火炸藥燃燒熱化學：第3版

內容簡介

由含能材料組成的火藥和炸藥在燃燒時可產生高溫高壓。這一燃燒現象包括從固態到液態或氣態的複雜的物理化學變化，並伴隨有快速的放熱反應。關於燃燒方面的書已出版過不少，例如在1985年由紐約Benjamin/Cummings出版的FAWilliams著作《燃燒理論》第2版，就是一本優秀的理論性書籍；又如1977年紐約科學出版社出版的由IGlassman所寫的《燃燒》一書，是一本適合於研究生的參考書。但是迄今為止還沒有一本關於固態含能材料燃燒方面的參考書出版。因此本書試圖為從事火箭推進和炸藥行業的讀者提供一本在含能材料燃燒方面的介紹性教科書。本書分為四個部分。第一部分（第1～3章）主要對化學能轉化為燃氣熱能的基礎知識作簡單的回顧。附在每章後的參考文獻可幫助讀者更好地理解能量轉化過程的物理基礎，如熱量生成、超聲速流動、衝擊波、爆轟和爆燃。第二部分（第4章）列舉了一些用於火藥和炸藥中的化學物質的能量性能，如生成焓、爆熱、絕熱火焰溫度和比沖。第三部分（第5～8章）主要介紹不同類型的化合物、火藥和炸藥的燃速測試結果。根據對燃燒機理的理解，也討論了從氣相到凝聚相的熱反饋過程和燃燒波結構。列舉在本章中的數據主要來源於作者以前所做的實驗和分析結果。但本書並沒有對固相到液相或氣相的熱分解機理作詳細介紹。第四部分（第9章）主要描述火箭發動機工作過程中可能遇到的一些現象，如火箭發動機的穩定性準則、溫度的敏感性、瞬態點火、燒蝕和振盪燃燒等。對變流量衝壓火箭的基本原理也作了介紹。對用於衝壓火箭的氣體發生劑（即富燃料推進劑）的燃燒特性和能量進行了討論。目前，多種含能材料已套用於火炸藥中，但我們不可能對每種含能材料的燃燒過程都給予全面介紹。本書僅介紹了典型晶態含能材料、聚合物以及各類推進劑的燃燒過程，以便為讀者理解燃燒機理提供一種通用的方法。描述火炸藥燃燒現象的基礎即燃燒動力學，其主要關注的是可產生熱和反應產物的熱化學轉變過程。火炸藥燃燒產生的高溫燃燒產物可形成推力、破壞力以及各種不同類型的機械力。與火炸藥類似，煙火劑發生燃燒反應時主要產生高溫的凝聚相和（或）氣相燃燒產物。火藥主要用於火箭發動機和槍炮武器中，並通過發生爆燃而產生推力，而煙火藥主要用於與煙火有關的體系中，如衝壓發動機、氣體混合發動機以及點火器和照明彈中。第2版增加了煙火劑的熱化學過程，以介紹其在火藥和炸藥中的潛在套用。火藥、炸藥與煙火劑的燃燒特性主要取決於其不同的物理化學性能參數，如能量性能、氧/燃比、氧化劑的粒徑和燃料組分的分解過程。雖然金屬粉已作為火炸藥中的高能燃燒組分以及煙火藥中的重要組分使用，但其與氧化劑發生的氧化和燃燒過程仍然非常複雜，對該過程的機理研究也非常困難。與第1版相同，第2版的第一部分主要介紹燃燒動力學基礎，即主要介紹含能材料的燃燒基礎。第二部分主要介紹含能材料的套用，即火藥、炸藥和煙火劑。同時還詳細介紹和討論了火箭發動機燃燒時可產生的瞬態燃燒、振盪燃燒、點火瞬間以及侵蝕燃燒現象。衝壓發動機是一種新型的推進系統，其使用煙火劑後燃燒性能明顯增強。推進劑燃燒表面處通過邊界層流動的傳熱、傳質過程在火箭發動機的有效控制中起主要作用。在衝壓發動機入口處形成激波是實現衝壓發動機高推進性能的重要過程，因此在附錄B~D中主要介紹了空氣動力學和熱傳遞方面的基礎知識，以作為研究燃燒動力學的基礎。與第1版和第2版類似，第3版主要還是介紹火炸藥燃燒過程中最基本的一些內容。雖然這一版與第2版的章節設定基本相同，但該版在相應章節增加了一些與燃燒現象有關的更為有指導意義的說明和相應的實驗數據，而且這一版還增加了一些火炸藥實際套用中涉及的燃燒數據，而這些數據的獲得則需要一些火炸藥有關的更為先進的科技知識。本書在第4章中，對常見含能材料的化學製備過程進行了詳細闡述。在第6章中，對硝基聚合物常見的平台燃燒現象進行了詳盡的論述以方便構建更為真實的燃燒模型。同時在第6章也對火箭發動機排氣的煙焰特性進行了更為詳盡的闡述。由晶態高氯酸銨（AP）顆粒和碳氫類高聚物組成的複合推進劑是目前套用最廣泛的一類推進劑，這主要由於該類推進劑具有較高的能量，同時還具有很好的物理化學穩定性，但是AP類複合推進劑燃燒時會產生大量的氯化氫氣體，而該氣體由發動機噴管排出後會與空氣中的水蒸氣反應形成對環境有很大危害作用的鹽酸，因此在第12章中重點介紹了一些燃氣清潔的新型推進，即綠色推進劑。綠色推進劑主要由一些不含AP的新型含能材料組成，其物理化學性能目前也可滿足實際套用的需要。在第14章中介紹了一些脈衝式火箭發動機的設計概念。採用一級固體火箭發動機的飛彈，在飛行總射程的後段是無動力飛行的，發動機關機時，飛彈速度越高，射程越大。然而，飛彈的阻力與飛行速度的平方成正比，在速度達到最大後阻力很大，無動力飛行時飛彈必然很快減速，以致在彈道的末端難以再進行較大的機動。如果採用多級發動機分離的形式，無疑又增大了飛彈武器的複雜程度，降低了可靠性。在固體發動機上實現多次點火，把原有的連續推力分配成多段，並控制各段推力的大小、持續時間和時間間隔，可顯著改善固體發動機能量可控性差的缺點，極大地提高飛彈武器的性能。採用多次點火技術的固體發動機即脈衝固體火箭發動機。脈衝固體火箭發動機通常由兩個分離的燃燒室（助推燃燒室和續航燃燒室）和一個發動機噴管組成。助推燃燒室和續航燃燒室內推進劑的點火時間間隔通過精確控制以獲得最優的飛行軌跡。

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