劉佩進(jìn)，齊宗滿，金秉寧，劉 鑫

(西北工業(yè)大學(xué)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

0 引言

固體火箭發(fā)動機(jī)中所有的能量均來源于推進(jìn)劑的燃燒，推進(jìn)劑燃燒的壓強(qiáng)耦合響應(yīng)是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定的主要增益因素［1］。近年來，在國內(nèi)一些固體發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同樣的裝藥結(jié)構(gòu)，由于推進(jìn)劑配方或原材料批次的變化，發(fā)動機(jī)內(nèi)的壓強(qiáng)振蕩水平呈現(xiàn)明顯差別［2］。相同的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)、相同的推進(jìn)劑燃速和能量特性要求，意味著發(fā)動機(jī)中的主流流動和存在的阻尼因素基本一致，可猜測推進(jìn)劑配方或某些原料特征參數(shù)的變化，改變了其壓強(qiáng)耦合響應(yīng)參數(shù)。為抑制發(fā)動機(jī)中的燃燒不穩(wěn)定，首先需知道已知配方的壓強(qiáng)耦合響應(yīng)函數(shù)。

測量壓強(qiáng)耦合響應(yīng)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法有很多，如T型燃燒器、旋轉(zhuǎn)閥、微波法、磁流儀法等［3－5］。其中，最具有代表性的是應(yīng)用最廣且廉價(jià)的T型燃燒器方法。國內(nèi)在20世紀(jì)80～90年代曾利用T型燃燒器方法對含鋁復(fù)合推進(jìn)劑的壓強(qiáng)耦合響應(yīng)函數(shù)開展過測量工作［6］，但后來未見相關(guān)報(bào)道。根據(jù)當(dāng)前發(fā)動機(jī)研制工作的需要，本文設(shè)計(jì)采用外部雙脈沖激勵(lì)的T型燃燒器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，針對2種用于同一個(gè)發(fā)動機(jī)的含鋁復(fù)合推進(jìn)劑開展實(shí)驗(yàn)研究，獲得了2種推進(jìn)劑的壓強(qiáng)耦合響應(yīng)函數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文所采用的實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)如圖1所示。它主要由4部分組成:T型燃燒器、脈沖觸發(fā)激勵(lì)裝置、點(diǎn)火時(shí)序控制裝置和數(shù)據(jù)采集器。T型燃燒器燃燒室內(nèi)腔直徑90 mm，長度為1.98 m，位于中間的噴管喉徑可根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行更換。放置在T型燃燒器兩端的推進(jìn)劑試件構(gòu)型為杯狀構(gòu)型，相對于端面燃燒來說，杯狀構(gòu)型可增加燃面，以增大燃燒響應(yīng)。兩端的點(diǎn)火藥包均為90 g的黑火藥。

脈沖觸發(fā)激勵(lì)裝置如圖2所示，安放在T型燃燒器左右兩端，通過單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)確定其內(nèi)部的藥量為5 g黑火藥。脈沖器需經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，避免在工作過程中被燃燒器中的高溫高壓燃?xì)恻c(diǎn)燃，在需施加激勵(lì)時(shí)，由點(diǎn)火時(shí)序控制裝置點(diǎn)燃。

圖1 T型燃燒器和推進(jìn)劑試件Fig.1 The pulsed T-burner device and the propellant sample

圖2 脈沖觸發(fā)激勵(lì)裝置示意圖Fig.2 Sketch of the pulser

數(shù)據(jù)采集器采用成都華太測控技術(shù)有限公司研制的Datalab并行數(shù)據(jù)采集儀，單通道最高采樣速率為100 K。實(shí)驗(yàn)中測量5路壓強(qiáng)，其中T型燃燒器左-中-右3處采用高頻響壓強(qiáng)傳感器;2路脈沖器上各放置1個(gè)普通高壓傳感器，測量脈沖器工作過程中的壓強(qiáng)大小。點(diǎn)火時(shí)序控制裝置有4路點(diǎn)火輸出通道，其中第1路和第2路為兩端推進(jìn)劑試件的點(diǎn)火通道，采用同時(shí)點(diǎn)火，目的是保證兩端推進(jìn)劑點(diǎn)火具有同時(shí)性。第3路和第4路分別為2路脈沖觸發(fā)點(diǎn)火控制通道，第3路在工作中間某一時(shí)刻觸發(fā)，第4路在推進(jìn)劑剛?cè)紵戤吅竽骋粫r(shí)刻觸發(fā)。圖3為各路點(diǎn)火輸出的時(shí)序，各路之間的時(shí)序可控制在100 ms;圖4為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖。

圖3 點(diǎn)火時(shí)序觸發(fā)信號圖Fig.3 Time sequence of experiments

圖4 脈沖觸發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖Fig.4 Sketch of pulsed T-burner system

2 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

T型燃燒器受到外部脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生壓強(qiáng)振蕩，其聲壓振幅可用指數(shù)關(guān)系式p=p0eαt表示。其中，p0為起始時(shí)刻的聲壓振幅，α為振幅增長常數(shù)或衰減常數(shù)，α＞0振蕩增長，α＜0振蕩衰減。將振蕩衰減段內(nèi)采樣點(diǎn)的時(shí)間和對應(yīng)的振蕩幅值畫在半對數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)，所得直線即為衰減常數(shù)α，將其代入式(1)中，即可獲得響應(yīng)頻率下的壓強(qiáng)響應(yīng)函數(shù)［7］。

本文之所以采用二次脈沖外部激勵(lì)方法，是因?yàn)閺?fù)合推進(jìn)劑在T型燃燒器內(nèi)產(chǎn)生自激振蕩較為困難。二次脈沖激勵(lì)方法，即在T型燃燒器工作過程中，當(dāng)燃燒器內(nèi)壓強(qiáng)處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，加入第一個(gè)脈沖激勵(lì)，可測得壓強(qiáng)振蕩衰減常數(shù)α1，即推進(jìn)劑燃面增益常數(shù) αc和系統(tǒng)總阻尼常數(shù) αd'的代數(shù)和(α1= αc+);當(dāng)推進(jìn)劑燃燒結(jié)束且具有較高工作壓強(qiáng)時(shí)，加入第二個(gè)脈沖激勵(lì)，測得壓強(qiáng)振蕩衰減常數(shù)α2，若2次振蕩時(shí)系統(tǒng)總阻尼相同，則α2=。根據(jù)上述兩式，推進(jìn)劑燃面增益常數(shù)為αc=α1－α2。由于2種推進(jìn)劑燃面面積相同，且燃燒室長度、壓強(qiáng)以及溫度、推進(jìn)劑等參數(shù)基本相同，因此壓強(qiáng)響應(yīng)函數(shù)可用燃面增益常數(shù)表征。

實(shí)驗(yàn)對象為同一種發(fā)動機(jī)研制過程中采用的2種燃速基本相同的復(fù)合推進(jìn)劑A和B，使其燃面面積相同，各進(jìn)行了2次實(shí)驗(yàn)。表1為2種推進(jìn)劑的各項(xiàng)參數(shù)。推進(jìn)劑尺寸中，L為總長，D為外徑，d為內(nèi)孔直徑，h為孔深。

表1 2種推進(jìn)劑的特征參數(shù)Table 1 Typical Values of propellants

2.2 典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為推進(jìn)劑A的典型實(shí)驗(yàn)曲線。從圖5可看出，T型燃燒器推進(jìn)劑試件A的燃燒時(shí)間約為1.25 s，平衡壓強(qiáng)保持在7 MPa左右，3個(gè)高頻傳感器的測量結(jié)果重合。第一次脈沖觸發(fā)之前，沒有出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象，壓強(qiáng)平穩(wěn)，脈沖觸發(fā)時(shí)間約為推進(jìn)劑點(diǎn)燃后0.5 s，第二次脈沖觸發(fā)時(shí)間約為推進(jìn)劑點(diǎn)燃后1.3 s，此時(shí)推進(jìn)劑燃燒結(jié)束，壓強(qiáng)剛剛開始下降，觸發(fā)時(shí)序控制較理想。

圖5 推進(jìn)劑A壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.5 Pressure-time curves of sample A

兩次脈沖觸發(fā)后，燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng)均出現(xiàn)了振蕩衰減現(xiàn)象，分別對其放大，如圖6所示。兩次脈沖觸發(fā)之后，左-中-右3處的壓強(qiáng)振蕩呈衰減的趨勢，左右兩端的振幅相同，相位相反，中間位置振幅相對較小，振蕩衰減的較為緩慢。考慮到兩端振蕩模態(tài)相同，且振幅相同相位相反，而中間位置只以偶數(shù)階振蕩模態(tài)振蕩。因此，只對左端和中間兩處位置的壓強(qiáng)信號進(jìn)行分析。

圖6 推進(jìn)劑A脈沖后的局部放大圖Fig.6 Pressure curves of propellant A after pulsing

推進(jìn)劑A壓強(qiáng)曲線的FFT分析如圖7所示。第一脈沖觸發(fā)后，端面位置的壓強(qiáng)振蕩主要是以一階、二階和三階軸向振蕩模態(tài)為主。其中，一階頻率249.96 Hz，振蕩幅值最大，且持續(xù)時(shí)間較長，約為0.3 s;中間位置的壓強(qiáng)以二階頻率502.79 Hz模態(tài)振蕩，振蕩時(shí)間約為0.3 s。第二次脈沖觸發(fā)之后，端面位置的振蕩頻率以一階、二階和三階軸向振蕩模態(tài)為主，其中一階頻率242.22 Hz振蕩幅值最大，但壓強(qiáng)振蕩持續(xù)時(shí)間較短，約為0.1～0.2 s。中間位置壓強(qiáng)以二階頻率503.65 Hz模態(tài)振蕩，振幅較小，且振蕩持續(xù)時(shí)間較短，小于 0.05 s。

推進(jìn)劑B與推進(jìn)劑A壓強(qiáng)測量位置相同，圖8為推進(jìn)劑B典型的實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)-時(shí)間曲線。T型燃燒器中推進(jìn)劑B試件的燃燒時(shí)間約為1.2 s，平均壓強(qiáng)在7 MPa左右，3個(gè)高頻傳感器測量結(jié)果重合。第一次脈沖觸發(fā)之前，沒有出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象，壓強(qiáng)較為平穩(wěn)，脈沖觸發(fā)時(shí)間約為推進(jìn)劑點(diǎn)燃后的0.5 s;第二次脈沖觸發(fā)時(shí)間約為推進(jìn)劑點(diǎn)燃后1.4 s。

圖7 推進(jìn)劑A壓強(qiáng)曲線的FFT分析Fig.7 FFT analysis of sample A

圖9為推進(jìn)劑B兩次脈沖觸發(fā)后壓強(qiáng)放大圖，左-中-右3處的壓強(qiáng)振蕩衰減情況與推進(jìn)劑A相同。因此，只對左端和中間2處位置的壓強(qiáng)信號進(jìn)行分析。

圖8 推進(jìn)劑B的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.8 Pressure-time curves of sample B

圖9 推進(jìn)劑B脈沖局部放大圖Fig.9 Pressure curves of propellant B after pulsing

推進(jìn)劑B壓強(qiáng)曲線的FFT分析如圖10所示。第一次脈沖觸發(fā)后壓強(qiáng)振蕩的衰減趨勢、相位分布與推進(jìn)劑A基本相同。端面壓強(qiáng)振蕩主要是以一階和三階軸向振蕩模態(tài)為主。其中，一階頻率247.24 Hz，振蕩幅值最大，持續(xù)時(shí)間約為0.3 s;中間位置的壓強(qiáng)以二階頻率499.74 Hz模態(tài)振蕩。第二次脈沖觸發(fā)后，端面位置的振蕩頻率以一階228.26 Hz和二階485.06 Hz軸向振蕩模態(tài)為主，且2個(gè)頻率的振幅均較大，但壓強(qiáng)振蕩持續(xù)時(shí)間較短，約為0.1 s。中間位置壓強(qiáng)雖然以二階軸向模態(tài)振蕩，但振幅較小，持續(xù)時(shí)間較短。

圖10 推進(jìn)劑B壓強(qiáng)曲線的FFT分析Fig.10 FFT analysis of sample B

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用文獻(xiàn)［7］的分析方法，對4次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展分析計(jì)算，分別獲得了2種推進(jìn)劑的壓強(qiáng)振蕩衰減常數(shù)和燃面增益常數(shù)，如表2所示。

表2 2種推進(jìn)劑的衰減和增益常數(shù)Table 2 Decay constant and growth constants of two kinds of propellants

從表2中的數(shù)據(jù)可看出，盡管推進(jìn)劑的燃速特性和能量特性基本一致，2種推進(jìn)劑的衰減和燃面增益特性有明顯的不同。推進(jìn)劑A阻尼常數(shù)α2(－13.7，－14.4)s－1比推進(jìn)劑 B 的阻尼常數(shù) α2( － 28.71，－33.09)s－1均小很多。對比2種推進(jìn)劑燃面增益常數(shù)，推進(jìn)劑B燃面增益常數(shù)αc比推進(jìn)劑A大許多。這說明在相同結(jié)構(gòu)的T型燃燒器內(nèi)，推進(jìn)劑B在燃燒過程中產(chǎn)生不穩(wěn)定的趨勢比推進(jìn)劑A大許多，這也就意味著采用推進(jìn)劑B的發(fā)動機(jī)可能更易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定。事實(shí)上，在某發(fā)動機(jī)的研制過程中，先后采用這2種推進(jìn)劑，采用推進(jìn)劑B的發(fā)動機(jī)在工作過程中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。

利用掃描電鏡對2種推進(jìn)劑的AP粒度分布開展了分析工作，如圖11所示。從圖11可看出，2種推進(jìn)劑的AP粒徑分布有明顯的不同。2種推進(jìn)劑均為多級配，但推進(jìn)劑A中含有的AP粒徑相對較大(350～400 μm)，且這部分大粒徑含量較高;而推進(jìn)劑B中也含有粒徑較大的AP粒子(約為400 μm)，但小粒徑AP(10～140 μm)的含量明顯比推進(jìn)劑A高很多。結(jié)合前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測，推進(jìn)劑B出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，可能是由小粒徑AP含量較高造成的。但有關(guān)推進(jìn)劑中小粒度AP的含量對推進(jìn)劑燃燒不穩(wěn)定的影響，以及造成發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定的程度，還需進(jìn)一步了解。

圖11 掃描電鏡對比(×100)Fig.11 SEM results analysis of samples

實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，2種推進(jìn)劑在實(shí)驗(yàn)過程中，鋁燃燒產(chǎn)物的行為有明顯不同:推進(jìn)劑B在2次實(shí)驗(yàn)的噴管收斂段均產(chǎn)生了大量的凝相沉積，如圖12所示，而推進(jìn)劑A的噴管收斂處并未發(fā)現(xiàn)有明顯的沉積現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的，可能與推進(jìn)劑中氧含量有關(guān)，氧含量較高，凝相沉積較為明顯;也可能與添加的高能成分的含量和粒度有關(guān)。盡管關(guān)于鋁燃燒產(chǎn)物的特性有大量的研究，但從目前來看，此方面的課題仍是開放的，需開展進(jìn)一步的深入研究，搞清固體推進(jìn)劑詳細(xì)配方對凝相燃燒產(chǎn)物沉積特性的影響。目前的數(shù)據(jù)顯示，易沉積的凝相產(chǎn)物似乎對中等頻率的壓強(qiáng)振蕩阻尼效果更好。

圖12 2種推進(jìn)劑實(shí)驗(yàn)后噴管出口處的凝相沉積情況Fig.12 The submerged nozzle of two kinds of propellants

3 結(jié)束語

基于T型燃燒器，設(shè)計(jì)了脈沖觸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置，其特點(diǎn)是可精確控制脈沖觸發(fā)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作較理想。

開展了工作壓強(qiáng)為7 MPa下的2種不同類型推進(jìn)劑的壓強(qiáng)耦合特性對比實(shí)驗(yàn)研究工作，共進(jìn)行了4次試驗(yàn)，分別獲得了2種推進(jìn)劑的壓強(qiáng)振蕩衰減常數(shù)和燃面增益常數(shù)。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，推進(jìn)劑B在燃燒過程中產(chǎn)生不穩(wěn)定的趨勢比推進(jìn)劑A大許多，在發(fā)動機(jī)中更易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定。上述實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果為真實(shí)發(fā)動機(jī)表現(xiàn)出的燃燒不穩(wěn)定狀況提供了支撐數(shù)據(jù)。

［1］陳曉龍，何國強(qiáng)，劉佩進(jìn).固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定的影響因素分析和最新研究進(jìn)展［J］.固體火箭技術(shù)，2009，32(6):600-605.

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