劉道平，夏智勛，胡建新，黃利亞

(1．國防科技大學(xué)高超聲速沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410073;2．國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073)

0 引言

硼因較高的體積和質(zhì)量熱值，在固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中具有很好的應(yīng)用前景，許多學(xué)者致力于硼在固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究，取得了很大進(jìn)展。硼在固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究方面，Bayern Chemie公司的Besser H L等［1］自1970年開始系統(tǒng)研究含硼固體推進(jìn)劑固沖發(fā)動(dòng)機(jī)。Schadow K［2］只有當(dāng)燃?xì)庵械臍怏w燃料與摻混空氣中的氧反應(yīng)使溫度升高后，硼顆粒才能補(bǔ)燃。Kubota N和 Miyata K等［3］采用含硼推進(jìn)劑研究了硼的燃燒效率。結(jié)果表明，當(dāng)使用多端口燃?xì)鈬娮鞎r(shí)，硼的燃燒效率可顯著提高。Liu Tai-kang和Luh Songping［4］研究了含有無包覆硼顆粒和用 LiF、Viton A 或者硅烷包覆的硼顆粒的推進(jìn)劑在氮?dú)夂涂諝猸h(huán)境中的燃燒行為。Natan B和 Gany A［5－6］通過數(shù)值求解給出了有利于硼顆粒點(diǎn)火和高效燃燒的粒徑和噴射速度條件范圍。

國內(nèi)針對含硼富燃推進(jìn)劑固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的研究始于20世紀(jì)90年代。夏智勛等［7－9］系統(tǒng)研究了進(jìn)氣道、燃?xì)獍l(fā)生器及補(bǔ)燃室結(jié)構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。陳林泉等［10－11］研究了燃?xì)獍l(fā)生器噴嘴出口布局、形狀、硼顆粒粒徑等對發(fā)動(dòng)機(jī)摻混效果和燃燒效率的影響，對燃?xì)膺M(jìn)行取樣分析。劉佩進(jìn)等［12－13］研究了固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性和含硼推進(jìn)劑的燃燒特性。李疏芬［14］、王英紅［15］和范紅杰等［16］在改善硼的著火燃燒、硼顆粒快速高效燃燒等方面做了大量研究。

本文將采用一套新的硼顆粒燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)和凝相燃燒產(chǎn)物取樣器對不同的軸向位置的燃燒產(chǎn)物進(jìn)行取樣，在對樣品進(jìn)行物理分析的基礎(chǔ)上，采用基于產(chǎn)物成分的局部燃燒效率和完全燃燒效率分析方法，對試驗(yàn)系統(tǒng)不同軸向位置的硼顆粒燃燒特性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)

1．1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體部分為一個(gè)燃?xì)獍l(fā)生器和一個(gè)補(bǔ)燃室，輔助系統(tǒng)包括空氣、氧氣和乙醇供應(yīng)系統(tǒng)、硼顆粒供應(yīng)裝置、高速攝影系統(tǒng)、凝相燃燒產(chǎn)物取樣器、冷卻系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 diagram of the experimental system

1．1．1 燃?xì)獍l(fā)生器和補(bǔ)燃室

在含硼固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中，含硼推進(jìn)劑在燃?xì)獍l(fā)生器中完成一次燃燒，產(chǎn)生含大量硼顆粒的富燃燃?xì)?富燃燃?xì)鈬娚涞窖a(bǔ)燃室后，與空氣進(jìn)行二次燃燒。含硼推進(jìn)劑的主要成分是硼顆粒和固體烴基燃料，如HTPB或者DOS等，一次燃燒產(chǎn)物的成分有固體硼顆粒和H2、CO、CO2和H2O等氣體成分。補(bǔ)燃室壓強(qiáng)一般為0．3～0．5 MPa，溫度高于硼的燃點(diǎn)溫度，流動(dòng)馬赫數(shù)為0．3 ～0．4。

在試驗(yàn)系統(tǒng)中，使用乙醇與純氧反應(yīng)產(chǎn)生高溫富燃燃?xì)饧訜崤痤w粒，獲得與固沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器成分接近的富燃燃?xì)?。乙醇在純氧中反?yīng)可產(chǎn)生高于3 000 K的高溫，可實(shí)現(xiàn)對硼顆粒的充分預(yù)熱。乙醇是液體烴類燃料，在富燃條件下燃燒產(chǎn)物的主要成分也為CO、CO2和H2O等氣體，與固體碳?xì)淙剂辖咏?。相對固體燃料而言，其質(zhì)量流量是很容易通過改變上游壓力來調(diào)節(jié)。與氣體燃料相比，還具有安全性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

補(bǔ)燃室采用方形截面設(shè)計(jì)，方便開窗觀察，上下兩側(cè)對稱地布置空氣入口和凝相燃燒產(chǎn)物取樣器。試驗(yàn)過程中，壓縮空氣通過上下兩側(cè)的入口進(jìn)入補(bǔ)燃室與燃?xì)膺M(jìn)行摻混燃燒，入口的位置可沿軸向變化。

1．1．2 凝相燃燒產(chǎn)取樣器

凝相燃燒產(chǎn)物取樣器結(jié)構(gòu)如圖2所示。為防止采樣桿暴露在熱氣流中過久被燒壞，在硼顆粒加入到了燃?xì)獍l(fā)生器后才開始取樣。取樣前，在彈簧的壓力作用下，氣動(dòng)活塞和取樣桿都處于上端位置(圖2(a))。硼顆粒在加入到了燃?xì)獍l(fā)生器后，壓縮空氣進(jìn)入采樣裝置，向下推進(jìn)氣動(dòng)活塞，將取樣桿壓入補(bǔ)燃室流場(圖2(b))。燃?xì)饬髦械臒崤痤w粒撞擊到突然壓入的取樣桿后，被淬滅并冷卻，附著在取樣桿上。

圖2 凝相取樣器結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 diagram of sampling device

為保證凝相燃燒產(chǎn)物的快速凍結(jié)和防止取樣桿燒壞，取樣結(jié)束后，取樣桿的溫度應(yīng)當(dāng)足夠低。因此，取樣時(shí)間不能太長。經(jīng)傳熱計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，取樣桿直徑12 mm，取樣過程保持1 s左右，可保證取樣桿完好，同時(shí)收集到足夠多的凝相燃燒產(chǎn)物。

1．2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)工況見表1。試驗(yàn)分3組進(jìn)行，每組重復(fù)5次。使用的硼為河北省保定市中普瑞拓有限公司生產(chǎn)的無定形硼，初始粒徑為2～5 μm。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test program

第1組試驗(yàn)中，硼顆粒供應(yīng)裝置中加入2 g硼顆粒，不加流化空氣，燃?xì)獍l(fā)生器工作后，燃?xì)膺M(jìn)入硼顆粒供應(yīng)裝置，與硼顆粒反應(yīng)，收集產(chǎn)物作為樣品2。第2組試驗(yàn)中，硼顆粒供應(yīng)裝置中加入8 g硼顆粒，燃?xì)獍l(fā)生器工作2s后，硼顆粒被流化空氣輸送到燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)加熱，隨燃?xì)鈬娚溥M(jìn)入補(bǔ)燃室，不加補(bǔ)燃空氣，在空氣入口處(取樣點(diǎn)3)收集凝相產(chǎn)物作為樣品3。第3組試驗(yàn)中，在補(bǔ)燃室加入160 g/s空氣，并在取樣點(diǎn)4、5、6 收集凝相燃燒產(chǎn)物，分別作為樣品 4、5、6。試驗(yàn)前后硼顆粒供應(yīng)裝置的質(zhì)量變化除以供應(yīng)時(shí)間(2 s)作為硼的質(zhì)量流量。第3組試驗(yàn)中，對燃?xì)獍l(fā)生器壓力和補(bǔ)燃室的總壓、靜壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行了測量，用式(1)計(jì)算了流動(dòng)馬赫數(shù)(γ=1．33)，結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)系統(tǒng)流場參數(shù)Table 2 Flow field parameters of the experimental system

由表2可知，試驗(yàn)系統(tǒng)補(bǔ)燃室的總壓、靜壓值和馬赫數(shù)都接近真實(shí)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室相關(guān)參數(shù)值。溫度測量位置接近壁面，壁面采用水冷卻，溫度的值比補(bǔ)燃室中心位置低。由流場參數(shù)值可知，該試驗(yàn)系統(tǒng)可為硼顆粒點(diǎn)火和燃燒提供接近真實(shí)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室的流場條件。

2 結(jié)果與分析

2．1X-射線衍射(XRD)結(jié)果

對樣品進(jìn)行XRD測試，測試結(jié)果如圖3所示。樣品中的主要晶體物質(zhì)為B(HO)3，因?yàn)樵囼?yàn)使用的是無定形硼而非晶體硼，所以沒有檢測到單質(zhì)硼。硼和氧反應(yīng)的最終產(chǎn)物是B2O3，反應(yīng)方程為4B+3O2→B2O3，但B2O3在空氣極易吸收水蒸氣，轉(zhuǎn)化為晶體硼酸(B2O3+H2O→2B(HO)3)。因此，樣品中的B(HO)3的含量可表征B2O3的含量。

2．2 掃描電鏡(SEM)結(jié)果

樣品的SEM照片如圖4所示。樣品2中，所有顆粒被粘在一起，顆粒之間的界限很模糊。產(chǎn)生這種形貌的原因可能是因?yàn)樵诘?組試驗(yàn)中，硼顆粒被放置在燃?xì)獍l(fā)生器的富燃燃燒產(chǎn)物中，被高溫燃?xì)饧訜?，部分氧化，硼顆粒上覆蓋著液態(tài)氧化硼，試驗(yàn)結(jié)束后，冷卻的氧化硼凝結(jié)在顆粒表面上或填充在顆粒之間。

圖3 X-射線衍射(XRD)譜圖Fig．3 X-ray diffraction patterns

圖4 場發(fā)射掃描電鏡(SEM)測試結(jié)果Fig．4 SEM photographs

樣品4粒徑總體比樣品3大。在第3組試驗(yàn)中，空氣被加入到補(bǔ)燃室，摻混過程會增加顆粒碰撞的概率，從而使顆粒產(chǎn)生結(jié)團(tuán)。在第2組試驗(yàn)中，補(bǔ)燃室沒有加補(bǔ)燃空氣，顆粒接團(tuán)現(xiàn)象較輕。

樣品5和6的形貌較接近，都有一些鱗狀物，其中樣品6比樣品5多。這是因?yàn)榕鸷脱醯姆磻?yīng)的最終產(chǎn)物是B2O3，B2O3吸收空氣中的水蒸氣形成晶體硼酸(B(HO)3)，晶體(B(HO)3)是鱗狀的。

2．3 電子衍射譜(EDS)測試結(jié)果

樣品的EDS分析結(jié)果如表3所示。樣品中的主要元素是硼、氧和鎂。硼元素質(zhì)量含量從樣品1到樣品2、3都有所減少，這表明硼在燃?xì)獍l(fā)生器中被部分氧化。

硼和氧的曲線有2個(gè)平直段，分別為樣品3到樣品4和樣品5到樣品6，這意味著在取樣點(diǎn)3到4和5到6之間硼的氧化量很少，而從樣品4至樣品5，硼含量急劇下降，這意味在取樣點(diǎn)4到5之間的距離內(nèi)硼的氧化量很大。

表3 電子衍射譜(EDS)測試結(jié)果Table 3 EDS results %

2．4 物相成分定量分析

XRD測試得到了凝相燃燒產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)的物相成分的定性結(jié)果，EDS測試得到了各元素的百分含量，但這兩種測試未能定量得到物相成分。下面將這2種測試結(jié)果結(jié)合起來，對凝相燃燒產(chǎn)物的物相成分做定量分析。

無定形硼由鎂還原氧化硼得到(B2O3→+3Mg

2B+3MgO)，所以無定形硼粉中會含有少量的MgO，而MgO與空氣中的H2O和CO2反應(yīng)，生成堿式碳酸鎂(5MgO+4CO2+6H2→O4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)。因此，樣品中除了B、O和Mg外，還有H和C元素，但這2種元素屬于輕量元素，而且在樣品中含量很低，不能被EDS檢測出來。

假設(shè)樣品中的單質(zhì)硼(B)、硼酸(B(HO)3)和堿式碳酸鎂(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)的含量分別為mB，i、mBA，i和 mMA，i，則 B、O 和 Mg 元素的含量可分別表示為 mB，i+0．174 9mBA，i、0．776 6mBA，i+0．628 1mMA，i和0．247 9 mMA，i。由 EDS 檢測到的元素質(zhì)量含量，可求解出 mB，i、mBA，i和 mMA，i，得到各樣品中單質(zhì)硼、硼酸和堿式碳酸鎂的含量。根據(jù)B(HO)3的含量mBA，i，還可計(jì)算得到生成 B(HO)3所需的硼的量 mB，O，i，計(jì)算結(jié)果見圖5。

在燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)，一部分硼被氧化;在補(bǔ)燃室出口，還有一部分硼沒有消耗完，而堿式碳酸鎂的含量基本保持不變。

2．5 燃燒效率討論

通常燃燒效率通過測量壓力來計(jì)算，但在本文中，希望能了解固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中不同位置的局部硼燃燒效率。本文引入了一種基于燃燒產(chǎn)物成分分析的局部燃燒效率計(jì)算方法。

圖5 樣品中單質(zhì)硼、硼酸和堿式碳酸鎂的含量及生成相應(yīng)硼酸所需的硼量Fig．5 Mass units of B，B(HO)3and 4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O

首先做如下定義:

定義1:取樣點(diǎn)i的局部燃燒效率為

定義2:取樣點(diǎn)i的燃燒效率為

硼與氧氣的反應(yīng)過程中會產(chǎn)生BO、BO2等氣相中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物進(jìn)一步與氧氣反應(yīng)，生成B2O3，硼的熱值才會完全釋放。有必要了解每個(gè)點(diǎn)的硼的完全氧化比例，完全燃燒效率。

定義3:取樣點(diǎn)i的局部完全燃燒效率為

定義4:取樣點(diǎn)i的完全燃燒效率為

計(jì)算結(jié)果如圖6所示，局部燃燒效率的最低點(diǎn)出現(xiàn)在樣品4，表示在取樣點(diǎn)3到4之間，硼燃燒最少，這一段距離內(nèi)，η2，i出現(xiàn)了一個(gè)平穩(wěn)段。這可能是由于樣品3取樣位置在空氣的入口處，而樣品4取樣位置在進(jìn)氣口下游0．23L處，在這一段距離內(nèi)高溫燃?xì)馀c補(bǔ)燃室空氣進(jìn)行摻混，氣相燃料還沒有補(bǔ)燃，溫度比較低，硼顆粒不能點(diǎn)火燃燒，硼的燃燒效率較低。局部燃燒效率的峰值點(diǎn)出現(xiàn)在樣品5，局部燃燒效率η2，i在樣品4到5之間出現(xiàn)明顯的上升段，說明在取樣點(diǎn)4到5之間，硼的燃燒效率最高。這可能是因?yàn)樵谶@一段內(nèi)，燃?xì)馔瓿闪伺c空氣的摻混，氣相燃料補(bǔ)燃，溫度升高，硼顆粒大量點(diǎn)火燃燒。在取樣點(diǎn)5到6之間，η2，i值變化又較平緩，相應(yīng)的η1，i的值較小，這說明硼的燃燒效率較小。這是因?yàn)榻?jīng)過取樣點(diǎn)4到5之間的劇烈燃燒反應(yīng)后，這段距離內(nèi)的氧氣濃度下降，燃燒效率降低。

圖6 燃燒效率計(jì)算結(jié)果Fig．6 Values of η1，i，η2，i，η3，i，and η4，i

完全燃燒成B2O3的硼與消耗的硼的比例隨試驗(yàn)系統(tǒng)軸向位置的逐步增加，完全燃燒效率η4，i沿軸向有一定增大。局部完全燃燒效率 η3，i與局部燃燒效率η1，i存在一定的負(fù)相關(guān)，即當(dāng) η1，i處于峰值時(shí)，η3，i處于谷值(樣品3、4、5和6)。這可能是因?yàn)闅庀嘀虚g產(chǎn)物BO、BO2的進(jìn)一步反應(yīng)主要與氧氣濃度有關(guān)，受溫度影響較小，而硼的消耗受溫度影響較受氧氣濃度大。因此，當(dāng)溫度較低時(shí)(取樣點(diǎn)3到4)，硼點(diǎn)火燃燒較少，氧氣濃度較大，η1，i較小，而 η3，i較大;當(dāng)溫度較高時(shí)(取樣點(diǎn)4 到 5)，硼大量點(diǎn)火燃燒，η1，i較大，BO、BO2大量產(chǎn)生，空氣的氧氣濃度卻沒有增大，η3，i較低。在取樣點(diǎn)5到6之間，硼消耗較少，BO、BO2的濃度變小。因此，能夠充分與氧氣反應(yīng)，硼的完全燃燒效率較高。

3 結(jié)論

(1)由XRD測試可定性得到凝相燃燒產(chǎn)物的物相成分，EDS測試可定量得到凝相燃燒產(chǎn)物的元素含量。將這兩種測試結(jié)果結(jié)合起來分析，可得到凝相燃燒產(chǎn)物的物相成分的定量含量。

(2)在燃?xì)獍l(fā)生器中，硼顆粒只有一部分被氧化，大部分的硼在補(bǔ)燃室中燃燒。在補(bǔ)燃室中，在空氣入口附近下游區(qū)域，硼的燃燒效率最低。在隨后區(qū)域內(nèi)，硼燃燒效率達(dá)到最高值。

(3)在整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)不同的軸向位置，完全燃燒的硼與所消耗的硼的比例變化不大。當(dāng)局部燃燒效率增大時(shí)，局部完全燃燒效率減小;當(dāng)局部燃燒效率減小時(shí)，局部完全燃燒效率增大。

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