固体火箭推进剂的点火理论

由于固体火箭发动机点火过程的复杂性， 建立完整的点火理论模型必须清楚点火期间发生的化学反应、 传热传质、 火焰沿装药表面的传播、 燃烧室增压过程的气体动力学、 非稳态燃烧、 侵蚀燃烧等， 同时， 将点火理论应用于点火装置设计还必须清楚各种点火药的燃烧性能以及点火药量、 点火装置在发动机中所处位置、 发动机喷管有无密封堵盖、 发动机旋转等因素对点火过程的影响， 涉及的内容非常广泛， 在实验上做到精确测量非常困难。

关于固体推进剂的点火过程已经进行了大量的理论和实验研究工作， 提出了多种点火理论。 虽然这些理论并不完善， 但在特定条件下仍具有一定的应用价值。 由于对点火过程中起关键作用的控制因素有着不同的理解， 确认点火的判别准则也不一样， 因而点火理论也不同， 可以归纳为固相点火理论、 气相点火理论和异相点火理论三大类。

1. 固相点火理论

希克斯 （Hicks） 于20世纪50年代初提出固相点火理论的第一个数学模型， 之后科伐尔斯基 （Kovalskil）、 米克希尔 （Mikheer）、 贝尔 （Baer）、 瑞安 （Ryan） 等人相继提出各自的数学模型， 对固相点火理论做了进一步发展。 该理论认为， 固体推进剂点火是外加激励能量和由此产生的凝相放热化学反应二者共同作用的结果， 即固相加热使表面温度升高到点火温度而导致点火。 点火气体以对流传热形式将热量传递给固相推进剂， 当装药表面温度达到某一临界点火温度时， 推进剂固相发生分解， 分解产物在表面薄层内发生固相放热反应， 进一步提高表面层温度， 并为加热下一层推进剂提供热量。 固相点火理论不考虑浓度和温度引起的质量扩散以及周围气相的温度和压强等条件对点火过程的影响， 并认为化学反应和形成火焰的时间极短，因此点火延迟时间tid主要取决于惰性加热时间。固相点火理论采用的点火准则是推进剂表面温度Ts超过某一临界值Tscr，即使固相发生快速放热化学反应的温度。

固相点火理论是在双基推进剂基础上建立起来的， 得到的点火延迟时间与实验结果吻合较好。 对于熔化温度较相近的燃料黏合剂和氧化剂组成的复合推进剂， 点火延迟时间也是以惰性加热时间占主导地位， 也可用固相点火理论预估点火延迟时间。

固相点火理论的主要缺陷是：

（1） 由于忽略了质量扩散和气相成分在点火过程中的作用， 因而不能预估环境压强对点火过程的影响。

（2） 固相熔化、 发泡和某些化学反应等因素， 导致推进剂表面层的物理性质在点火过程中和点火前的初始状态有很大差别， 但该理论未考虑。

2. 气相点火理论

随着高能复合推进剂和点火实验技术的发展， 人们发现环境气体压强和氧化剂浓度对点火过程有着重要影响， 这是固相点火理论所不能解释的。 在激波管点火实验基础上， 萨默菲尔德等人建立了第一个气相点火的一维理论模型， 之后又相继出现气相二维模型等其他模型。 气相点火理论假设点火气体是高温氧化性气体， 在其作用下推进剂表面温度升高， 发生固相熔化和吸热分解， 燃烧剂被氧化， 但不直接发生放热的固相化学反应。 生成的燃烧剂气体扩散到推进剂表面附近的热氧化性气体中， 并与之发生放热化学反应， 反应速度取决于燃烧剂气体和热氧化性气体的浓度。 由此可见， 对点火过程起支配作用的是气相组分之间的化学反应， 故称为气相点火理论。 该理论的点火准则有两个， 一是气相区温度达到点火气体温度的a倍， 二是气相中出现温度的极值。

气相点火理论强调气相反馈热的影响， 认为气相反应是控制点火过程的主要因素。 该理论的主要优点是可以预估环境条件 （氧浓度、 压强等因素） 对点火延迟的影响。 由于复合推进剂中作为燃烧剂的黏合剂的熔化温度大大低于氧化剂颗粒的熔化温度， 燃烧剂蒸发的气体与环境氧化剂有更多的反应时间， 因此预估结果与复合推进剂点火参数的影响趋势一致性较好。 但是， 气相点火理论建立在以热氧化性气体点燃纯燃料 （不含氧化剂） 的实验基础上， 所得结论在应用上受到一定限制。

3. 异相点火理论

异相点火理论由安德森 （Anderson） 和布朗 （Brown） 等人提出， 最初是从研究自燃点火现象发展起来的。 该理论认为固相燃烧剂和环境氧化剂在固-气界面上的放热化学反应是点火过程的控制反应， 因为初始的放热反应发生在固-气相之间， 故称之为异相点火理论。由于该理论建立在一些简单的假设基础上， 致使点火延迟时间的定量预估与实测结果不能很好吻合， 而且固体火箭发动机一般不采用自燃式点火， 因此其实用性不大。