1.本发明属于固体推进剂理论爆热领域，尤其涉及一种固体推进剂的理论定压爆热的计算方法。
背景技术：2.爆热是一种衡量推进剂能量大小的性能参数，其定义是1kg推进剂在规定的初温(一般为298k)和隔绝氧气条件下变成相同温度燃烧产物时所放出的热量。爆热试验需要的样品量一般在几克的量级，相较于发动机法等的样品量少得多，具有经济节约的特点，但由于理论爆热与实际爆热可比性差，因此并不受到相关研究人员的重视。
3.现有技术认为可以通过最小自由能法得到298k下样品的爆热产物，然而推进剂的热力学计算结果表明尽管计算产物是理论上常温物态最稳定的物质，但这种结果与实际实验的结果相差较大，实际燃烧产物最多只能达到某种亚稳态。
技术实现要素：4.本发明的目的是提供一种固体推进剂的理论定压爆热的计算方法，以解决298k下推进剂燃烧产物应用最小自由能法的计算结果与实际偏差太大的问题。
5.本发明采用以下技术方案：一种固体推进剂的理论定压爆热的计算方法，由以下步骤组成：
6.步骤s1：根据已知固体推进剂的原料焓和假定化学式，利用热力学软件计算1kg该推进剂绝热燃烧至恒压绝热下的所有燃烧产物的摩尔数及质量；
7.步骤s2：确定该固体推进剂在298k下的燃烧产物；
8.步骤s3：计算各元素的含量，
9.步骤s4：计算298k下的1kg固定推进剂的燃烧产物总焓h
298
，
10.步骤s5：利用已知固体推进剂的原料焓减去298k下的燃烧产物总焓得到该推进剂的理论定压爆热值。
11.进一步地，燃烧产物总焓h
298
的计算方法为：
[0012][0013]
式中，h
298
为1kg推进剂燃烧产物在298k时的总焓，kj/kg；ni为第i种燃烧产物的质量摩尔浓度，mol/kg；为第i种燃烧产物298k时的标准焓，kj/kg。
[0014]
进一步地，其中，步骤s2的确定固体推进剂的燃烧产物的方法为在恒压绝热的条件下，根据推进剂燃烧时相关反应的速率常数、反应条件：
[0015]
推进剂元素组成为c、h、o、n、cl、al时，其燃烧产物降温到298k后的燃烧产物为co、co2、h2、h2o、n2、hcl、alcl3、al2o3；
[0016]
推进剂元素组成为c、h、o、n、cl、al、fe时，其燃烧产物降温到298k后的燃烧产物为co、co2、h2、h2o、n2、hcl、alcl3、al2o3，fecl2。
[0017]
进一步地，其中，步骤s3中计算各元素的含量，计算各元素含量方法由以下步骤组成：
[0018]
步骤s301：根据n元素守恒计算出n2的摩尔数，其计算公式为
[0019]
步骤s302：设定高温高压下的h2o的含量n
h2o
和hcl的含量n
hcl
在298k下保持不变，根据h元素守恒计算出h2的摩尔数，其计算公式为
[0020]
步骤s303：根据cl元素守恒计算出alcl3的摩尔数，其计算公式为
[0021]
步骤s304：根据al元素守恒计算出al2o3的摩尔数，其计算公式为
[0022][0023]
步骤s305：根据c和o的元素守恒计算出co、co2的摩尔数，
[0024][0025]
步骤s306：计算液态hcl摩尔数，根据hcl在h2o中的溶解度以及h2o的含量计算出溶解在h2o中的hcl摩尔数，其计算公式为
[0026]
其中，为水的体积，
[0027]
步骤s307：计算气态hcl的摩尔数，其计算公式为n
hcl(g)
＝n
hcl-n
hcl(可溶)
，其中，n
hcl
为步骤s302中计算得到的hcl的总摩尔数，n
hcl(g)
为气态hcl的摩尔数，n
hcl(可溶)
为步骤s306中计算得到的液态hcl的摩尔数。
[0028]
本发明的有益效果是：本发明的计算方法剔除298k中最小自由能法下可能存在而实际反应中难以得到的燃烧产物，得到各燃烧产物的具体含量，提高理论爆热的准确性，现有技术由于理论爆热与实际爆热之间可比性差，在表征发动机的能量性能时多采用比冲效率或特征速度效率，不把爆热效率列入考量，而本技术解决了推进剂298k下理论燃烧产物的确定问题，同时应用气相色谱方法论证了计算结果的准确性，得到的爆热效率和发动机法下的比冲效率或特征速度效率吻合得很好，利用本发明可用爆热法替代发动机法，用更少的推进剂得到同样准确的结果，具有经济节约，安全高效的特点。
具体实施方式
[0029]
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0030]
推进剂的理论爆热是依据盖斯三角图得到的，其中298k下推进剂的生成焓可以通过查阅相关手册得到，因此如何确定对应298k下燃烧产物的标准生成焓是计算理论爆热的关键。一般认为应该采用最小自由能法计算298k下的燃烧产物，但是本技术认为这样确定燃烧产物的方法是不合理的，理由如下：
[0031]
已知某推进剂的假定化学式c
11.5737h27.5173o25.1358n14.7073
cl
1.2763
al
6.6724
，表1为该推进剂应用最小自由能法在298k下的燃烧产物。将该推进剂进行爆热测试，产物收集后进行气相色谱检测。
[0032]
检测结果见表2，结果显示气体产物中h2和co占据主导地位。实际测试的结果表明，尽管表1的组分是该配方298k时原子重排后理论上的绝对稳态，但实际燃烧产物由绝热高温降至常温后组分之间会达到某种亚稳态而非绝对稳态，即最小自由能法不能用来确定推进剂298k的爆热产物。
[0033]
表1最小自由能法下该推进剂298k的燃烧产物
[0034][0035]
表2该推进剂燃烧产物气相色谱检测结果
[0036][0037]
本发明公开了一种固体推进剂的理论定压爆热的计算方法，由以下步骤组成：
[0038]
步骤s1：根据已知固体推进剂的原料焓和假定化学式，利用热力学软件计算1kg该推进剂绝热燃烧至恒压绝热下的所有燃烧产物的摩尔数及质量；
[0039]
步骤s2：确定该固体推进剂在298k下的燃烧产物；
[0040]
步骤s3：计算各元素的含量，计算各元素含量方法由以下步骤组成：
[0041]
步骤s4：计算298k下的1kg固定推进剂的燃烧产物总焓h
298
，
[0042]
步骤s5：利用已知固体推进剂的原料焓减去298k下的燃烧产物总焓得到该推进剂的理论定压爆热值。
[0043]
其中，步骤s2的确定固体推进剂的燃烧产物的方法为在恒压绝热的条件下，根据推进剂燃烧时相关反应的速率常数、反应条件：
[0044]
推进剂元素组成为c、h、o、n、cl、al时，其燃烧产物降温到298k后的燃烧产物为co、co2、h2、h2o、n2、hcl、alcl3、al2o3；
[0045]
推进剂元素组成为c、h、o、n、cl、al、fe时，其燃烧产物降温到298k后的燃烧产物为co、co2、h2、h2o、n2、hcl、alcl3、al2o3，fecl2。
[0046]
确定固体推进剂的燃烧产物的理由如下：
[0047]
在等压绝热燃烧产生的高温燃烧产物中很多组分会发生解离，但在298k下这类反应基本不可能发生，绝热高压下燃烧产物中h、cl、n、o、oh等解离产物在298k下不会存在，根据推进剂燃烧时相关反应的速率常数，在298k时计算al的氯化物，主要以alcl3的形式存在，铝的氧化物主要以al2o3存在，aloh和alh的化合物不存在，因此，可以根据等压绝热燃烧的高温产物确定低温下燃烧产物组成。一般来说，推进剂元素组成为c、h、o、n、cl、al时，其
燃烧产物降温到298k后的燃烧产物为co、co2、h2、h2o、n2、hcl、alcl3、al2o3；推进剂元素组成为c、h、o、n、cl、al、fe时，其燃烧产物降温到298k后的燃烧产物为co、co2、h2、h2o、n2、hcl、alcl3、al2o3，fecl2。
[0048]
其中，步骤s3中计算各元素的含量，计算各元素含量方法由以下步骤组成步骤s301：根据n元素守恒计算出n2的摩尔数，其计算公式为
[0049]
步骤s302：设定高温高压下的h2o的含量和hcl的含量n
hcl
在298k下保持不变，根据h元素守恒计算出h2的摩尔数，其计算公式为
[0050]
步骤s303：根据cl元素守恒计算出alcl3的摩尔数，其计算公式为
[0051][0052]
步骤s304：根据al元素守恒计算出al2o3的摩尔数，其计算公式为
[0053][0054]
步骤s305：根据c和o的元素守恒计算出co、co2的摩尔数，
[0055][0056]
步骤s306：计算液态hcl摩尔数，根据hcl在h2o中的溶解度以及h2o的含量计算出溶解在h2o中的hcl摩尔数，其计算公式为其中，为水的体积，此状态下h2o是液态的，会溶解部分气体，考虑到气体的溶解性，hcl的状态需要重新计算。hcl在h2o中的溶解度为70g/100ml，根据产物h2o的摩尔数水的相对分子质量18g/mol和水的密度1g/ml，可以计算得产物中水的体积为(单位ml)。
[0057]
步骤s307：计算气态hcl的摩尔数，其计算公式为n
hcl(g)
＝n
hcl-n
hcl(可溶)
，其中，n
hcl
为步骤s302中计算得到的hcl的总摩尔数，n
hcl(g)
为气态hcl的摩尔数，n
hcl(可溶)
为步骤s306中计算得到的液态hcl的摩尔数，在计算气态hcl的摩尔数时，比较步骤s302中n
hcl
与步骤s306中n
hcl(可溶)
的大小，若n
hcl
≤n
hcl(可溶)
则所有的hcl都是凝聚相，反之hcl就分为凝聚相n
hcl(可溶)
和气相n
hcl(g)
，则n
hcl(g)
＝n
hcl-n
hcl(可溶)
。
[0058]
实施例1
[0059]
步骤s1：已知某推进剂配方，其原料焓为-520.8kj/kg，假定化学式为c
11.5737h27.5173o25.1358n14.7073
cl
1.2763
al
6.6724
。利用factsage软件计算1kg该推进剂6.860mpa下绝热燃烧温度和燃烧产物的摩尔数及质量，见表3。
[0060]
表3 6.86mpa推进剂绝热燃烧产物(3726k)
[0061][0062]
步骤s2：推进剂元素组成为c、h、o、n、cl、al时，其燃烧产物降温到298k后的燃烧产物为co、co2、h2、h2o、n2、hcl、alcl3、al2o3。
[0063]
步骤s301：根据n元素守恒计算出n2的量为7.3536745mol。
[0064]
步骤s302：假定高温高压下的h2o和hcl的含量在298k下保持不变，分别为3.017528mol和0.897629mol，依据h元素守恒计算出h2的含量为：
[0065][0066]
步骤s303：依据cl元素守恒计算出alcl3的含量为：
[0067][0068]
步骤s304：根据al元素守恒计算出al2o3的含量：
[0069]
[0070]
步骤s305：根据c和o的元素守恒计算出co、co2的含量分别是10.848392mol和0.725308mol。
[0071]
步骤s306：计算液态hcl摩尔数，根据hcl在h2o中的溶解度以及h2o的含量计算出溶解在h2o中的hcl摩尔数，根据产物h2o的摩尔数3.017528、水的相对分子质量18g/mol和水的密度1g/ml，可以计算得产物中水的体积为51.315504ml，故能溶解的hcl质量为51.315504
×
0.7＝38.020853g，由于38.020853g＜32.7634585g(hcl的总质量)，因此hcl全部溶解在h2o中，n
hcl(可溶)
＝0.897629mol。
[0072]
步骤s307：计算气态hcl的摩尔数，由于38.020853g＜32.7634585g，因此所有hcl都按照凝聚态计算，气态hcl的物质的量为0，则n
hcl(g)
＝0。
[0073]
步骤s4：计算298k下的1kg固定推进剂的燃烧产物总焓h
298
为-7812.652035kj/kg，计算公式如下：
[0074][0075]
表4 298k下该推进剂燃烧产物
[0076][0077]
步骤s5：利用已知固体推进剂的原料焓减去298k下的燃烧产物总焓得到该推进剂的理论定压爆热值，即原料焓-520.8kj/kg减去燃烧产物总焓-7812.652035kj/kg等于计算出该推进剂的理论定压爆热值为7291.85kj/kg。
[0078]
本实施例的计算结果表明无论绝热燃烧选取的压强多高，本发明计算的298k下的燃烧产物量变化不大，与产物焓差别小于千分之一。由于配方的原料焓是确定的，原料焓减去产物焓即可得到该配方的理论爆热，且爆热值唯一。
[0079]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种固体推进剂的理论定压爆热的计算方法，其特征在于，由以下步骤组成：步骤s1：根据已知固体推进剂的原料焓和假定化学式，利用热力学软件计算1kg该推进剂绝热燃烧至恒压绝热下的所有燃烧产物的摩尔数及质量；步骤s2：确定该固体推进剂在298k下的燃烧产物；步骤s3：计算各元素的含量，步骤s4：计算298k下的1kg固定推进剂的燃烧产物总焓h
298
，步骤s5：利用已知固体推进剂的原料焓减去298k下的燃烧产物总焓得到该推进剂的理论定压爆热值。2.根据权利要求1所述的一种固体推进剂的理论定压爆热的计算方法，其特征在于，所述燃烧产物总焓h
298
的计算方法为：式中，h
298
为1kg推进剂燃烧产物在298k时的总焓，kj/kg；n
i
为第i种燃烧产物的质量摩尔浓度，mol/kg；为第i种燃烧产物298k时的标准焓，kj/kg。3.根据权利要求1所述的一种固体推进剂的理论定压爆热的计算方法，其特征在于，其中，步骤s2的确定固体推进剂的燃烧产物的方法为在恒压绝热的条件下，根据推进剂燃烧时相关反应的速率常数、反应条件：推进剂元素组成为c、h、o、n、cl、al时，其燃烧产物降温到298k后的燃烧产物为co、co2、h2、h2o、n2、hcl、alcl3、al2o3；推进剂元素组成为c、h、o、n、cl、al、fe时，其燃烧产物降温到298k后的燃烧产物为co、co2、h2、h2o、n2、hcl、alcl3、al2o3，fecl2。4.根据权利要求1-3任一所述的一种固体推进剂的理论定压爆热的计算方法，其特征在于，其中，步骤s3中计算各元素的含量，计算各元素含量方法由以下步骤组成：步骤s301：根据n元素守恒计算出n2的摩尔数，其计算公式为步骤s302：设定高温高压下的h2o的含量和hcl的含量n
hcl
在298k下保持不变，根据h元素守恒计算出h2的摩尔数，其计算公式为步骤s303：根据cl元素守恒计算出alcl3的摩尔数，其计算公式为步骤s304：根据al元素守恒计算出al2o3的摩尔数，其计算公式为步骤s305：根据c和o的元素守恒计算出co、co2的摩尔数，步骤s306：计算液态hcl摩尔数，根据hcl在h2o中的溶解度以及h2o的含量计算出溶解在h2o中的hcl摩尔数，其计算公式为其中，为水的体积，步骤s307：计算气态hcl的摩尔数，其计算公式为n
hcl(g)
＝n
hcl-n
hcl(可溶)
，其中，n
hcl
为步骤
s302中计算得到的hcl的总摩尔数，n
hcl(g)
为气态hcl的摩尔数，n
hcl(可溶)
为步骤s306中计算得到的液态hcl的摩尔数。
技术总结本发明公开了一种固体推进剂的理论定压爆热的计算方法，由以下步骤组成：步骤S1：根据已知固体推进剂的原料焓和假定化学式，利用热力学软件计算1kg该推进剂绝热燃烧至恒压绝热下的所有燃烧产物的摩尔数及质量；步骤S2：确定该固体推进剂在298K下的燃烧产物；步骤S3：计算各元素的含量，步骤S4：计算298K下的1kg固定推进剂的燃烧产物总焓H
技术研发人员：王英红 顾涛 梁超 敖文 刘佳浩
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.08.24
技术公布日：2022/12/1
