喷气推进
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简单讲一下固体火箭发动机的点火
虎哥 2016-5-22 00:38:26
目前大型固体火箭发动机以复合推进剂为主,主要是高氯酸铵-端羟聚丁二烯这类。这种推进剂的发火温度较高,导热率较高,点火难度比双基推进剂高。

爱好者的火箭,在点火的初起阶段很容易发生不稳定燃烧。国内暂时只有KCSA仔细的为爱好者的火箭测量过点火过程的燃烧室压强,并且捕捉到几种不良点火的压强变化曲线。其他爱好者火箭虽然没有测量过燃烧室压强,但从拍摄的视频、测得的推力曲线等来观察,与已经测得的不良现象是一致的。

我们先来看一下一个典型的不良点火。
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图中,左侧的小峰是点火药发火带来的压力和推力峰。点火药发火时,顺便点燃了药柱表面的毛刺和浮尘(药柱内孔是CNC加工的),使压力峰加大,但并未引起发动机整个内表面的燃烧,而是仅仅点燃了点火药附近的很小一部分表面。经过很长时间,燃烧面积才再次扩大,表现出类似从零开始升压到工作压强的曲线。

如果左侧的小峰带来的推力稍稍大一点,就会把火箭弹出发射架,然后发动机熄火,火箭坠落,随后又再次产生推力。一旦发生这种情况,必然造成严重事故——在九江,火箭因为此问题而水平飞行,以百米/秒级别的高速低空飞过公路。而YT-4火箭也存在上述问题,幸好由于火箭重,点火峰只让火箭振了一下,没有推出发射架。而其后的自升压速度缓慢,导致出架速度低,因而发生偏航。

对于上图这种可以零起自升压的火箭发动机(RNX燃料及大面喉比),其实用一个规模小得多的点火管,只要点燃药柱头部的很小一片区域,就能进入2.5秒处的工作状态,避免0秒处的脉冲。因此,可以说对于RNX燃料,用一堆火柴头来点火,也比用上图这种不专业的点火方式(松散银色爆音药包)好。

常见高能燃料(如APCP、RAP)不适宜搞自动升压(否则需要调整配方到危险区域,或者很高的设计压强),小面积点燃时,会在初期发生严重的断续燃烧,如果设计燃烧室压强低,甚至整个工作过程都会断续燃烧(喘燃),严重时还会彻底熄火。2011年安顺年会上的火箭因为燃烧室压力低且点火药严重不足,发生过点火后熄火。TK-1A火箭也存在点火后喘燃的隐患。

为了更好的理解这些问题,我们需要了解点火过程到底发生了什么。

点火药的发火,目的在于把尽量多的能量传递给推进剂。推进剂得到能量以后,发生燃烧,从而使发动机内的压力升高。点火药的燃烧本身也会提升发动机的压力。

如果点火药持续的向推进剂提供能量,使推进剂的点燃面积足够大,在点火药燃烧完毕之前,就已经建立了工作压力,就会产生一个高于正常工作压力的初始压力峰。如下图所示(这些鼠标画的图难以尊重实测,仅做示意)。
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如果点火药燃速很快,产生较多气体,而燃烧时间又很短,在点燃足够面积之前就已经烧完,推进剂还需要自行燃烧升压,就会出现初始压力峰分离现象,如最上面的图。当然,对于不能稳定自升压的燃料,常常伴随喘燃,如下图。
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为什么会发生喘燃呢?目前还没有非常严谨的解释。不过可以从能量的角度做一些分析。

(1)点火以及燃料本身的燃烧,都会产生能量。而发动机排气会带走大量能量。如果带走的某个局部的能量多于其产生和获得的能量,使燃料表面温度降低到发火温度以下,就会熄火。燃烧室内并不是均匀的,可能一片较大的区域降温到发火温度以下,而另一块较小的区域还处于发火温度以上,此时压力降低,从而排气带走的能量也减少。仍然在燃烧的区域又向熄火的区域传递能量,使其温度升高,重新发火。发火以后,压力升高,排气加快,又可能使另一块区域不再具备燃烧条件。

(2)燃料有多种不同速率的反应机制。通常正常点火以后是明火燃烧,换句话说,燃烧主要是在气相区域进行的,气相区域放出热量,传递给凝聚相,从而维持燃烧。但是如果温度还不足够,而压力又很高(排气流量很大),也可能进入没有明火,而是在凝聚相发生放热化学反应的状态,不再大量产生气体产物。随着压力降低,燃料表面温度再次升高,重新发火,重复喘燃过程。

(3)燃料在稳定燃烧时,正在燃烧的燃料会向邻近的燃料层传递热量,传热的方式包括热传导、辐射等方式。邻近的燃料经过预热,达到燃烧的临界条件,才能有序的逐层燃烧。如果发动机内的一部分燃料被点燃,对其它燃料产生冲刷,可以使其它燃料的表面发生燃烧,而未能及时的加热邻近的燃料层,在压力升高后,燃烧条件被破坏。

(4)对于爱好者的火箭,还有可能是燃烧室中积累的气相产物达到着火条件,引发脉冲燃烧,然后点燃表层的燃料,造成喘燃。

大型发动机的不稳定燃烧是十分复杂的,学术界做过大量研究,并能对燃烧稳定性进行预估。不过我认为与爱好者小火箭的喘燃关系不大,相关理论(声振的耦合等)不具备使用条件。感兴趣的读者可参考中文综述:王宁飞,固体火箭发动机不稳定燃烧研究进展,航空动力学报, 2011, 26(6)。

发动机中的燃料必须在一定的压力下才能正常工作。一个在空气中可以良好燃烧的燃料,装到发动机里面以后,一旦点燃,就排走了空气,此时的燃烧方式和在空气中是不同的。许多燃料在一个大气压下,如果没有氧气,就不能稳定燃烧。能够稳定燃烧的最小压强称为临界压强。临界压强与燃料的初始温度有关,温度越低,临界压强越高。不同配方的燃料,临界压强不同。对于APCP燃料,大约在2-3MPa数量级。由于燃气的流动会带走热量,临界压强还与燃气流速有关。对于同一种燃料、同一种初始温度,燃气流速越大,临界压强越高。但燃气流速不能太大,否则由于紊流造成的侵蚀燃烧会加剧,分析变得更为复杂。这些因素组合起来,仅用形象理解,就能发现多种因素互相制约,在某些状态下可能发生不稳定现象,点火作为发动机工作状态变化最剧烈的阶段,应当引起重视。

讲固体火箭设计的书一般都会讲点火,对不稳定燃烧至少也要讲五六十页。所以大家应该自己去看书,抄书的工作从略。

通过上面的分析可以看出,固体发动机的点火装置,应当有以下特点:

(1)产生足够多的能量。
    热量要多,足以将燃料表面尽量大的区域加热到可以燃烧的程度

(2)需要持续燃烧足够的时间。
    燃速要适当,要能够与已经点燃的推进剂一起,维持压强并持续传递热量,直到燃料可以自行正常燃烧。

(3)气体产物要适当,不能太多,也不能太少。
    要产生适当的点火压强,并与燃料燃烧产生的压强平滑过渡。气体产物太多,能量基本都在气体中,会很快从喷管排出,又由于气体热容小,不能将能量有效的传递给燃料表面。且会造成较高的点火压强,不利于过渡到燃料的稳定燃烧。气体产物太少,不利于能量的均匀分布,可能先点燃一部分燃料,最终这部分先烧完,发动机结束工作拖泥带水,且对隔热带来挑战。另外对于某些低压下压力指数较高的燃料,则需要许多燃料参与升压,某些燃料还没升到足够的压强就被吹灭,易发生喘燃。

(4)燃烧的热量要能良好的传递给燃料,最好是产生大量高温固体/熔融液滴迅速分散并粘附在燃料上传热。在发动机制造时,也可以考虑在燃料的内表面刷一层易燃的点火层。但对于大型发动机,为了安全,通常不允许这样做。大型发动机应当设计专门的点火发动机,通常是一个工作周期很短,面喉比较小的小型发动机。

当火箭很小而又难以重复验证时,应按照“少、慢、足”的原则选择点火药。少是指气体产物偏少,慢是指燃速偏慢,有了前两个条件,就能稍微多用一些药,足就是指药量足。

点火装置需要多种药剂。首先需要有发火药,它是固化在桥丝上的少量敏感烟火药。然后,用扩燃药将点火药的火焰迅速扩大到主点火药。在点火过程中,希望主点火药的火焰迅速扩散到整个发动机,同时又需要一定的燃烧时间,避免压力尖峰。因此需要采用造粒的药剂,如造粒的黑药,同时还需要点火炬对火焰加以约束,避免对局部的过度冲刷。综合上述要求以后,用少量有机胶水造粒的高氯酸钾-铝粉之类是不错的选择。如果不造粒,银药会发生爆燃,就会出现本帖第一图的情形。黑药并不需要按照烟火版的逼格来制造,相反,适当增加硝酸钾的量,可以增加其大粒固体/熔融液滴产物,并在点火时形成氧化气氛。

点火装置应当制作成单独的火工品。对于中小型发动机,可以从喷管插入,燃料较长的还可以分为多份药包,用桥丝同步发火。对于大型发动机,应当在“堵头”一侧开安装孔,把点火炬(或点火发动机)从这个安装孔旋进去,并做好耐压密封。对于塞式喷管的火箭,可以安装在喷管座上。

良好的点火应当得到下图蓝色所示的点火曲线。红色通常是点火药燃速太快且不足,黄色是点火药燃速慢且不足的现象。测定燃烧室压强有利于及时发现和纠正不良的点火。
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[修改于 1 年前 - 2018-03-21 16:48:41]

2016-5-22 01:27:44
1楼
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常规的小型固体发动机点火无非就两种,药盒式点火和药柱式点火,后者也是著名的QU8K的点火方式,它虽然有一两秒的延时,但和楼主所说的相比 算是比较安全和稳定的了,论坛里虽然有人也在尝试这种点火方式,但他们依旧是盲测,没有安装传感器  没有任何压力曲线。 不 装压力和推力传感器  做得在漂亮也是百搭,唯一得到的就是看一下烟雾效果而已。
2楼
0
根据以上。。。apcp用一小段rnx点火应该是极好的。。。不过rnx貌似也不太好点,可以用某宝上四凯火箭的点火头点rnx
3楼
0
固体火箭发动机做大后并不会产生严重的声学耦合的高频不稳定燃烧。液体火箭才会。一般来说只要铝粉含量高于0.5%都可以及其有效的抑制高频不稳定燃烧。事实上甚至有不少研究往液氢推进剂中加铝粉的,虽然并不能够提升能量,但是可以用来抑制高频不稳定燃烧
2016-5-29 13:06:01
4楼
0
关于喘燃,最近根据一些经验和所知,花了点空闲时间构建了一个简单的数学模型,已经能定性的解释一些现象(包括喘燃),甚至预言了一些之前可能考虑不道的情况。如果模型是正确的,就有可能定量计算出一些发动机重要的参数(其实通过一般方法也可以求出,不过是更直观了),以后有时间发出来讨论讨论。
2016-6-1 11:26:46
5楼
0
之前有一次PVC发动机(KNDX的)点火后一秒钟从侧面撕裂了,不知和喘燃有无关系?
2016-6-22 23:14:03
虎哥(作者)
6楼
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关于点火装置特点的第4点,点火发动机是目前最有效的办法。
点火发动机的燃烧时间通常在秒量级,需根据燃料的点火特性具体的确定。传热快,热容大的燃料,需要稍微长一些的点火工作时间,相反则较短。
点火发动机应当是减面燃烧的,在初期形成较高的点火压,随着被点燃的燃料面积增加,点火发动机的燃烧面积要迅速的减少,以免与燃料的燃气叠加,而出现压力尖峰。根据燃料的点火特性不同,需要仔细的设计点火发动机的燃烧时间、排气量和燃烧过程,使整个大发动机压力稳定、平滑。一个典型减面燃烧发动机,是黑火药球或者黑火药柱作为主装药的点火发动机,黑火药被挡药板限制住位置,不使过早喷出。其它的火药也是可行的,应根据需要设计火药的配方、颗粒的形状和大小。

[修改于 3 年前 - 2016-06-22 23:31:03]

2016-6-24 14:44:44
7楼
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引用 虎哥 : 关于点火装置特点的第4点,点火发动机是目前最有效的办法。
点火发动机的燃烧时间通常在秒量级,需根据燃料的点火特性具体的确定。传热快,热容大的燃料,需要稍微长一些的点火工作时间,相反则较短。
点……

去年发射YT-5的时候,对KC3025发动机第一次试车后发现黑火药燃速快、火焰小、有爆燃倾向,难以持续产生较大的火焰,反复试验之后用了APCP碎屑和黑火药粒(粒径各约1mm)各1克混合的点火药包上箭发射,从遥测加速度数据和尾部摄像头视频上看效果良好。

虎哥(作者)
8楼
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引用 拔刀斋 :

YT-5是RNX发动机,对RNX来说,最重要的是“点燃”,点火压可以自行建立。对于其它燃料,如果用黑火药来点火,需要的药丸直径通常会比较大,比如10mm的大球,并且数量不少,可能超过燃料重量的1%。

2016-6-26 17:10:36
9楼
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引用 虎哥 : > 引用 拔刀斋 :

YT-5是RNX发动机,对RNX来说,最重要的是“点燃”,点火压可以自行建立。对于其它燃料,如果用黑火药来点火,需要的药丸直径通常会比较大,比如10mm的大球,并且数量不少,……

从实际遥测数据看,点火时一次建立了点火压,略有初始压力峰,不只是点燃,具体数据问@Warmonkey

RNX发动机能自行建立点火压,但在发射里这样用并不合适。 自行建立点火压还会使先点火的区域先烧完,然后壳体局部过热甚至烧穿,以前在小的非金属发动机上遇到过。 当时解决的方法按比例来说确实接近用直径10mm的大球、数量超过燃料重量的1%。

[修改于 3 年前 - 2016-06-26 17:10:54]

虎哥(作者)
11楼
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点火延滞期:从发出点火信号,到发动机建立稳定的工作压强所需的时间。对于军用火箭弹通常不超过0.15秒。
对于复合推进剂,减小氧化剂的粒度有利于改善其低压点火性能。但氧化剂粒度通常并不能为了点火方便而随意修改,点火的问题应该改进点火方法来解决。
2018-3-21 15:46:53
12楼
0
看了您的文章非常赞 您现在在哪个科研所工作? 我在西安灞桥 认识你很高兴

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盖世豪杰
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