第1章绪论

1.1燃烧现象及应用

1.1.1燃烧现象

燃烧学是一门研究燃烧现象及其基本规律的科学,它涉及化学热力学、化学动力学、流体力学、传质传热学等诸多学科,是一门内容丰富、实用性强的学科。

一般来说,燃烧是指发光并强烈放热的快速化学反应,通常伴随火焰。化学反应通常是燃料的氧化反应或类氧化反应,如氟化氮化和氯化反应等。按化学反应传播的特性和方式,可以分为热分解、强烈热分解、缓燃、爆燃、爆震等形式。

热分解是指化合物分子分解成多个小分子或离子的反应。强烈热分解指物质进行快速的分解反应,通常放热热分解反应在整个物质内部展开,反应速度与环境温度、环境压强有很大关系。在一定条件下(如温度很高)会产生爆炸。缓燃即通常所说的燃烧,其产生的能量通过热传导、热扩散及热辐射作用传入未燃混合物,逐层加热,逐层燃烧,从而实现缓燃波的传播。爆燃也是一种燃烧现象,只不过爆燃的燃烧速度比普通燃烧要快得多,而且爆燃极易发展成为爆轰或爆炸。爆震是一种特殊的燃烧现象,它是通过冲击波对可爆震混合物一层层强烈冲击产生的压缩作用使其发生高速化学反应来实现的,爆震波的传播速度远远大于缓燃波的传播速度,属于超声速燃烧波。

燃烧、爆轰与爆炸反应机理与传播方式不同,但在一定条件下可以相互转化,这与物质本身特性、物质所处环境等有关。

爆轰是一种发生放热化学反应的特殊反应。由于爆轰波在推进剂中传播时,可得到推进剂本身化学反应缩放出能量的补充,因而可以抵消它在传播过程中所损失的能量,维持爆轰波的稳定传播,直到反应结束为止。在体系发生爆轰时的化学反应主要是在一薄层内迅速完成的所生成的可燃性气体则在该薄层内转变成最终的产物,因此,对于爆轰过程来说,化学反应起到了外加能源的作用,也可以认为爆轰过程是一个输入化学反应能量的强间断面的流体力学过程。爆轰反应速度一般大于声速。

爆炸是物质从一种状态迅速转变到另一种状态,并在瞬间放出巨大能量同时产生巨大声响的现象。爆炸伴随着巨大的能量释放,其表现的破坏形式也有多种,冲击波是爆炸最直接的、最主要的破坏力量,爆炸的绝大部分能量都以冲击波的形式表现出来。

燃烧的分类方法很多,除了前面提到的按反应程度划分,也可按其他方式进行划分,例如按燃烧物质本体形态分为固体燃料燃烧、液体燃料燃烧和气体燃料燃烧。煤炭属于典型的 固体燃料燃烧,其燃烧过程由预热、干燥、挥发分析、焦炭生成、挥发分燃烧、焦炭燃烧等一系列组成是复杂的多相燃烧。汽油的燃烧是典型的液体燃料燃烧,在燃烧前需要将汽油雾化、蒸发,并和氧气混合燃烧。氢气和氧气体系属于典型的气体燃料燃烧,氢气分子和氧气分子在气相发生化学反应,燃烧过程相对简单,但很难控制。 此外,燃烧还有多种划分方法,例如:

(1)按有无火焰划分。

(2)按燃料和氧化剂是否预先混合来划分。

(3)按燃烧过程中流体流动是层流还是湍流来划分。

表1-1为一些燃烧现象的分类。

表1-1燃烧现象分类

表1-2为不同燃烧现象的分类和实际范例。
表1-2燃烧分类及实例

预混燃烧是指燃料和氧化剂在燃烧前就事先混合均匀了。但是，在现实生活中，大部分的燃烧现象都属于非预混燃烧，即燃料与氧化剂事先没有混合好，是在点火燃烧过程中边混合边发生剧烈化学反应。
对于非预混燃烧，当化学反应时间远大于混合时间时，燃烧过程受化学动力学控制，称为动力燃烧;当混合时间远大于化学反应时间时，燃烧过程受扩散控制，称为扩散燃烧。大部分情况下，非预混燃烧过程同时受扩散和动力控制。
预混燃烧的优点是可以控制燃烧，如控制预混气为贫燃料状态，可以避免高温，并恰当控制燃烧产物(如产生少量的空气污染物N2等)。预混燃烧虽然有以上优点，但在工业应用并不是很广泛，因为大量的预混反应物有可能偶然聚集在一起，产生无法控制的爆炸燃烧。
1.1.2燃烧的应用
研究燃烧问题，就是要弄清楚燃烧过程的机理，掌握其中能量转换的规律，使燃烧过程尽量满足我们的要求，为人类所用。
燃烧是人类最古老的技术。今天，大约90%的世界能量供应都是由燃烧生成的。燃烧在工程中应用很广泛。
(1)动力生产:人类所需的动力生产几乎都涉及固体、液体和气体燃料的燃烧，如电站锅炉、各种交通工具(汽车、飞机、轮船等)发动机的燃料燃烧。虽然核能、风能和潮汐能正逐步被人类利用，但今后相当一段时间内，燃料燃烧仍然是动力生产的主要来源。
(2)工业应用:如钢、铁、有色金属、玻璃、陶瓷和水泥等工程材料的生产过程，石油炼制、化肥生产、炼焦生产等加工过程都伴有燃烧现象。
(3)采暖:住宅、工厂、办公室、医院及大部分建筑物的取暖。
(4)其他方面。
虽然燃料燃烧为人类的生活提供了极大的能量来源，但同时也必须注意燃料燃烧所引起的不利方面如燃烧产生的污染，火灾对人类带来的灾难等。必须精心控制燃料的燃烧过程，改善燃料燃烧技术。

1.2人类对燃烧的认知历程
人类对火及燃烧现象的实践经验至今至少有50万年的历史。从最早猿人钻木取火到现在煤、天然气的燃烧，人类对燃烧本质的认识越来越深刻。
人类对燃烧认识的几个典型阶段如下:
(1)最早认识:50万年前，猿人从茹毛饮血发展到钻木取火。
(2)中国汉代(公元前200年):开始大规模使用煤;并在约1800年前使用石油，有关石油的使用最早出现在沈括的《梦溪笔谈》。
(3)18世纪中叶:俄国的罗蒙诺索夫和法国的拉瓦锡(A.. Lavoisier)提出可燃物质氧化的学说，揭开了燃烧的秘密。
(4)19世纪:科学技术进一步发展，把物质的燃烧过程作为热力学平衡体系，建立了燃烧热力学，开始研究燃烧不同状态之间参数与能量差异。
(5)20世纪初:美国的路易斯(B. Lewis)和俄国的谢苗诺夫开始了燃烧动力学研究，提出了燃烧化学反应动力学机理，发展了燃烧反应动力学的链式机理。
(6)20世纪30年代:建立了研究燃烧动态过程的理论，提出了燃烧现象的一些概念，如最小点火能，火焰结构、火焰传播速度等。
(7)20世纪30~50年代:逐步从反应动力学和传热传质相互作用等观点，建立了着火、火焰传播和湍流燃烧的规律，并认识到影响燃烧的因素不仅包括反应动力学因素，还包括流体流动、传热、传质等物理因素。
(8)20世纪50~60年代:冯·卡门(Von Karman)提出用连续介质力学来研究燃烧现象逐步发展成为反应流体力学。
(9)20世纪70年代:英国的斯帕尔汀(Spalding)利用计算流体方法研究燃烧，建立燃烧的物理模型和数值计算方法。用它们可以定量地预测燃烧过程和燃烧设备的性能。
(10)进入21世纪以来，随着燃烧技术的发展，新增了大量对燃烧场进行精细观察的手段 (如PV，PLiVPLiF纹影放大，拉曼散射等)，目前已经开始对燃烧场进行微观研究。
从此，燃烧学的研究进入从定性到定量、从宏观到微观的新阶段。
1.3固体火箭发动机内燃烧研究历程
固体火箭发动机的应用已经有近百年的历史，比较系统地、科学地研究固体火箭发动机中的燃烧过程是从第二次世界大战前后的年代才开始的。必须研究掌握在固体火箭发动机工作条件下推进剂的燃烧规律，正确地组织燃烧过程，以确保发动机的正常工作。
火箭和导弹武器的发展历程如下:
(1)火药起源于中国。南宋时期，出现军事火箭。明代初期，军事火箭已趋成熟。
(2)13世纪，元兵西征，火箭技术经阿拉伯传入欧洲随后传印度。
(3)19世纪初期，印度在抗英战争中，使用了火箭。
(4)20世纪初期，现代火箭技术获得发展。
(5)1903年，俄国的齐奥尔科夫斯基提出大型火箭的设计原理(多级火箭概念)。
(6)1926年，美国的R.H.戈达德试飞第一枚无控液体火箭。
(7)1944年，德国V2诞生，同时苏联“喀秋莎”火箭弹诞生。
(8)20世纪50年代后，固体火箭发动机和液体火箭发动机都逐步成为火箭和导弹的动力系统;20世纪70年代后，根据液体火箭发动机和固体火箭发动机的性能特点，两者的主要应用对象逐渐确定下来，液体火箭发动机逐渐应用于运载火箭等民用产品，而固体火箭发动机主要应用于导弹等军用产品。
(9)20世纪50年代后，我国开始研制探空火箭和地地导弹。
(10)20世纪60年代以来，我国逐渐形成了“长征”“东风”“红旗”“霹雳”“前卫”“鹰击”等系列火箭和导弹型号谱系。
火箭和导弹的动力主要为火箭发动机。早期的火箭和导弹主要使用液体火箭发动机，从20世纪70年代开始固体火箭发动机逐步取代液体火箭发动机成为导弹等军事武器的动力系统。目前液体火箭发动机主要应用于运载火箭和微型轨道保持和姿态调整。
固体火箭发动机工作能源为固体推进剂。对于固体火箭发动机来说，固体推进剂的燃烧既是能量转换过程，又是生成工质的过程。推进剂能量转换的完善程度和速度、工质的性质都直接影响发动机的性能，影响到发动机工作的稳定性和可靠性。
最早的固体推进剂是我国古代四大发明之一的黑火药。早在唐朝初期，公元682年左右，炼丹家孙思邈所著《丹经》一书中就有黑火药的配方。公元975年用黑火药的火箭已作为一种武器在战争中使用。13世纪这种火箭传入阿拉伯国家，以后又传到欧洲。但是黑火药能量低、强度差，不能制成较大的药柱，燃烧时生成大量的烟和固体残渣。使用黑火药的固体火箭射程近、杀伤力小。目前黑火药在军事上主要用作固体火箭发动机的点火药。
18世纪末到19世纪初，当时的工业和科学技术有了很大的进步。1832年和1864年相继发明了硝化纤维素和硝化甘油，为固体推进剂的发展提供了条件。1888年瑞典科学家诺贝尔以硝化甘油增塑硝化纤维素制得了双基火药主要用于枪炮武器上。双基火药的能量和其他使用性能比黑火药大有提高，但它要在高压条件下才能稳定、完全地燃烧。1935年苏联的科学家用添加燃烧稳定剂和催化剂的方法降低了双基火药完全燃烧的临界压强，首先将双基推进剂用作火箭发动机的装药，这种火箭弹在第二次世界大战中发挥了威力。1942年美国开始了复合固体推进剂的研究。最初的复合固体推进剂是用高氯酸铵为氧化剂，沥青作燃烧剂并起黏合氧化剂的黏合剂作用。虽然这种推进剂能量低，力学性能差，没有多少实用价值，但它为发展固体推进剂开辟了新的途径。因为这类推进剂装药用浇注方法制造，加大装药尺寸不再是困难的问题，并能制造出复杂的药型。此外可供选用的氧化剂种类较多。随着化学工业的发展，能作燃烧剂和黏合剂的高分子化合物的品种也会不断增加，这就为固体推进剂性能的提高提供了有利的条件。1947年美国制成了聚硫橡胶复合固体推进剂，成为第一代的现代复合固体推进剂，以后又发展了聚氨酯，接着又相继出现了改性双基推进剂，聚丁二烯-丙烯酸推进剂、聚丁二烯-丙烯酸-丙烯腈推进剂以及端羧基聚丁二烯推进剂。20世纪60年代后期研制成了端羟基聚丁二烯推进剂。90年代开始了EPE，GAP等推进剂研究，近年开始了含硼富燃推进剂、铝冰、膏体、电流变等新型推进剂研究。
第二次世界大战后，火箭技术的日益发展也促进了固体推进剂性能的发展。
早期依靠纯经验的方法，研究发动机用推进剂的燃烧特性，以满足火箭发动机设计的需要。随着火箭技术在航空、航天、国防军事等方面的应用日益广泛，人们进行大量的工作，研究固体火箭发动机中出现的种种问题，以改进推进剂的燃烧，改进发动机的性能。通过这些工作，推进剂燃烧的研究无论从理论方面还是实验方面，都取得了很大的发展，获得了大量的研究成果。
固体火箭发动机工作过程自推进剂装药点燃始，至推进剂装药燃烧结束终。在正常条件下，发动机除启动与关车外，绝大多数时间均处于稳态下工作，这与推进剂的稳态燃烧有关。为了预示和改善推进剂的燃烧性能，必须对其在发动机中燃烧过程的机理进行研究。此外，对发生在发动机启动到关机之间的点火、侵蚀燃烧、不稳定燃烧、异常燃烧及中止燃烧等一系列现象，也只有通过燃烧理论的研究才能得到说明。
固体火箭发动机燃烧过程比燃烧基础理论中讨论的燃烧现象要复杂得多，但两者并非完全孤立，而是存在紧密的联系。有关固体火箭发动机燃烧过程的各种理论模型只不过是燃烧基础理论结合有关试验现象在固体火箭发动机中的应用。
为能更好地理解固体火箭发动机燃烧物理过程和燃烧机理，有必要了解相关火箭发动机燃烧基础知识。