固液火箭发动机推进剂组合能量特性分析①

吴俊峰，李新田，田 辉，曾 鹏，蔡国飙

(北京航空航天大学宇航学院，北京 100191)

0 引言

固液火箭发动机由于其自身的结构特征，使其具有经济性好、安全性好、容易进行推力调节、易关机和重新启动等优点。近年来，受到国内外学者的广泛关注，并在探空火箭和亚轨道商业载人飞船等领域得到广泛应用［1－6］。国外对固液火箭发动机开展了较全面的理论分析、数值仿真与试验研究工作［6］。近年来，国内多家单位也开展了固液火箭发动机的大量研究［7－8］。固液火箭发动机推进剂的能量特性分析是合理选择推进剂组合和进行发动机设计的前提。美国的Estey Paul N等对固液火箭发动机推进剂选择方案进行了分析［9］，加拿大的Farbar E等对HTPB(端羟基聚丁二烯)中添加Mg、Al对性能的影响进行了研究［10］，意大利的DeLuca Luigi T对添加AlH3推进剂的性能进行了分析［11］，伊拉克的Einav Omry等分析了添加物AP对燃速的影响［12］。文献大多主要分析单种添加剂或同种类型添加剂对推进剂性能的影响，研究其能量特性及燃速规律，但对不同类型添加剂之间的比较及他们之间相互作用的研究较少。

本文对固液火箭发动机中常用的燃料和氧化剂进行了总结，计算了最常用推进剂组合的能量特性;对于H2O2/HTPB基推进剂组合，选用常用的金属氢化物、金属、非金属燃料及氧化剂添加剂，分析了不同添加物对发动机性能的影响，进行了单因素分析和正交试验设计。对固液火箭发动机推进剂组合能量特性的分析可为推进剂的选择提供参考，并为发动机设计及内弹道性能计算提供依据。

1 常用推进剂

固液火箭发动机同时使用固体和液体推进剂，通常典型的固液火箭发动机是采用固体燃料和液体氧化剂的火箭发动机，也称为正方案式。反方案式则采用固体氧化剂和液体燃料。国内外固液火箭发动机的研究多针对正方案式开展，对反方案式的研究较少。

固液火箭发动机可供选用的推进剂种类较广，组合较多。表1为固液火箭发动机中的常用燃料及其密度参数。

表1 常用燃料及其密度Table 1 Density of common fuels

常见的固体燃料主要为碳氢化合物，包括HTPB、PE(聚乙烯)、Paraffin和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等。除碳氢化合物外，其他燃料还包括金属 Mg、Al、Li、Be，金属氢化物 LiH、BeH2、AlH3、LiAlH4，及非金属B、C等。碳氢化合物的是主要的燃料基体，易于生产，应用广泛，但密度相对较低;金属具有较高的密度和力学特性，常被用作添加剂;金氢化物的能量特性较高，但生产加工工艺复杂，工业化难度较大;非金属常被用于增加推进剂密度和力学性能。对于反方案式发动机，液体燃料可采用涡喷发动机燃料JP-4。

表2所示为常用的氧化剂及其密度参数。液体氧化剂的选择范围较广，液体火箭发动机中所使用的氧化剂大多可用于固液火箭发动机中。常用的液体氧化剂有 LOX(液氧)、H2O2、N2O、N2O4、HNO3、RFNA(红发烟硝酸)、LF2(液氟)、FLOX(氟液氧混合剂)等。液氧和过氧化氢具有无毒无污染的特点，应用广泛;氮氧化物、硝基化合物种类较多，但多数为有毒推进剂;氟具有极强的氧化性，能和绝大多数的元素化合，但由于存在使用安全等问题尚未获大量实际应用。对于反方案式固液火箭发动机，常采用的固体氧化剂有AP、AN(硝酸铵)和NP(高氯酸硝酰)。由于固体氧化剂难以制造，通常需与惰性物质或少量燃料混合才易浇注成型，而惰性物质会降低其性能，加入燃料则增加了其危险性，这也是反方案式固液火箭发动机使用较少的主要原因。由于固液火箭发动机燃料燃速较低，少量的固体氧化剂(如AP)也通常被添加在固体燃料中，以增加其燃速［12］。

表2 常用氧化剂及其密度Table 2 Density of common oxidizers

2 主要组合性能

近年来，随着无毒无污染推进剂概念的提出，人们在推进剂的选择上倾向于绿色环保型。在固液火箭发动机的实际应用中，被广泛使用的固体燃料主要有HTPB、Paraffin和PE，液体氧化剂主要有H2O2、LOX和N2O。这些燃料和氧化剂反应的主要产物为CO2、H2O和N2等，具有绿色环保特性。对上述几种氧化剂和燃料分别组合，计算发动机的理论性能参数，分析推进剂的能量特性。计算条件取燃烧室压强为2 MPa，喷管扩张比为60，文中后续计算条件也与此相同。

表征推进剂组合能量特性的参数有燃烧温度、特征速度、燃气平均分子量、真空比冲和密度比冲等。燃烧温度反映推进剂燃烧所释放能量的大小，特征速度反映了燃烧产物的热力学性质，燃气平均分子量会影响发动机出口喷气速度。真空比冲受燃烧温度、特征速度、燃气平均分子量和喷管扩张比的影响，是燃烧过程和膨胀过程的综合表征，也是发动机设计过程中最为关心的参数。此外，推进剂的平均密度直接影响发动机的体积和结构质量，密度比冲也是需考虑的主要参数。因此，在不同推进剂配方性能比较时，选用发动机真空比冲和密度比冲作为分析参数。

图1为不同推进剂组合的真空比冲随氧燃比变化曲线，图2为密度比冲随氧燃比变化曲线。

从图1和图2可知，对于同种氧化剂，HTPB、Paraffin和PE 3种燃料分别与氧化剂组合后的比冲随氧燃比变化曲线的趋势基本相似，最佳氧燃比的位置也较为接近，说明他们的能量性能相当;同时，3种燃料的密度也相差不大。因此，密度比冲随氧燃比变化的趋势也十分相似。对不同的氧化剂，LOX组合的最佳氧燃比值最小，最大真空比冲在3种氧化剂中最大，同时随着氧燃比与最佳氧燃比的偏离，真空比冲下降速度较快;98%H2O2组合的最佳氧燃比和最大真空比冲介于LOX和N2O之间，但由于98%H2O2密度较高，其与3种燃料组合的密度比冲在各种配方中最大;N2O组合最佳氧燃比最大，最大比冲最低，同时N2O密度较小，因此对应的密度比冲也最低。

根据推进剂物理性质的不同，使其应用呈现不同的特点。对于固体燃料，HTPB生产成本低，且易在其中添加其他燃料成分，改善其力学性能和能量特性，在研究中使用广泛;Paraffin熔点低，可用于高燃速固液火箭发动机燃料;PE在工业中应用较广，且药柱可直接机加成型，也被研究者广泛使用。对于液体氧化剂，98%H2O2对应的密度比冲最高，且常温下易贮存，在实际中得到广泛应用;LOX对应的真空比冲最高，但其常温下不易贮存，使用和维护较繁琐，多用于大型发动机;N2O能量特性较低，但其饱和蒸气压很高，自增压特性好，应用也较广。本文选用98%H2O2/HTPB基推进剂组合，进一步对能量特性进行分析。

3 燃料配方能量特性分析

3.1 添加物对燃料性能影响

HTPB燃料松弛模量较小，为提高其力学性能和能量特性，常在配方中加入一定量的其他组分［10，13－16］。对98%H2O2/HTPB基推进剂组合，通过热力计算分析常用添加物及其含量对性能的影响。在常用的金属氢化物、金属、非金属燃料及氧化剂中，选用AlH3、Al、B、AP 4种添加物，分析单组分含量对发动机性能的影响，添加量从0% ～15%取4个水平。

图3为添加物对最佳氧燃比的影响。由图3可知，随添加物质量分数的增加，最佳氧燃比的值不断降低，其中AP对最佳氧燃比的影响最为显著。发动机设计中，通常将平均氧燃比设定在最佳氧燃比附近，以获得较高的比冲性能。因此，推进剂组合最佳氧燃比的大小会影响发动机设计时氧化剂和燃料的分配比例，最佳氧燃比较高时，氧化剂质量较大。

图4为添加物对最佳氧燃比对应的真空比冲的影响。由图4可知，添加物AlH3、Al和B对真空比冲具有增加作用。AlH3对真空比冲的增加作用最大，与纯HTPB相比，AlH3含量为15%时真空比冲提高1.19%。而AP的添加反而使真空比冲略有降低，氧化剂AP混合在固体燃料中，可起到提高燃速的作用。

图5为添加物对密度比冲的影响。由图5可知，4种添加物均对密度比冲有增加作用。虽然添加物含量的提高使得最佳氧燃比减小，从而使得密度较高的98%H2O2在推进剂组合中的比例降低，但添加物本身密度较高，且大多对比冲有增加作用，综合作用下最终使密度比冲提高。其中Al对密度比冲的影响最大，和纯HTPB相比，Al含量为15%时密度比冲提高2.03%。AP的添加对密度比冲略有提高，但作用不明显。

3.2 燃料配方正交试验设计

对HTPB燃料中加入添加物AlH3、Al、B和AP对性能的影响进行正交试验设计，分析多种添加物的影响作用。影响因素为AlH3、Al、B和AP添加物的质量分数，添加量从0% ～15%取四水平，采用L16(45)五因素四水平正交表，留置一空列。表头设计如表3所示，因素水平如表4如示，计算分析不同设计方案对发动机真空比冲和密度比冲的影响。

表3 表头设计Table 3 Design of table head

表4 因素水平Table 4 Table of factor levels %

表5为真空比冲计算结果的分析，图6为真空比冲变化趋势。表5中，ki表示任一列上因素取水平i时所得试验结果的算术平均值，R=max{k1，k2，k3，k4}－min{k1，k2，k3，k4}极差 。从表 5 和图 6 可知，随着Al、AlH3和B含量的增加，比冲增大，且AlH3对比冲的增加作用最明显，Al次之;氧化剂AP的添加反而使真空比冲略为降低。图6中，多因素作用下真空比冲的变化趋势与单因素分析时的变化趋势一致。同时，表5中空列的极差较小，均说明各因素间的交互作用不大。

表5 真空比冲结果分析Table 5 Result analysis of vacuum specific impulse

表6为密度比冲计算结果的分析，图7为密度比冲变化趋势。

表6 密度比冲结果分析Table 6 Result analysis of density specific impulse

从图7和表6可知，随着4种添加物含量的增加，密度比冲均增加;其中，Al由于密度最高，且其含量对比冲的影响作用明显，使得其对密度比冲的增加作用最为显著。AlH3和B对密度比冲的影响比Al略低。AP的增加虽然使比冲略减小，但其密度较大，从而对密度比冲有一定的增加作用。图7中，多因素作用下密度比冲的变化趋势也与单因素分析时的趋势一致。同时，表6中空列的极差较小，均说明各因素间的交互作用不大。

4 结论

(1)固液火箭发动机可供选择的推进剂范围较广，各种类较多，通过对常用氧化剂 H2O2、LOX、N2O和燃料HTPB、Paraffin、PE组合的能量特性计算表明，HTPB、Paraffin和PE分别与同种氧化剂组合后的能量特性较为接近，LOX推进剂对应的真空比冲最高，98%H2O2推进剂对应的密度比冲最高;

(2)添加物对HTPB基燃料影响的单因素分析和正交试验设计表明，在其中加入Al、AlH3、AP和B均会减小发动机的最佳氧燃比，AlH3对真空比冲的提高作用最显著，Al对密度比冲的提高作用最显著，Al、AlH3、AP和B之间的交互影响作用不太明显。

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