楊銀軍，竇志國，段立偉

（裝備學(xué)院激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101416）

等離子體強(qiáng)化超聲速燃燒研究進(jìn)展

楊銀軍，竇志國，段立偉

（裝備學(xué)院激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101416）

超聲速點(diǎn)火和燃燒是超燃沖壓發(fā)動機(jī)研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。論文總結(jié)了國內(nèi)外在碳?xì)淙剂系牡入x子體點(diǎn)火助燃方面研究進(jìn)展，重點(diǎn)列舉了國外在裸電極直接點(diǎn)火和噴注等離子體火炬兩種等離子體點(diǎn)火方式的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究，以便于我國的科研工作者與國際同行開展國際合作與學(xué)術(shù)交流。

等離子體；點(diǎn)火；超聲速燃燒

0 引言

高超聲速飛行是21世紀(jì)航空航天技術(shù)新的制高點(diǎn)，是航空航天史上繼發(fā)明飛機(jī)、突破聲障飛行之后的第三個里程碑。高超聲速飛行技術(shù)的突破，將對國際戰(zhàn)略格局、軍事力量對比、科學(xué)技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及綜合國力提升等產(chǎn)生重大和深遠(yuǎn)的影響[1]。近年來，隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展,高超聲速發(fā)動機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為世界各國的研究熱點(diǎn)[2]。該類發(fā)動機(jī)具有為飛行器提供高超聲速飛行的能力，但也帶來了另一難題：超聲速燃燒。在超聲速燃燒過程中，燃?xì)饬鹘?jīng)飛行器燃燒室的速度極快，導(dǎo)致其滯留時間非常短[1]。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在毫秒量級以下的滯留時間內(nèi)，只有氫氣能夠完全燃燒。然而，由于氫氣能量密度很低，為了實(shí)現(xiàn)高比沖推進(jìn)，必須采用高能量密度的碳?xì)淙剂?。隨著來流馬赫數(shù)的增大，燃料快速充分的混合和燃燒越來越困難，碳?xì)淙剂系狞c(diǎn)火延遲時間通常要比氫氣高一個量級，而其燃燒速度要比氫氣低一個量級，從而不可能在低于毫秒量級的滯留時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全燃燒[3]。提高燃料的燃燒效率，可以增加發(fā)動機(jī)的比沖。比沖的增加，有助于減少燃料的攜帶量，增加飛行器有效載荷，減小飛行能耗，增大飛行器行程。因此，對于開發(fā)和研制基于碳?xì)淙剂系母弑葲_超聲速發(fā)動機(jī)，加速點(diǎn)火和提高燃燒速度是最為關(guān)鍵和迫切需要解決的問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，超燃沖壓發(fā)動機(jī)的輔助點(diǎn)火主要有三種方法：施加引導(dǎo)火焰，添加活性燃料和安裝火焰穩(wěn)定器。前兩種方法最大的缺陷在于需要增設(shè)引導(dǎo)火焰燃燒器或者單獨(dú)儲存活性燃料的設(shè)備，而安裝支板等被動控制器件的缺點(diǎn)是作用有限且會增大總壓損失。近年來，由于等離子體能夠以很小的能量為代價極大地增加活性基濃度而被公認(rèn)為是加速點(diǎn)火的最有效方法，因此有希望應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機(jī)中，以實(shí)現(xiàn)碳?xì)淙剂显诔曀贇饬髦谐晒c(diǎn)火。

表1 來流在燃燒段的遲滯時間和燃料的延遲時間

超燃沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)的燃料點(diǎn)火有兩種方式：一是在超聲速氣流中直接點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)真正意義上的超聲速燃燒；另一種就是借助凹腔等火焰穩(wěn)定器，增大氣流的滯留時間，這種情況更多的是亞聲速燃燒。國外研究在超聲速氣流中實(shí)現(xiàn)等離子體點(diǎn)火主要采用以下兩種方式：使用裸電極在凹腔中直接放電和噴注等離子體火炬。

1.1 裸電極直接點(diǎn)火

采用裸電極在凹腔中直接放電，其優(yōu)勢在于在放電的時候不僅在可燃?xì)怏w中直接產(chǎn)生對燃燒增強(qiáng)起主要作用的活性基，而且可以加速燃料與主流之間的混合。美國的斯坦福大學(xué)和俄羅斯科學(xué)院是采用這種形式的主要代表。

2006年俄羅斯科學(xué)院的Sergey等人[4]采用多電極準(zhǔn)直流放電與凹腔結(jié)合的方式，在馬赫數(shù)為1.9的空氣來流中實(shí)現(xiàn)了乙烯的穩(wěn)定燃燒。如圖1所示，放電時在凹腔的前臺階會出現(xiàn)5道電弧，這樣就會在凹腔回流區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個高溫電離區(qū)，保證乙烯空氣混合物的穩(wěn)定燃燒。

2010年斯坦福大學(xué)的Breden等人[5]在超聲速流中利用納秒脈沖放電研究了等離子體的熱力學(xué)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)得到，激發(fā)出的氧活化粒子密度為1021m3；當(dāng)?shù)入x子體脈沖寬度為100ns～1μs時，電壓、電子碰撞離解是氧原子、氫原子和氫氧基的驅(qū)動源。Breden所在小組的Do在他的博士論文[6]中研究了超聲速流動中氫和乙烯燃料采用納秒脈沖等離子體放電的點(diǎn)火問題，非平衡等離子體由峰值電壓15kV、脈寬20納秒和重復(fù)頻率50kHz的源產(chǎn)生，研究了馬赫數(shù)1.7到3.0范圍內(nèi)的流動和激波結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)等離子體減少了點(diǎn)火延遲，增加了活化基的產(chǎn)生。圖2為有無等離子體作用時OH基的PLIF測量結(jié)果。

1.2 噴注等離子體火炬

采用等離子體火炬噴注方式的主要代表是日本的東北大學(xué)、美國的維吉尼亞理工大學(xué)和韓國首爾大學(xué)。

（1）數(shù)值仿真。2002年日本東北大學(xué)的Takita[7]數(shù)值仿真了不同等離子體火炬的點(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒的效果。仿真過程中采用氧氣、氮?dú)夂蜌鍤馊N不同的等離子火炬，燃料使用氫氣。結(jié)果表明，局部的當(dāng)量比是影響等離子體火炬穩(wěn)定燃燒的重要因素，除此外，還觀察到了低馬赫數(shù)范圍內(nèi)的等離子體火炬與燃料之間的火焰?zhèn)鞑?。比較表明，氬氣等離子體火炬的性能比氧氣和氮?dú)獾亩家睢?/p>

2005年日本Minato等人[8]三維數(shù)值仿真氧氣作為等離子體火炬工質(zhì)氣體，火炬置于氫氣噴口前且都采用橫向入馬赫數(shù)為2.5的超聲速來流。數(shù)值研究表明氫氣噴口位于等離子體火炬下游時，即使注入氫氣壓力比火炬小，也能產(chǎn)生更高的滲透高度。高溫等離子氣體與氫氣相遇時分成左右兩部分繞流，并在界面上生成火焰。

2009年日本東北大學(xué)的Watanabe等人[9]數(shù)值仿真了在超聲速內(nèi)流中，放置等離子體火炬影響氫燃料點(diǎn)火和燃燒的特性，對比分析了不同的等離子體火炬能量、不同燃料噴射位置對氫燃料燃燒的影響。當(dāng)燃料噴注位置在等離子體火炬下游時燃燒較弱，而在等離子體火炬上游時，燃燒得到了強(qiáng)化，燃料噴注上游產(chǎn)生偽激波，強(qiáng)烈影響主流與燃料的混合。圖3表明隨著等離子體炬能量的不斷增大，氫燃料噴流上游逐漸產(chǎn)生系列激波串，強(qiáng)化了混合過程。

（2）實(shí)驗(yàn)研究。2003年日本東北大學(xué)的Murakami等人[10]實(shí)驗(yàn)研究了超聲速流中甲烷和乙烯燃料使用等離子體火炬點(diǎn)火助燃特性，并和氫氣進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)是在馬赫數(shù)為2.3，壓強(qiáng)和溫度與大氣環(huán)境相一致的來流中進(jìn)行的，通過測量下壁面的壓力來判斷是否成功點(diǎn)燃燃料。結(jié)果表明，在相同當(dāng)量比下，燃燒后的壁面壓力增量大小依次是：氫氣、乙烯和甲烷。這也證明了在超聲速流中，碳?xì)淙剂嫌捎诓煌耆紵?，釋放的熱量很少。同時，他們還實(shí)驗(yàn)研究了不同工質(zhì)的等離子體火炬對甲烷和氫氣點(diǎn)火助燃的影響[11]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示氧氣作為火炬工質(zhì)時效果最好，而且將燃料噴射置于火炬位置上游更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，這是因?yàn)槿剂蠂娮⑸嫌萎a(chǎn)生了激波串，加速了燃料與來流在展向上的混合。

2007年日本東北大學(xué)的研究小組[12]在超燃沖壓發(fā)動機(jī)模型中又進(jìn)行了雙等離子體火炬的點(diǎn)火助燃實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明O2-O2等離子火炬的效率最高，但是H2/N2-O2和O2-O2等離子火炬前方比O2-O2等離子火炬更早的出現(xiàn)了激波串。經(jīng)過與單等離子體火炬的實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，它們的效果幾乎相同，雙等離子體火炬沒有明顯優(yōu)勢。

2010年韓國首爾大學(xué)的研究人員[13]應(yīng)用等離子體火炬技術(shù)在馬赫數(shù)為2的超聲速氣流中進(jìn)行了氫燃料混合及點(diǎn)火研究，其研究背景是雙模超燃沖壓發(fā)動機(jī)。如圖5所示，燃料采用平行噴射方式。他們認(rèn)為等離子體火炬的作用是提供一個熱源，所以只有流經(jīng)等離子體火炬上方的燃料才能被點(diǎn)燃。實(shí)驗(yàn)是在冷流條件下進(jìn)行，其結(jié)果是雖然燃料被成功點(diǎn)燃且燃燒室出現(xiàn)了熱壅塞，但燃燒區(qū)域仍沒有侵入到主來流之中。

國內(nèi)研究人員也進(jìn)行了一定的研究工作，工作起步較晚，基礎(chǔ)薄弱，相關(guān)研究較少。西北工業(yè)大學(xué)宋文艷等人[14]研究了超燃沖壓發(fā)動機(jī)在較低飛行馬赫數(shù) （Ma＜4）下的點(diǎn)火啟動問題，采用等離子體點(diǎn)火和先鋒氫燃料，實(shí)現(xiàn)了煤油的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒。郭向陽等人[15]通過數(shù)值仿真分析了等離子體產(chǎn)生的主要活性基對燃燒過程的影響，開展了等離子體助燃化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

2 總結(jié)分析

目前，在碳?xì)淙剂系牡入x子體點(diǎn)火助燃方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明：等離子體能夠強(qiáng)化點(diǎn)火與促進(jìn)燃燒，但其中所涉及的機(jī)理卻仍不清楚，有待進(jìn)一步的探索。例如：由于等離子體會導(dǎo)致系統(tǒng)熱量和化學(xué)反應(yīng)活化能同時變化，目前還很難區(qū)分和確定助燃過程中等離子體帶來的熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)。同時，涉及到等離子體和燃燒的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理還很少被應(yīng)用于等離子體助燃的定量研究中，對等離子體化學(xué)反應(yīng)與燃燒化學(xué)反應(yīng)的耦合作用還不清楚。

美國和俄羅斯是以主被動結(jié)合，即在凹腔中放電的形式進(jìn)行等離子體點(diǎn)火助燃，主要優(yōu)點(diǎn)是除燃料外不需要攜帶其他工質(zhì)氣體，使得發(fā)動機(jī)整體更加簡單可靠，重量更輕；缺點(diǎn)是凹腔會產(chǎn)生很大的總壓損失，且電源要求高，現(xiàn)在他們已經(jīng)將研究重點(diǎn)由電弧等離子體轉(zhuǎn)換為高壓納秒脈沖放電等離子體。日本和韓國的研究重點(diǎn)放在了等離子體火炬的使用上，研究了不同的放電工質(zhì)和等離子體火炬噴射位置及加入后向臺階對燃燒的影響，優(yōu)點(diǎn)是燃燒比較可靠，但缺點(diǎn)也比較突出，需要攜帶放電工質(zhì)氣體，必然會使得結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜且增大發(fā)動機(jī)的重量。

通過分析超燃沖壓發(fā)動機(jī)的碳?xì)淙剂宵c(diǎn)火助燃本身的需求，以及對國內(nèi)外各類解決方案的研究進(jìn)展，認(rèn)為等離子體對碳?xì)淙剂系狞c(diǎn)火助燃具有廣闊前景，值得深入研究。

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Progress of Plasma Enhancing Supersonic Combustion

YANG Yin-Jun，DOU Zhi-Guo，DUAN Li-Wei
(State Key Laboratory of Laser Propulsion and Application,The Institute of Equipment,Beijing 101416,China)

Supersonic ignition and combustion is a key technology in scramjet research.This paper has summarized the research progress of plasma ignition and combustion with the hydrocarbon fuel at home and abroad,listed a great amount of experimental and numerical simulations carried out in abroad by nonuniform electrical discharges and plasma torch,so that China's research workers could carry out international cooperation and academic exchanges with international counterparts.

plasma； ignition； supersonic combustion

V43

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2013.03.007

1002－6673 （2013） 03－015－03

2013-03-21

楊銀軍 （1988-），男，四川巴中人，在讀碩士研究生。研究方向：航空宇航科學(xué)與技術(shù)。