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        多分支管脈沖爆震火箭發(fā)動機的實驗研究*

        2010-12-07 06:10:06秦紅強李建玲
        彈箭與制導(dǎo)學(xué)報 2010年4期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動機實驗

        秦紅強,范 瑋,李建玲,嚴(yán) 宇

        (西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院,西安 710072)

        0 引言

        脈沖爆震火箭發(fā)動機[1-3](pulse detonation rocket engine,PDRE)是一種利用周期性爆震波發(fā)出的沖量產(chǎn)生推力的非穩(wěn)態(tài)新型推進(jìn)系統(tǒng)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、熱循環(huán)效率高和工作范圍寬等諸多潛在優(yōu)勢,因此世界上很多國家都開展了相關(guān)研究。由于小尺寸單管PDRE產(chǎn)生推力的有效面積小,而在大的爆震管中起爆又比較困難,因此發(fā)展多管PDRE成為研究實用型發(fā)動機的趨勢。但目前所研究的多管PDRE大多是每個爆震管都有各自的供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,而且重量大。美國的Paul[4-5]等人研究了爆震波在T型分叉管和Y型分叉管中的傳播,發(fā)現(xiàn)在一定的結(jié)構(gòu)下爆震波可以成功傳播到兩個分叉管中并繼續(xù)傳播。他們還利用跨接管實現(xiàn)了一個點火源起爆兩個并接爆震管中的爆震。文中采用航空煤油為燃料,氧氣為氧化劑,進(jìn)行了一系列的煤油/氧氣兩相脈沖爆震實驗[6],考察了爆震波在單爆震管中以及從單爆震管進(jìn)入多分支管(2管、3管和4管)的傳播情況,并以單爆震管為基本構(gòu)型,對比研究了分支管中的爆震波傳播情況和發(fā)動機整體推力性能的變化,探索具有更高推進(jìn)性能發(fā)動機的設(shè)計方案。

        1 實驗裝置

        兩相脈沖爆震實驗系統(tǒng)是由供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和發(fā)動機臺架等構(gòu)成,如圖1所示。

        圖1 兩相脈沖爆震實驗裝置示意圖

        選用單管PDRE作為基準(zhǔn),其長度為1.47m,內(nèi)徑30mm。預(yù)混室左端為封閉端,液態(tài)煤油由離心噴嘴從封閉端噴射入爆震管,氧氣和隔離氣沿封閉端軸向進(jìn)入,其中氧氣、煤油和隔離氣的供給由電磁閥和控制系統(tǒng)控制。距離封閉端65mm處安裝了一個火花塞,點火能量約為50mJ。氧氣和煤油在爆震管內(nèi)混合后,由火花塞點燃。起爆段總長350mm,內(nèi)裝有350mm長的Shchelkin螺旋作為湍流增強裝置,以促進(jìn)爆燃向爆震的轉(zhuǎn)變,縮短DDT距離。在距離封閉端570mm、630mm、1320mm和1380mm處布置了4個壓力測點(P1、P2、P3和P4),用于判斷爆震在該處是否形成。使用的壓力傳感器為壓電式傳感器,使用DEWE -3020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采樣率為200k。

        多管PDRE總長仍為1.47m,分別為兩管、三管和四管PDRE。如圖2~圖4所示,多管發(fā)動機的前面和單管是一致的,單管向多管分支的轉(zhuǎn)接段長270mm,采用90°轉(zhuǎn)角設(shè)計。每個分支爆震管上均布有兩個壓力測點,距離封閉端分別為1320mm和1380mm,空間位置分布如圖5所示(每個分支管上數(shù)字編號小的測點在前端,大的在后端)。

        圖2 90°轉(zhuǎn)角的雙分支管PDRE示意圖

        2 實驗結(jié)果與分析

        圖3 90°轉(zhuǎn)角的三分支段

        圖4 90°轉(zhuǎn)角的四分支段

        圖5 壓力傳感器空間分布示意圖

        實驗的環(huán)境壓力為1atm,環(huán)境溫度為25℃,發(fā)動機的工作頻率為5Hz。由CEA程序計算得到的理想煤油/氧氣爆震壓力為4.100MPa,爆震溫度為3909.2K,爆震波速為2355.2m/s。在兩相噴霧爆震中,考慮到液體燃料的混合、液滴的分布和液滴尺寸等對爆震波的影響,兩相噴霧爆震的特性參數(shù)達(dá)到CEA計算值的70%即可認(rèn)為產(chǎn)生了充分發(fā)展的爆震波。

        2.1 單管PDRE基準(zhǔn)實驗

        單管PDRE是本實驗的基準(zhǔn),圖6為發(fā)動機上4個測點處的壓力波形??梢钥闯?,4個測點處的壓力波形相當(dāng)整齊,而且壓力峰值均在3.8MPa以上。這表明在爆震管中形成了充分發(fā)展的爆震波,而且爆震波能夠穩(wěn)定自持傳播到爆震管出口。根據(jù)任意兩個測點同一次爆震中出現(xiàn)壓力峰值的時間差和兩測點之間的距離,可以計算出爆震波的傳播速度。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),計算出P1和P2之間的爆震波平均速度為1699.6m/s。圖7為測量的發(fā)動機推力曲線,可以看出,5次爆震過程中發(fā)動機所產(chǎn)生的最大瞬時推力均在800N左右。

        2.2 雙分支管PDRE實驗

        圖6 單管PDRE連續(xù)工作1s的壓力曲線

        圖7 單管PDRE連續(xù)工作1s的推力曲線

        圖8為雙分支管PDRE連續(xù)工作1s中5次循環(huán)時其中4個測點處的壓力波形。由圖可知,P1和P2兩個測點每次爆震的壓力峰值均在4.0MPa左右,5次爆震平均的壓力峰值分別為3.88MPa和4.00MPa,說明在分支前主爆震管內(nèi)已經(jīng)形成了充分發(fā)展的爆震波。分支后P4和P6位置5次爆震平均的壓力峰值分別為3.43MPa和3.49MPa。P3 -P4之間和P5 -P6之間的爆震波平均速度分別為1928.5m/s和1942.8m/s。可以看出,爆震波從單管分支傳播進(jìn)入雙管后,爆震波強度稍有衰減,但仍能夠在兩個分支管中自持傳播。雙管PDRE的推力測量曲線如圖9所示,5次爆震所產(chǎn)生的最大瞬時推力均在1600N左右,為單管PDRE的兩倍,其1s內(nèi)的平均推力較之單管基準(zhǔn)構(gòu)型增益達(dá)73.28%。這是因為相對單管構(gòu)型,雙分支結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有效推力的面積增大,而且爆震波在分支之后強度變化不大,因此產(chǎn)生的推力近乎加倍。

        2.3 三分支管PDRE實驗

        圖8 雙分支管PDRE連續(xù)工作1s的壓力曲線

        圖9 雙分支管PDRE連續(xù)工作1s的推力曲線

        圖10為三分支管PDRE其中5個測點處1s內(nèi)的壓力波形,其中P1和P2兩個壓力測點每次爆震的壓力峰值均高于4.0MPa,P1 -P2之間的爆震波平均速度為1542.9m/s。說明分支前已經(jīng)形成了爆震波。分支后P4、P6和P8三個對應(yīng)位置5次爆震平均的壓力峰值分別為 2.43MPa、2.41MPa和1.54MPa。P3-P4間、P5-P6間以及P7 -P8間的爆震波平均速度分別為1141.4m/s、1116.4m/s和1157.9m/s。爆震波從單管分支傳播進(jìn)入3個管后,爆震波強度明顯衰減,CJ爆震退化為不穩(wěn)定的弱爆震在3個分支管中傳播。在分支的3個爆震管中,左右兩側(cè)的分支管中爆震波壓力基本相同,而上側(cè)分支管中爆震波壓力更低一些,這說明上側(cè)管中的爆震衰減較為嚴(yán)重,這是由于油氣混合物受重力作用,更容易進(jìn)入左右兩側(cè)分支,所以兩側(cè)的填充比上面的充分,從而造成爆震波壓力大小的差異。三管PDRE的推力測量曲線如圖11所示,5次爆震所產(chǎn)生的最大瞬時推力進(jìn)一步增大,均在1700N左右,計算出的平均推力較之基準(zhǔn)構(gòu)型推力增益為18.38%,較之雙管分支則有所下降。這是由于三管分支后爆震波強度降低較大,壓力和速度均大幅度降低,因此推力增益不大。

        2.4 四分支管PDRE實驗

        圖10 三分支管PDRE連續(xù)工作1s的壓力曲線

        圖11 三分支管PDRE連續(xù)工作1s的推力曲線

        圖12是四分支管PDRE其中6個壓力測點位置5個工作周期內(nèi)的壓力波形。P1和P2兩個壓力測點每次爆震的壓力峰值均高于4.0MPa,可看出分支前已經(jīng)形成了充分發(fā)展的爆震波。分支后P4、P6、P8和P10四個對應(yīng)位置5次爆震平均的壓力峰值分別為1.55MPa、1.74MPa、1.09MPa和1.36MPa。爆震波從單管傳播進(jìn)入4管后,爆震波強度明顯衰減,能夠自持傳播的CJ爆震退化為不穩(wěn)定的弱爆震在4個分支管中傳播。四管PDRE推力測量曲線如圖13所示,5次爆震中發(fā)動機所產(chǎn)生的最大瞬時推力均在1800N以上,計算出的1s內(nèi)平均推力較之單管基準(zhǔn)構(gòu)型降低了4.89%。這是因為爆震管分支成4支后,填充已經(jīng)沒有之前充分,所以主爆震管內(nèi)的爆震波傳播到4個分支管后爆震波強度大幅度降低,能量損失較大,因此推力性能降低。

        3 結(jié)論

        針對單管PDRE和3種多分支管PDRE進(jìn)行了實驗研究,分析得到如下結(jié)論:

        1)利用煤油和氧氣,在一定的供給條件下,利用低能量的點火裝置就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的兩相爆震,發(fā)動機穩(wěn)定工作。

        2)爆震波從單管分支傳播到多管后,爆震波強度降低,而且分支數(shù)越多,爆震波衰減越厲害。

        3)增加分支爆震管的數(shù)目會影響PDRE的推力性能,其中雙分支管PDRE和三分支管PDRE的推力有所提高,最高增益達(dá)73.28%,而四分支管PDRE的推力則有所降低。

        圖12 四分支管PDRE連續(xù)工作1s的壓力曲線

        圖13 四分支管PDRE連續(xù)工作1s的推力曲線

        [1]Bussing T,Pappas G.An introduction to pulse detonation engines,AIAA 94-0263[R].1994.

        [2]Kailasanath K.Recent developments in the research on pulse detonation engines[J].AIAA Journal,2003,41(2):145-159.

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        [4]August J Rolling,Paul I King,F(xiàn)red R Schauer.Propagation of detonation wave in tubes split from a PDE thrust tube,AIAA 2002 -3714[R].2002.

        [5]Kristin L Panzenhagen,Paul I King,et al.Liquid hydrocarbon detonation branching in a pulse detonation engine,AIAA 2004-3401[R].2004.

        [6]Li J L,F(xiàn)an W,Yan C J,et al.Experimental investigations on detonation initiation in a Kerosene-oxygen pulse detonation rocket engine[J].Combustion Science and Technology,2009,181(3):417-432.

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