三種能量計(jì)算程序在推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)中的比較

李 猛，趙鳳起，徐司雨，高紅旭，儀建華，裴 慶，譚 藝，李 娜，李 鑫

（西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710065）

引 言

在高性能推進(jìn)劑配方研制過(guò)程中，可靠的能量計(jì)算程序可以節(jié)省大量的人力物力和研制經(jīng)費(fèi)，縮短研制周期，已經(jīng)成為配方設(shè)計(jì)的主要工具和手段。國(guó)外在能量特性計(jì)算方面開展了廣泛深入的研究工作，建立了多種能量計(jì)算代碼［1-5］，如美國(guó)NASA-CEA、葡萄牙THOR、加拿大CERV、德國(guó)ICT、俄羅斯REAL等，并對(duì)雙組元以及三組元推進(jìn)劑進(jìn)行了循環(huán)計(jì)算，驗(yàn)證了能量代碼的計(jì)算準(zhǔn)確性［1-5］。國(guó)內(nèi)科研工作者也十分關(guān)注能量特性計(jì)算［6-9］，田德余教授從燃燒產(chǎn)物的放熱性、解離特性和化學(xué)鍵的基本原理出發(fā)，系統(tǒng)闡述了推進(jìn)劑的熱力學(xué)性質(zhì)及其輸運(yùn)性質(zhì)，并與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相結(jié)合，編制了能量計(jì)算程序［9］。西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了能量計(jì)算程序等，但編制的能量計(jì)算代碼計(jì)算準(zhǔn)確性尚未進(jìn)行驗(yàn)證。

本研究使用3種能量計(jì)算程序NASA-CEA、能星及田氏程序?qū)?種典型的固體推進(jìn)劑（CMDB 推進(jìn)劑、HTPB復(fù)合推進(jìn)劑、NEPE 推進(jìn)劑及GAP 推進(jìn)劑）能量特性參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算比較，為推進(jìn)劑研制過(guò)程中使用合適的能量計(jì)算程序提供參考。

1 程序簡(jiǎn)介

NASA-CEA（簡(jiǎn)稱CEA）（Chemical Equilibrium and Applications）是美國(guó)國(guó)家航空航天局飛行推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（NASA Lewis Flight Propulsion Laboratory）的專業(yè)部門NASA Lewis Research Center為火箭、導(dǎo)彈用推進(jìn)劑理論性能預(yù)估建立的計(jì)算代碼，可以計(jì)算給定熱力學(xué)狀態(tài)的化學(xué)平衡、膨脹過(guò)程中平衡流和凍結(jié)流的理論火箭能量性能的計(jì)算、入射和反射沖擊波的性質(zhì)以及爆轟性質(zhì)等。

田德余教授將能量性能計(jì)算與優(yōu)化方法、圖形繪制功能相結(jié)合，編制了田氏能量性能優(yōu)化程序（簡(jiǎn)稱田氏程序），通過(guò)用戶輸入的推進(jìn)劑配方組分迅速計(jì)算出能量特性，并優(yōu)化出最高比沖下的最佳配比，為推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)提供了很大的方便。

能量計(jì)算星程序5.0版（簡(jiǎn)稱能星程序）是由西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)的計(jì)算程序，主要用于固體推進(jìn)劑能量特性計(jì)算、發(fā)射藥火藥力計(jì)算等，可以用來(lái)確定任意化學(xué)系統(tǒng)在給定條件下的平衡特性、化學(xué)組成和相組成，也可以用于計(jì)算熱力學(xué)和熱物理性質(zhì)。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

理論計(jì)算初始假設(shè)條件為：燃燒室壓力設(shè)定為7MPa，噴管出口壓力水平為0.1MPa，配方組分化學(xué)式及生成熱數(shù)據(jù)完全相同。針對(duì)不同的推進(jìn)劑配方體系，通過(guò)改變配方中的組分配比進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，以驗(yàn)證3種程序的計(jì)算準(zhǔn)確性。

2.1 CMDB推進(jìn)劑能量的計(jì)算

本研究使用的CMDB 推進(jìn)劑配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表1所示，能量特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 CMDB推進(jìn)劑配方Table 1 Formulation of CMDB propellant

表2 CMDB推進(jìn)劑能量特性的計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculated results of energy characteristics for CMDB propellant

由表2可看出，用3種能量程序計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)理論比沖一致性很高，計(jì)算值的相對(duì)偏差均小于0.3%。特征速度的相對(duì)偏差小于0.8%。燃燒溫度的相對(duì)偏差小于1.9%，當(dāng)鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于17.5%時(shí)，能星、田氏程序與CEA 的相對(duì)偏差達(dá)到1.8%，而能星與田氏程序的計(jì)算相對(duì)偏差小于0.8%。當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于17.5%時(shí)，3種能量程序計(jì)算的燃?xì)馄骄鄬?duì)分子質(zhì)量對(duì)偏差小于10%，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)等于30%時(shí)，能星與田氏程序計(jì)算結(jié)果的相對(duì)偏差達(dá)到14.25%。

2.2 HTPB推進(jìn)劑能量的計(jì)算

本研究HTPB 推進(jìn)劑配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表3所示，能量特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 HTPB推進(jìn)劑配方Table 3 Formulation of HTPB propellant

表4 HTPB推進(jìn)劑能量特性計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculated results of energy characteristics for HTPB propellant

由表4可知，用3種程序計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)理論比沖一致性很高，相對(duì)偏差小于0.5%；特征速度的相對(duì)偏差小于1%。當(dāng)鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)，燃燒溫度相對(duì)偏差小于1.6%；當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于17.5%時(shí)，燃燒溫度相對(duì)偏差小于0.8%。在燃?xì)馄骄鄬?duì)分子質(zhì)量方面，能星與其他兩種程序的相對(duì)偏差較大，達(dá)到20%。

2.3 NEPE推進(jìn)劑能量的計(jì)算

本研究使用的NEPE 推進(jìn)劑配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表5所示，能量特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表5 NEPE推進(jìn)劑配方Table 5 Formulation of NEPE propellant

表6 NEPE推進(jìn)劑能量特性的計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculated results of energy characteristics for NEPE propellant

由表6可知，用3種程序計(jì)算NEPE 推進(jìn)劑的標(biāo)準(zhǔn)理論比沖一致性很高，相對(duì)偏差小于0.7%。特征速度相對(duì)偏差小于1.15%，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，田氏程序與CEA 計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏差為1.1%，能星與CEA 計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏差為0.4%。燃燒溫度計(jì)算值相對(duì)偏差小于2%。當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，CEA、能星和田氏程序計(jì)算的燃?xì)馄骄鄬?duì)分子質(zhì)量相對(duì)偏差小于10%，而能星與田氏程序相對(duì)偏差值達(dá)到19.22%。

2.4 GAP推進(jìn)劑能量的計(jì)算

本研究使用的GAP推進(jìn)劑配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表7所示，能量特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表7 GAP推進(jìn)劑配方Table 7 Formulation of GAP propellant

表8 GAP推進(jìn)劑能量特性的計(jì)算結(jié)果Table 8 Calculated results of energy characteristics for GAP propellant

由表8可知，用3種程序計(jì)算GAP推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的相對(duì)偏差小于0.4%，特征速度計(jì)算值相對(duì)偏差小于0.7%。當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于17.5%時(shí)，相對(duì)偏差小于1.5%；當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，燃燒溫度相對(duì)偏差達(dá)到2.3%。當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于17.5%時(shí)，能星計(jì)算的燃?xì)馄骄鄬?duì)分子質(zhì)量與其他兩種程序計(jì)算值相對(duì)偏差小于10%；當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，計(jì)算偏差達(dá)到18.2%。

3 能量計(jì)算誤差分析

3.1 生成熱數(shù)值產(chǎn)生的誤差

對(duì)于相同推進(jìn)劑配方，文獻(xiàn)［9］報(bào)道的生成熱相差較大。例如，CL-20（1）的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為416kJ／mol，CL-20（2）的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為376.85kJ／mol，CL-20（3）的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為429.44kJ／mol。ADN（1）的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為-150kJ／mol，ADN（2）的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為-140.30kJ／mol，ADN（3）的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為-135.02kJ／mol。采用能星程序計(jì)算生成熱不同的推進(jìn)劑配方，可檢驗(yàn)由于標(biāo)準(zhǔn)生成熱不同引起標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的偏差水平。表9列出CMDB 推進(jìn)劑中不同CL-20標(biāo)準(zhǔn)生成熱對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論比沖值，表10列出GAP推進(jìn)劑中不同ADN 標(biāo)準(zhǔn)生成熱對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論比沖值。

表9 不同CL-20標(biāo)準(zhǔn)生成熱對(duì)應(yīng)的CMDB推進(jìn)劑理論比沖Table 9 Theory specific impulse of CMDB propellant with different heat of formation of CL-20

表10 不同ADN標(biāo)準(zhǔn)生成熱對(duì)應(yīng)的GAP推進(jìn)劑的理論比沖Table 10 Theory specific impulse of GAP propellant with different heat of formation of ADN

由表9可知，CL-20的標(biāo)準(zhǔn)生成熱對(duì)CMDB推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的影響較小，誤差小于0.4%。由表10可知，ADN標(biāo)準(zhǔn)生成熱對(duì)GAP推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的影響較大，ADN（2）和ADN（3）標(biāo)準(zhǔn)生成熱數(shù)值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的影響較大，誤差0.5%，用ADN（1）和ADN（2）標(biāo)準(zhǔn)生成熱計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的誤差為3%，ADN（1）和ADN（3）標(biāo)準(zhǔn)生成熱計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的誤差達(dá)3.6%。

3.2 壓強(qiáng)比產(chǎn)生的誤差

國(guó)外文獻(xiàn)中壓強(qiáng)一般選用英制單位psia（每平方英寸磅），通常假定燃燒室壓力為1 000psia，噴管出口壓力水平為14.696psia，壓強(qiáng)比為68.05，而國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的壓強(qiáng)比為70，這樣就使得計(jì)算的能量特性參數(shù)與國(guó)外文獻(xiàn)有差異。為檢驗(yàn)其誤差范圍，本研究選用兩種壓強(qiáng)比對(duì)HTPB推進(jìn)劑配方進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 壓強(qiáng)比對(duì)HTPB推進(jìn)劑理論比沖的影響Table 11 Effect of pressure ratio on the theory specific impulse of HTPB propellant

由表11可知，兩種壓強(qiáng)比對(duì)HTPB 推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)理論比沖計(jì)算值的影響不大，標(biāo)準(zhǔn)理論比沖數(shù)值相差7.2N·s·kg-1。但在推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外能量特性參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮壓強(qiáng)比對(duì)能量特性的影響作用。

4 結(jié) 論

（1）采用3種能量計(jì)算程序NASA-CEA、能星和田氏程序?qū)MDB 推進(jìn)劑、HTPB 復(fù)合推進(jìn)劑、NEPE推進(jìn)劑及GAP推進(jìn)劑的能量特性進(jìn)行了循環(huán)計(jì)算，結(jié)果表明：3種程序計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)理論比沖一致性較好，相對(duì)偏差小于0.7%；燃燒溫度的相對(duì)差小于2.3%；特征速度的相對(duì)偏差小于1.2%；燃?xì)馄骄鄬?duì)分子質(zhì)量的相對(duì)偏差較大，最高達(dá)20%。

（2）不同CL-20標(biāo)準(zhǔn)生成熱對(duì)CMDB推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的影響誤差小于0.4%，不同ADN 標(biāo)準(zhǔn)生成熱數(shù)值對(duì)GAP推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的影響誤差達(dá)到3.6%。壓強(qiáng)比的差異對(duì)HTPB推進(jìn)劑配方標(biāo)準(zhǔn)理論比沖的影響不大。

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