 0 。C 的H z 0 2 石蜡混合物放入冷冻温度为一7 0 。C 的工业冰箱中3 小时4 0 分钟后的温度场，图5 ( b ) 为药柱中心沿药柱径向的温度分布曲线，图5 ( c ) 为药柱中心沿药柱轴向的温度
10、分布曲线。图6 ( a ) 为将温度为2 0 。C 的H 。0 2 石蜡混合物放入冷冻温度为一1 9 6 。C 的液氮中l 小时2 0 分钟后的- 一5 5 - 一勘射瑚船舶捌趣舶斟焉舶耵郴艚棚 2 群温度场，图6 ( b ) 为药柱中心沿药柱径向的温度分布曲线，图( 6 ) ( c ) 为药柱中心沿药柱轴向的温度分布曲线。( a )( b )图6 在液氮中冷冻成形时的温度场F i g6t e m p e r a t u r ef i e l df r o z e ni nl i q u i dn i t r o g e n图6 ( a ) 为将温度为2 0 。C 的H z 0 2 石蜡混合物
11、放入冷冻温度为- 1 9 6 。C 的液氮中1 小时2 0 分钟后的温度场，图6 ( b ) 为药柱中心沿药柱径向的温度分布曲线，图( 6 ) ( c ) 为药柱中心沿药柱轴向的温度分布曲线。经过非稳态温度场的计算可以得出结论，要将常温下的低温固体推进剂混合物冷冻成形，在工业冰箱中需要近4 h ，而在液氮中则需要近9 0 m i n ，要将低温固体推进剂内部温度冷冻更好，则需要更长的时间。2 3 低温固体推进剂的贮存和安全技术问题经过低温冷冻后，固液混合在一体的推进剂就成为低温固体推进剂，这种推进剂在一定药型燃烧室壳体喷管点火器的配合下，就成为低温固体火箭发动机。很显然，这种低温固体推进剂在常
12、温下贮存的时间很短，过不了多长时间就又温度升高成为固液混合物，而在低温下长期保存又消耗大量的能量，简单经济的办法就是将这种推进剂冷冻成形后马上组装成为低温固体发动机点火。所以就需要知道低温固体推进剂冷冻成形到液化的温度场变化，如果液化时间较长，就有充足的时间来进行实验前准备。一5 6 ( b )图7 在工业冰箱中冷冻后液化时的温度场F i g7li q u e f i e dt e m p e r a t u r ef i e l df r o z e ni ni n d u s t r i a lr e f r i g e r a t o r。1 0渤，、渤 舅 一枷铂6 0( b )图8
13、在液氮中冷冻后液化时的温度场F i g8l i q u e f i e dt e m p e r a t u r ef i e l df r o z e ni nl i q u i dn i t r o g e n与冷冻过程温度场计算一样，这里计算了低温固体推进剂冷冻后液化过程的温度场。图7 ( a ) 为将一7 0 。C 的低温固体推进剂在1 0 。C 环境温度下达到液化时的温度场，图7 ( b ) 为药柱中心沿药柱径向的温度分布曲线，图7 ( c ) 为药柱中心沿药柱轴向的温度分布曲线。图8 ( a ) 为将一1 9 6 。C 的低温固体推进剂在一1 0 。C 环境温度下达到液化时的温度场
14、，图8 ( b ) 为药柱中心沿药柱径向的温度分布曲线，图8 ( c ) 为药柱中心沿药柱轴向的温度分布曲线。经过非稳态温度场的计算可以得出结论，要将在工业冰箱中冷冻成形的低温固体推进剂在- 1 0 。C 的环境温度下达到液化需要一个7 0 m i n ，而要将在液氮冷冻成形的低温固体推进剂在同样环境温度中则需要近3 h ，这么长的时间可以完成点火试验准备工作，所以低温固体推进剂冷冻成形后马上开展点火试验是可行的。一5 7 低温固体推进剂和液体推进剂一样简单，添加剂少，比固体推进剂简单得多，工艺也十分简单，仅仅是处理一种简单均匀的化合物( 燃气发生剂除外) 。主要存在的化学问题是燃料和氧化剂与
15、各种涂层的相容性以及推进剂对贮存材料的腐蚀。在低温同体推进剂的贮存问题上，倾向于在低温固体推进剂冷冻前将燃料和氧化剂在常温下分开贮存，一旦将低温固体推进剂冷冻成形后，在常温下就只能贮存l _ 2 h ，在这段时问内必须完成推进剂及发动机试验。4 结论低温固体推进是一种新型化学火箭推进领域，但它又是固体火箭发动机技术的延伸，经过以上低温固体推进剂与壳体的传热分析，初步得出以下结论：( 1 ) 低温固体推进剂氧化剂选取为H z 0 2 ，燃料选取为石蜡是合适的，实验研究领域可以先从熔点较高的组分入手，以避免初期阶段缺乏深冷手段的难题；( 2 ) 经过低温固体推进剂冷冻和解冻温度场的计算可知，液氮冷冻需1 h ，工业冰箱则需要3 h 多；解冻时液氮冷冻的需要3 h ，而工业冰箱冷冻的则需要1 h ；( 3 ) 冷冻后的低温固体推进剂常温下贮存只有卜3h ，建议将低温固体推进剂用燃料和氧化剂在常温下分开存放，一旦冷冻成形马上开展试验以降低能量损耗。一5 8
