有关固体火箭推进剂"好坏"的部分评价维度[未完,但是咕了..]
周方圆
杭州高级中学
UICalc 2020-3-8原创 火箭燃料喷气推进
关键词
火箭燃料性能

零 前言

固体火箭燃料,即固体火箭推进剂,是火箭发动机的关键部分。一款优质燃料能让火箭飞的更高更远,同时也能保障使用者的人身安全。我在本文中提出了一些火箭燃料好坏的评价维度,欢迎各位大佬进行补充、提出批评建议。

部分维度会有重叠部分。维度为定性/定量。

一 评价维度

    0 制作

        (0) 安全性

            制作过程是否会对制作者的人身安全造成伤害,包括但不限于制作时是否容易发生自燃、原料的毒性和挥发性、是否需要用到带压/真空容器(如真空浇筑仓)。

        (1) 制作是否方便

            取决于制作工序是否复杂,浇筑性能等。

        (2) 一致性

            不同批次的燃料性能差距大小。影响因素有选材、工艺等。黑火药由于选用木炭,一致性差,有时甚至需要混批来保证均一。

    1 储存

        (0) 安全性

            储存过程是否会发生自氧化引起的燃烧。

            KN含有硝酸根,Mg这些活泼金属,在酸性环境下稳定性欠佳。部分干混燃料需要进行表面处理.

        (1) 稳定性

            长期储存过程是否发生燃料品质的改变。其中包括燃料是否吸潮

    2 工作

        (0) 比冲

            火箭发动机中,单位质量推进剂燃烧时产生的冲量称为比冲,以ISP 表示为:ISP=Im 。其中I为发动机总冲,m为固体推进剂的总质量。比冲是衡量燃料性能的重要标准,其与发动机设计、燃料燃烧焓变、燃气平均相对分子质量等有关。

            类似的还有密度比冲:Iρ=Ispρ ρ为推进剂密度

        (1) 特征速度

            特征速度是描述推进剂做功能力的一个重要参数,定义为燃烧室的室压和喷管喉部截面积的乘积与质量流量之比:c=PcAt/m 。特征速度不是速度,其反映的是推进剂能量和做功能力。

        (2) 燃速

            线性燃速:推进剂燃烧沿表面法线方向消失的速度:u=dedt,e为燃烧层厚度,t为该厚度的燃烧时间。 

        (3) 燃速压力指数

            燃速和推进剂成分、温度、压强有关。与压强的关系:u=u1pn ,其中n为燃速压力指数,u1 为压强1MPa时的线性燃速。燃速压力指数的意义是燃料燃速对压力(压强)的敏感程度,对火箭发动机制作的意义是确定耐压防爆,对燃料的意义是确定燃料是否容易导致发动机爆炸、用于内弹道模拟等。

        (4) 燃料机械性能

            机械性能不好的燃料容易在发动机内变形破裂,加大燃烧表面积,甚至会堵住喷管引起爆炸。

        (5) 爆炸

            部分含能固体推进剂在使用时有DDT风险。部分RAP燃料(现已淘汰)的制作过程极易生成有机胺高氯酸盐,可能引发爆炸

        (6) 燃烧温度

            对喷管选材有参考意义,从而影响成本

        (7) 对喷管烧蚀

            对喷管选材有参考意义,从而影响成本

        (8) 点火性能

            是否容易点火。是否容易喘燃。

        (9) 对于导弹用燃料,还需降低特征信号,从而降低被发现的可能

    3 推广

        (0) 成本

        (1) 原料易得情况

            原料是否管制,原料是否方便购买。

二 评价案例

    0 KNSB

        该燃料熔铸温度低,固化时间长,使用热熔法制作该燃料较为安全而且方便。该燃料吸湿性小于KNSU和KNDX,本人密封储存该燃料一年尚未观察到明显的性质改变。理论比冲164s,较高。高压下可能发生侵蚀燃烧。极端条件下起爆不爆轰。成本低廉,小于20元每500g。原料硝酸钾为易制爆管制品,但作为一种农业常见肥料较易获得。山梨糖醇为常见食品添加剂,同样较易获得。鉴于其适中的性能和低廉的原料获取及制作成本,以及较高的安全性,该燃料适合新手学习使用。适合中小型发动机。

    1 APCP

        该燃料制作过程设计DOA等有毒物质,制作工序复杂且涉及到真空浇筑仓.比冲超过200s,性能高。含铝APCP燃烧温度高,对喷管有一定要求。点火比较困难。发动机设计不合理有烧穿或者耐压不足爆炸的危险。成本较高。原料高氯酸铵为易制爆管制品,在目前国情下极难获得。铝粉为易制爆管制品,较难获得。端羟基聚丁二烯等为化工原料,一般。结论:适合作为进阶燃料。适合中大型发动机。

    2 BP(KN:炭:S15:3:2 含硫配方)

        该燃料制作过程工艺较多。直接“粉压”的燃料难以合格,实际需要压药,工艺复杂。由于含硫,压强指数高,发动机耐压不足、工艺不当容易导致爆炸。一致性差。比冲小于100s,性能低。易发火。原料硝酸钾为易制爆管制品,硫为易制爆管制品,优质木炭(一般使用麻杆炭)难以获得(可以使用绘画用的棉柳炭条代替,但成本高,约0.8-1.2元/g)。结论:适合小型发动机使用,或者用于烟花看花听响。

三 提醒

    请不要以放烟花的态度对待火箭燃料。切记人身安全第一。切记发动机制作前进行内弹道模拟以及力学分析.切忌乱混、凭感觉制作、在理论分析不充分的情况下冒险。

四 参考资料

关于RAP燃料爆轰危险性因素的警告

典型固体火箭燃料名单及禁用名单【20191012修订版】

KNSB的所有数据

KNSB全制作与测试

APCP燃料制作、装机测试全过程

attachment icon 固体推进剂的性能参数及其.pdf 5.57MB PDF 56次下载 预览


[修改于 3 个月前 - 2020-05-21 17:16:24]

+0.5  科创币    负负得正   2020-03-08   前排资瓷
+0.5  科创币    FZX   2020-05-21   资瓷
来自:航天航空 / 火箭燃料航天航空 / 喷气推进
 
12
2020-3-8 15:47:22
UICalc(作者)
1楼

补充:KN含有氧化性酸根,Mg这些活泼金属,在酸性环境下稳定性欠佳。

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3
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2020-3-8 18:35:54
UICalc(作者)
2楼

"KNBS":

安全性未知,浇筑性能差,是否能长期储存未知,吸湿性大,比冲未知,压力指数等未知,原料黃糖来源有限,原料黄糖成分未知...

结论:在数据不充分的情况下,不建议装机.

参考:感觉发现了一种新型优质燃料KNBS

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3楼

支持,

作为新人有(就像我不是一样)强烈欲望希望发帖是正常现象,感觉发了贴就是进阶科创的门槛一样,但是近期喷气推进专栏的发帖水平日渐不行。由于有的同志犯了我以前也犯过的错误就是:“随便配合一下,好像烧起来还可以,就是火箭燃料。”的想法。而没有计算及数据支持,无数前人的惨痛教训已经告诉了我们——不看书,艾玛,死的贼快了。

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UICalc(作者)
4楼

对于一种安全性未知的新燃料,我的建议是少制作 不储存(专门用来验证稳定性的除外).

创新,同时也要保证安全.实验,就要能够复现.

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2020-03-09 14:16:47
5楼

APCP和7013燃料(7013以高氯酸铵为氧化剂,以聚氯乙烯为可燃组分的燃料,1950年由国内科研单位牵头研发的一种成熟的军工燃料,介绍以及制作参考帖:https://www.kechuang.org/t/33110 )均具有一定的弹性,在大发动机高压燃烧使用的情况下,具有很大的形变余量保证极低的断裂导致燃烧失控炸机的几率,对燃料柱气泡的要求是允许一定量的小气泡,这两者发生爆轰几率低。

---

RAP(APER)燃料:以高氯酸铵为氧化剂,环氧树脂为可燃物的高性能燃料。为论坛历来多数爱好者喜用的种类,原始配方的燃料对工艺环节要求极高,燃料内部稍有气泡就会发生燃烧失稳易发生炸发动机事故,而且有喘燃几率,后来出现改进配方均大幅度改善这些缺陷。

参考贴:

原始配方制作篇:https://www.kechuang.org/t/33078

改进配方:https://www.kechuang.org/t/84708

RAP燃料爆轰测试以及警示:https://www.kechuang.org/t/33564






[修改于 5 个月前 - 2020-03-09 14:45:24]

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UICalc(作者)
6楼

2020/3/9 更新:

提高了部分内容的语言严谨程度

添加部分内容

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2020-05-21 12:45:53
2020-5-21 12:45:53
7楼

顺便问一下,KN用网上卖的硝酸钾钙肥可以么?本人老师给的KN快用完了。 sticker


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