發(fā)射藥燃燒學

第1章　緒　論………………………………………………………………………… 1
1．1　燃燒科學與含能材料的發(fā)展概況………………………………………… 1
1．1．1　燃燒科學概述……………………………………………………… 1
1．1．2　燃燒科學的發(fā)展簡史……………………………………………… 1
1．1．3　含能材料的發(fā)展簡史……………………………………………… 2
1．2　燃燒科學的應用與研究方法……………………………………………… 5
1．2．1　燃燒科學的應用…………………………………………………… 5
1．2．2　燃燒理論的研究方法……………………………………………… 6
1．3　著火、熄火的基本概念……………………………………………………… 8
1．3．1　著　火……………………………………………………………… 8
1．3．2　熄　火……………………………………………………………… 10
1．4　火焰的概念及火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象……………………………………………… 11
1．4．1　火焰的基本概念…………………………………………………… 11
1．4．2　火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象……………………………………………………… 12
1．5　火焰穩(wěn)定的原理和方法…………………………………………………… 13
1．5．1　火焰穩(wěn)定的基本條件……………………………………………… 13
1．5．2　預混火焰穩(wěn)定的特征和條件……………………………………… 14
1．5．3　發(fā)射藥燃燒火焰的穩(wěn)定傳播……………………………………… 15
1．6　武器系統(tǒng)對發(fā)射藥燃燒性能的基本要求………………………………… 16
第2章　燃燒物理學基礎…………………………………………………………… 18
2．1　多組分反應系統(tǒng)的基本參量及關系式…………………………………… 18
2．2　分子輸運基本定律………………………………………………………… 19
2．2．1　牛頓(Newton)黏性定律………………………………………… 19
2．2．2　傅里葉(Fourier)導熱定律……………………………………… 19
2．2．3　費克(Fick)擴散定律……………………………………………… 20
2．2．4　多組分氣體的交叉輸運現(xiàn)象……………………………………… 21
2．3　多組分反應系統(tǒng)的守恒方程……………………………………………… 23
2．3．1　質(zhì)量守恒方程(連續(xù)方程)………………………………………… 23
2．3．2　動量守恒方程……………………………………………………… 25
2．3．3　組分守恒方程(擴散方程)………………………………………… 26
2．3．4　能量守恒方程……………………………………………………… 28
2．3．5　二維平板附面層守恒方程………………………………………… 31
2．4　澤爾多維奇轉換和廣義雷諾比擬………………………………………… 34
2．4．1　澤爾多維奇轉換…………………………………………………… 34
2．4．2　廣義雷諾比擬……………………………………………………… 35
2．5　多組分反應系統(tǒng)的相似原理……………………………………………… 35
2．6　斯蒂芬流和相分界面上的邊界條件……………………………………… 38
2．6．1　斯蒂芬(Stefan)流………………………………………………… 38
2．6．2　相分界面上的邊界條件…………………………………………… 40
第3章　燃燒化學熱力學基礎……………………………………………………… 42
3．1　生成熱、反應熱及燃燒熱………………………………………………… 42
3．1．1　生成熱……………………………………………………………… 42
3．1．2　反應熱……………………………………………………………… 44
3．1．3　燃燒熱……………………………………………………………… 45
3．2　熱化學定律………………………………………………………………… 47
3．2．1　拉瓦錫Ｇ拉普拉斯(Laplace)定律………………………………… 47
3．2．2　蓋斯(Hess)定律………………………………………………… 47
3．3　自由能與平衡常數(shù)………………………………………………………… 48
3．3．1　熱力學平衡與自由能……………………………………………… 49
3．3．2　標準自由能與平衡常數(shù)…………………………………………… 50
3．3．3　氣體的離解………………………………………………………… 54
3．4　絕熱火焰溫度的計算……………………………………………………… 55
第4章　燃燒化學反應動力學基礎………………………………………………… 58
4．1　化學反應動力學概述……………………………………………………… 58
4．2　化學反應速率……………………………………………………………… 58
4．2．1　基本定義…………………………………………………………… 59
4．2．2　質(zhì)量作用定律、反應級數(shù)和反應分子數(shù)………………………… 60
4．3　影響化學反應速率的因素………………………………………………… 62
4．3．1　反應物濃度和摩爾分數(shù)對化學反應速率的影響………………… 62
4．3．2　溫度對化學反應速率的影響———阿累尼烏斯定律……………… 63
4．3．3　壓力對化學反應速率的影響……………………………………… 67
4．4　催化反應…………………………………………………………………… 68
4．4．1　催化作用概述……………………………………………………… 69
4．4．2　催化劑的基本特征………………………………………………… 69
4．4．3　催化反應的一般機理……………………………………………… 70
4．4．4　單相催化反應……………………………………………………… 72
4．5　鏈式反應…………………………………………………………………… 74
4．5．1　直鏈反應…………………………………………………………… 75
4．5．2　支鏈反應…………………………………………………………… 76
4．5．3　退化支鏈反應……………………………………………………… 78
第5章　固體火藥點火、燃燒模型…………………………………………………… 80
5．1　火藥的分類及特點………………………………………………………… 80
5．1．1　單基發(fā)射藥………………………………………………………… 80
5．1．2　雙基發(fā)射藥………………………………………………………… 81
5．1．3　三基發(fā)射藥………………………………………………………… 83
5．2　黑火藥燃燒特性…………………………………………………………… 83
5．2．1　黑火藥點火特性…………………………………………………… 83
5．2．2　黑火藥傳火現(xiàn)象…………………………………………………… 85
5．2．3　黑火藥燃燒現(xiàn)象…………………………………………………… 86
5．2．4　黑火藥的點火和燃燒反應………………………………………… 91
5．3　火藥點火方法及影響因素………………………………………………… 92
5．3．1　點火本質(zhì)…………………………………………………………… 93
5．3．2　槍炮發(fā)射藥裝藥的點火…………………………………………… 93
5．3．3　影響點火過程的因素……………………………………………… 94
5．4　火藥的點火模型…………………………………………………………… 96
5．4．1　點火理論模型……………………………………………………… 96
5．4．2　點火理論及模型的比較…………………………………………… 99
5．5　固體火藥高壓燃燒特性………………………………………………… 100
5．5．1　密閉爆發(fā)器中火藥特征參數(shù)的計算…………………………… 100
5．5．2　常規(guī)的燃速處理方法與結果…………………………………… 101
5．5．3　火藥實際燃燒規(guī)律與幾何燃燒定律的誤差分析……………… 102
第6章　固體推進劑穩(wěn)態(tài)燃燒特性及理論模型…………………………………… 107
6．1　固體推進劑的分類及特點……………………………………………… 107
6．1．1　雙基推進劑……………………………………………………… 107
6．1．2　復合推進劑……………………………………………………… 108
6．1．3　復合改性雙基推進劑…………………………………………… 111
6．1．4　NEPE推進劑…………………………………………………… 112
6．2　固體推進劑燃燒波結構及特點………………………………………… 113
6．2．1　雙基推進劑……………………………………………………… 113
6．2．2　AP復合推進劑………………………………………………… 116
6．2．3　復合改性雙基(CMDB)推進劑………………………………… 117
6．2．4　硝胺復合推進劑………………………………………………… 119
6．3　固體推進劑燃燒波結構的測試方法…………………………………… 119
6．3．1　燃燒區(qū)溫度分布的測定………………………………………… 120
6．3．2　燃燒區(qū)內(nèi)化學組分的測定……………………………………… 123
6．3．3　燃燒波物理結構的測試方法…………………………………… 124
6．4　固體推進劑的燃燒速度………………………………………………… 126
6．4．1　推進劑燃燒速度的概念………………………………………… 126
6．4．2　推進劑燃速的測試方法………………………………………… 126
6．4．3　壓力對燃速的影響……………………………………………… 132
6．4．4　推進劑初溫對燃速的影響……………………………………… 133
6．5　雙基推進劑穩(wěn)態(tài)燃燒理論模型………………………………………… 134
6．5．1　久保田和薩默菲爾德模型……………………………………… 134
6．5．2　維留諾夫模型…………………………………………………… 138
6．5．3　庫恩模型………………………………………………………… 139
6．6　復合推進劑穩(wěn)態(tài)燃燒理論模型………………………………………… 144
6．6．1　粒狀擴散火焰模型(GDF)……………………………………… 144
6．6．2　BDP多層火焰燃燒模型………………………………………… 147
6．7　AP/HTPB復合推進劑一維穩(wěn)態(tài)燃燒的數(shù)值模擬…………………… 150
6．7．1　物理模型………………………………………………………… 150
6．7．2　數(shù)學模型………………………………………………………… 151
6．7．3　數(shù)值模擬結果與分析…………………………………………… 153
6．8　AP/HTPB復合推進劑二維穩(wěn)態(tài)燃燒的數(shù)值模擬…………………… 156
6．8．1　物理模型………………………………………………………… 156
6．8．2　數(shù)學模型………………………………………………………… 156
6．8．3　網(wǎng)格劃分與求解參數(shù)設置……………………………………… 159
6．8．4　數(shù)值模擬結果與分析…………………………………………… 159
第7章　固體推進劑非穩(wěn)態(tài)燃燒特性及理論模型………………………………… 170
7．1　固體推進劑非穩(wěn)態(tài)燃燒實驗裝置……………………………………… 170
7．2　AP/HTPB推進劑非穩(wěn)態(tài)燃燒特性…………………………………… 171
7．3　AP/HTPB推進劑一維非穩(wěn)態(tài)燃燒模型……………………………… 180
7．3．1　物理模型………………………………………………………… 180
7．3．2　數(shù)學模型………………………………………………………… 181
7．3．3　計算結果與分析………………………………………………… 182
7．4　AP/HTPB推進劑二維非穩(wěn)態(tài)燃燒模型……………………………… 187
7．4．1　物理模型………………………………………………………… 187
7．4．2　數(shù)學模型………………………………………………………… 188
7．4．3　計算結果與分析………………………………………………… 189
7．5　AP/HTPB推進劑降壓熄火簡化模型………………………………… 194
7．5．1　AP/HTPB推進劑熄火臨界條件……………………………… 195
7．5．2　計算結果與分析………………………………………………… 195
第8章　液體推進劑燃燒特性及簡化模型………………………………………… 198
8．1　液體推進劑的分類及性能……………………………………………… 199
8．1．1　單元液體推進劑………………………………………………… 199
8．1．2　雙元液體推進劑………………………………………………… 200
8．2　HAN 基液體推進劑高壓熱物理性質(zhì)的估算………………………… 202
8．2．1　熱力學性質(zhì)……………………………………………………… 202
8．2．2　輸運性質(zhì)………………………………………………………… 206
8．3　HAN 基液體推進劑液滴的燃燒特性………………………………… 208
8．3．1　液滴燃燒實驗裝置……………………………………………… 208
8．3．2　HAN 基液滴燃燒特性………………………………………… 209
8．4　HAN 基液體推進劑液滴燃燒的簡化模型…………………………… 211
8．4．1　物理模型………………………………………………………… 211
8．4．2　數(shù)學模型………………………………………………………… 212
8．4．3　與實驗結果的比較……………………………………………… 214
8．5　影響液體推進劑燃速的環(huán)境因素……………………………………… 215
8．5．1　液體推進劑的燃燒速度………………………………………… 215
8．5．2　壓力對液體推進劑燃速的影響………………………………… 215
8．5．3　初溫對液體推進劑燃速的影響………………………………… 216
8．6　液體推進劑線燃速的測量裝置和工作原理…………………………… 216
8．6．1　測量裝置………………………………………………………… 216
8．6．2　高恒壓環(huán)境的兩種設計方法…………………………………… 218
8．7　液體推進劑線燃速的測量結果………………………………………… 222
8．7．1　液體推進劑AF 315的實驗結果與數(shù)據(jù)處理………………… 222
8．7．2　液體推進劑LP1846的實驗結果與數(shù)據(jù)處理………………… 223
8．8　HAN 基液體推進劑的一維燃燒波結構……………………………… 224
8．9　HAN 基液體推進劑高壓穩(wěn)態(tài)燃燒的一維簡化模型………………… 226
8．9．1　物理模型………………………………………………………… 226
8．9．2　數(shù)學模型………………………………………………………… 227
8．9．3　計算結果與分析………………………………………………… 229
參考文獻……………………………………………………………………………… 231