氧化亚氮双组元发动机热力性能计算分析.pdf

第 3 8卷 第 1期 2 0 1 2年 2月 火箭推 进 J OURNAL O F ROCK E T P ROP UL S I ON Vo 1 3 8 N o 1 F e b 2 01 2 氧化亚氮双组元发动机热力性能计算分析 王栋 ，梁国柱 ( 北京航 空航天大学 宇航学院，北京 1 0 0 1 9 1 ) 摘 要 ：对绿色 推进 剂 N 2 0，H2 ，C H 3 O H，C 2 H 5 O H，C H 4 ，C 2 H 6 ，C 2 H 4 ，C 2 H2 ，C 3 H 8 及 C H 的物性进行 了全面比较 ，并采用吉布斯最小 自由能法对 9种氧化亚氮双组元推进剂组合 的热力性能展开全面计算及分析。N O H 组合由于其最低的燃气平均摩尔质量而具有最高的 比冲；N o c 2 H 组合由于 c 2 H 很高的标准生成焓其燃烧温度可高达 3 8 2 3 K ；碳氢燃料在余氧 系数 a O 4富燃工况下燃气中含有固碳颗粒，且摩尔含量随着 的降低而急剧升高，喷管出 口处 可高达 3 5 4 0 ；N ： O C H 和 N O C H 组合拥有很好 的空间应用物性和较高的热力性 能，在压比P ： p o = 7 0 a r m：1 a t m工况下平衡流比冲分别为2 6 3 9 m s 和 2 6 5 6 m s ，具有很好 的应用前景。 关键词：绿色推进剂；氧化亚氮；双组元发动机；性能分析 中图分类号 ：V 4 3 4 3 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 2 9 3 7 4 f 2 0 1 2 1 0 1 0 0 4 4 0 7 Ca l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s o f t h e r mo d y n a mi c p e r f o r ma n c e f o r n i t r o u s o x i d e b i p r o p e l l a n t e n g i n e W ANG Do n g ， L I ANG Gu o z h u ( S c h o o l o f As t r o n a u t i c s ， B e ij i n g U n i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s ， B e ij i n g l 0 0 1 9 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f g r e e n p r o p e l l a n t s N2 0， H2 ， CH3 OH，Cz H5 OH， CH4 ，C2 H6 ， C2 H4 ， C2 H2 ， C3 H8 a n d C3 H6 we r e c o mp a r e d T h e t h e r mo d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f n i n e n i t r o u s o x i d e b i p r o p e l l a n t s we r e c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d c o mp l e t e l y wi t h t h e mi n i mu m f r e e e n e r g y me t h o d N2 0 H2 h a s t h e b e s t s p e c i fic i mp u l s e b e c a u s e o f t h e l o we s t c o mb u s t i o n g a s a v e r a g e mo l a r ma s s N2 0 C 2 H2 p o s s e s s e s t h e h i g h e s t a d i a b a t i c c o mb u s t i o n t e mp e r a t u r e wh i c h c a n r e a c h 3 8 2 3 K o wi n g t o t h e h i g h s t a n d a r d f o rm a t i o n e n t h a l p y o f C 2 H2 T h e c o mb u s t i o n g a s o f h y d r o c a r b o n f u e l b i p r o p e l l a n t c o n t a i n s c a r b o n pa r t i c l e s whi l e i t s e x c e s s o x i di z e r c o e ffi c i e nt a 0 5时燃 气分 子开 始离解 ，形 成原子 H，0，N以及 自由基 O H和 N O；在 a 0 7时燃 气中开始产生未反应的 0 ，这些腐蚀性气体会造 成燃烧室和喷管壁面材料的氧化。随着燃气在喷 管膨胀过程中温度的降低，离解组分又逐渐反应 形成分子，并释放出热量，如图 2( c )所示 ，喷 管出口几乎已不存在离解组分 ，且 a 1 0时开始 产生未反应的 0 ，这也是图 2( a ) 中平衡流喷管 出口温度 在 o t = l 达到最大的原因。 从 图 2( b ) 和图 2 ( c ) 还可以发现 ，当 N 0 c 双组元在极度富燃( a 0 3 0 4 ) 时 ，燃气 组分中将含有固体 c颗粒，且随着 进一步降低 ， 含碳量显著增加 ，如图 2( c )中 从 0 4降至 0 1 时 ，喷管 出口的碳颗粒摩尔百分 比从 l 骤升 至 3 8 ，这将导致发动机发生积碳现象 ，给发动 机带来一系列的负面影响。 2 3 性能分析 发动机的主要性能参数包括喷气速度、特征 万方数据 火 箭 推进 2 0 1 2年 2月 速度以及比冲等，下面比较分析各氧化亚氮推进 剂组合 的热力性能。 各推进剂组合的绝热燃烧温度随 变化规律 基本一致( N O C H 除外) ，温度最高值均在 3 1 3 8 K 一 3 5 2 3 K范围内，如图 3 所示。从图中可以 看出 N 2 0 C H 与其它推进剂组合相比具有最高的燃 烧温度，其最高燃烧温度高达 3 8 2 3 K ( 6 ) ，且 在较低的 下 同样具有很高的燃烧温度 ，这是因 为 c 2 H 相 比其它燃料具有最高的标准生成焓 ( H = 2 2 6 7 3 k J mo 1 ) 。发动机推进剂的燃 烧温度 越高 ，可以用来转换成燃气动能 的热能就越 多 ， 喷气速度也就越大。 图3氧化亚氮双组元发动机的绝热燃烧温度 F i g 3 Ad i a b a t i c c o mb u s t i o n t e mp e r a t u r e o f n i t r o u s o x i d e b i p r o p e l l a n t e n g i n e 特征速度 表征 了推进剂 的能量特性 ，数 值越大，可达到的喷气速度也越大，其大小取决 于燃烧产物的热力学性质 ，包括燃烧 温度 、燃烧 产物平均摩尔质量以及 比热 比。图 4列 出了各氧 化 亚氮推 进剂组合在不 同 下 的平衡 流特征速 度。从图中可以看出，N 2 0 H 与其它组合相比特 征速度最高， 尽管其燃烧温度不是最高， 但其燃 烧产物的平均摩尔质量很低，尤其在 O d 较低时， 从图5中其特征速度在达到最高值时 = 0 2 对应 的燃烧产物平均摩尔质量仅为 9 0 6 g m o l 。而 N 20 c ： H ： 由于在低 时具有很高的燃烧温度，故 特征速度也较高。对于碳氢燃料，在极度富燃情 况下燃烧产物将含有固体碳颗粒。从图 5中可看 出当 O t 低于 0 4 时燃烧室中开始出现固碳且其含 量会随着 O t 的继续降低而急剧升高至 1 6 2 7 ， 同时影响着燃烧产物当量平均摩尔质量的变化趋 势 ，而且燃气在喷管的膨胀降温过程 中，固碳含 量还会进一步 的增 加 ，如 图 2 ( b ) 和 2 ( c ) 所示 ， 喷管出 口处可高达 3 5 4 0 ，燃气 中的 固相在 实际流动过程中发生的两相流损失以及其它负面 影响将降低发动机的性能。 Ex c e s s o x i di z e r c oe ffi c i e n t 图4 氧化亚氮双组元发动机的特征速度 ( 平衡流) F i g 4 Eq u i l i b r i u m fl o w c h a r a c t e r i s t i c v e l o c i t y o f n i t r o u s o x i d e b i p r o p e l l a n t e n g i n e Ex c e s s o x i di ze r c oe ffi c i e n t 图 5氧化亚氮双组元发动机燃烧室的 平均摩尔质量和含碳摩尔分数 F i g 5 C h a mb e r a v e r a g e mo l a r ma s s a n d c a r b o n mo l e p e r c e n t o f n i t r o u s o x i d e b i p r o p e l l a n t e n g i n e 比冲， 蚰 作为衡量发动机性能的重要参数，在 数值上等于等效喷气速度，其大小反映了推进剂 能量的高低和发动机工作过程的完善程度 ，具体 值取决于燃烧温度、燃气平均摩尔质量、比热比 以及膨胀压比P ： P 。图6 分别列出了各氧化亚 氮推进剂组合发动机在平衡流和冻结流条件下的 勰 加 万方数据 第 3 8 卷 第 1 期 王 栋，等：氧化亚氮双组元发动机热力性能计算分析 4 9 比冲随 O 的变化曲线图。N O H ： 由于很低的燃气 平 均摩尔质量 以及 N z O C 2 H 有很高的燃烧 温度 ， 故两者的比冲均较高，尤其 a l 时。而其它 7 种 推进剂组合 的比冲变化趋势相近 ，同等工况下 由 于喷管中平衡流比冻结流释放出更多的焓值，故 计算得出的比冲也较高，而实际中的发动机比冲 值介于两者之间，这将给以后发动机的性能评估 预测提供有力参考。 E x c e s s ox i d i z e r c oe f fic i e n t Ex c e s s -o x i d i z e r e oe 惭 c i e n t ( a )E q u i l i b r i u m ( b )F r o z e n 图6 氧化亚氮双组元发动机比冲 F i g 6 S p e c i f i c i mp u l s e o f n i t r o u s o x i d e b i p r o p e l l a n t e n g i n e 表 3 氧化亚氮推进剂组合的理论性能 T a b 3 Ca l c u l a t e d t h e o r e t i c a l p e r f o r ma n c e f o r n i t r o u s o x i d e b i p r o p e l l a n t 注： 燃烧室压力为 7 0 a t m； 喷管出口压力为 l a r m ；最佳膨胀。理想气体绝热燃烧、等熵膨胀。 对于在 1 a r m压力下沸点低于 2 0的氧化剂或燃料 ，采用沸点时的相对密度 ( 相对于标况下水的密度) 。 万方数据 5 0 火 箭推 进 2 0 1 2年 2月 表 3为 9种氧化亚氮推进剂组合近似对应于 最大 ， sn 值的余氧系数工况下的理论性能计算结 果。N O H 组合具有最高的比冲，N O与醇类燃 料组合的比冲最低 。具有极好空间物理特性的 N ： O C ，H 和 N O C ， H 组