成紅剛，陳 雄，朱國強(qiáng)，周長省，鞠玉濤

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(SFRJ)以其結(jié)構(gòu)簡單、比沖高、自適應(yīng)能力強(qiáng)、可靠性高和低成本等優(yōu)點(diǎn)備受各國關(guān)注，在未來超音速導(dǎo)彈和沖壓增程炮彈等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。常用于SFRJ研究的碳?xì)漕惞腆w燃料主要有PMMA、PE和HTPB。PMMA透明、易加工，但其力學(xué)性能較差;HTPB力學(xué)性能較好，且易于添加各種添加劑，能澆注成不同藥形，但是機(jī)械加工性較差;PE具有力學(xué)性能、機(jī)械加工性能及化學(xué)穩(wěn)定性好，成本較低且發(fā)動(dòng)機(jī)火焰特征低等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒機(jī)理的研究[1－4]，但是其能量水平有待提高，因而限制了其在SFRJ工程中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]對不同燃料的熱物理化學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[6]對不同燃料在SFRJ中的燃燒特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]采用直連式試驗(yàn)研究了HTPB在SFRJ中的燃燒特性，文獻(xiàn)[8]在燃燒室入口引入旋流，研究了旋流情況下HTPB在SFRJ中的燃燒特性。文獻(xiàn)[9－10]通過數(shù)值仿真和直連式試驗(yàn)研究了PMMA在SFRJ中的燃燒特性。然而，以PE為固體燃料對SFRJ燃燒特性和燃燒機(jī)理進(jìn)行研究的相關(guān)文獻(xiàn)目前在國內(nèi)尚沒有報(bào)道。

本文以PE為燃料，采用直連式試驗(yàn)系統(tǒng)針對PE在SFRJ中的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了燃燒中止系統(tǒng)來準(zhǔn)確控制試驗(yàn)時(shí)間，利用兩坐標(biāo)測量尺對固體燃料內(nèi)徑沿軸向的變化規(guī)律進(jìn)行了逐點(diǎn)測量，得到固體燃料內(nèi)徑沿軸向的輪廓分布及固體燃料當(dāng)?shù)厝济嫱艘扑俾剩治隽它c(diǎn)火過程、來流空氣質(zhì)量流率、突擴(kuò)比等因素對PE在SFRJ中燃燒性能及燃速特性的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

SFRJ直連式試驗(yàn)系統(tǒng)組成主要包括供氣系統(tǒng)、空氣加熱系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、燃燒中止系統(tǒng)、推力試驗(yàn)臺和試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及連接管路。圖1和圖2分別為SFRJ直連式試驗(yàn)方案和試驗(yàn)系統(tǒng)圖。加熱系統(tǒng)采用燃燒航空煤油的方法加熱來流空氣，補(bǔ)氧系統(tǒng)采用先補(bǔ)氧后燃燒的方案向燃燒產(chǎn)物中補(bǔ)充氧氣使熱空氣中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與標(biāo)準(zhǔn)空氣相等。

圖1 SFRJ直連式試驗(yàn)方案Fig.1 Direct-connect test scheme of SFRJ

圖2 SFRJ直連式試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Direct-connect test system of SFRJ

1.2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及方法

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要組成見圖1，包括空氣入口、限流喉道、中心錐火藥式點(diǎn)火器、突擴(kuò)臺階、燃燒室、固體燃料、摻混板、補(bǔ)燃室、熱防護(hù)層及噴管組件等。

本文在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)調(diào)整試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，固體燃料在點(diǎn)火前預(yù)熱時(shí)間長短對固體燃料燃速有較大影響，因此為了保持試驗(yàn)狀態(tài)一致，制定了以下試驗(yàn)方法:試驗(yàn)時(shí)，主氣電磁閥和氮?dú)怆姶砰y處于關(guān)閉狀態(tài)，排氣電磁閥打開，加熱空氣由排氣閥排出;當(dāng)來流空氣總溫、總壓滿足試驗(yàn)條件時(shí)，主氣閥打開，同時(shí)排氣閥關(guān)閉，氣流切換到主通道，經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室排出;氣流穩(wěn)定5 s后，發(fā)出點(diǎn)火指令，點(diǎn)火器工作，同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)器，燃燒中止控制系統(tǒng)開始計(jì)時(shí);當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)時(shí)間時(shí)，主氣閥關(guān)閉，同時(shí)氮?dú)忾y和排氣閥打開，剩余的熱空氣由排氣閥排出，高壓氮?dú)饨?jīng)由氮?dú)忾y流入試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，將燃燒室內(nèi)燃燒火焰熄滅，最后關(guān)閉主氣，試驗(yàn)結(jié)束。以上SFRJ試驗(yàn)控制時(shí)序如圖3所示。圖3中，橫坐標(biāo)表示試驗(yàn)時(shí)間，縱坐標(biāo)表示各單元狀態(tài)，高電平表示狀態(tài)為開，低電平表示狀態(tài)為關(guān)。0～t1為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣流穩(wěn)定段，t1～t2發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作段，t2～t3為中止燃燒段(或熄火段)。t3后各電磁閥復(fù)位，準(zhǔn)備進(jìn)行下次試驗(yàn)。

圖3 SFRJ試驗(yàn)控制時(shí)序Fig.3 Control order of SFRJ test

采用上述發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)方法，以典型雙基推進(jìn)劑作為點(diǎn)火藥，PE為燃料進(jìn)行了24次直連式試驗(yàn)，研究了突擴(kuò)比和來流空氣質(zhì)量流率對PE在SFRJ中點(diǎn)火、燃燒性能及燃速特性的影響。試驗(yàn)?zāi)M工況為海平面馬赫數(shù) 2.0，來流總壓 0.78 MPa，總溫 540 K。固體燃料長度298 mm，補(bǔ)燃室壓強(qiáng)可通過改變噴管尺寸進(jìn)行調(diào)整。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

通過直連式實(shí)驗(yàn)研究了點(diǎn)火過程、突擴(kuò)比及來流空氣質(zhì)量流率對PE在SFRJ中燃燒性能的影響，并對PE在SFRJ中的燃燒特性、平均燃速和當(dāng)?shù)厝济嫱艘扑俾蔬M(jìn)行了分析評估。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能影響因素

2.1.1 點(diǎn)火過程的影響

圖4為SFRJ工作過程中燃燒室/補(bǔ)燃室壓強(qiáng)時(shí)間曲線。由圖4可見，燃燒室及補(bǔ)燃室壓強(qiáng)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作初期出現(xiàn)明顯的壓強(qiáng)峰，且持續(xù)時(shí)間較長，這是由于點(diǎn)火器持續(xù)工作引起的。另外，由圖4不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中燃燒室與補(bǔ)燃室之間存在壓強(qiáng)差，約為0.01～0.02 MPa。這是因?yàn)樵谌紵遗c補(bǔ)燃室之間設(shè)置了摻混板引起的。研究結(jié)果表明[8]，摻混板的引入可有效提高補(bǔ)燃室燃燒效率，縮短補(bǔ)燃室長度，但會(huì)引起燃燒室壓強(qiáng)損失，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡其利弊選擇合理的燃燒室結(jié)構(gòu)。

圖4 SFRJ燃燒室/補(bǔ)燃室壓強(qiáng)-時(shí)間變化曲線Fig.4 Pressure of combustor and after-burning chamber vs time

2.1.2 突擴(kuò)比 h/dp的影響

圖5所示為不同突擴(kuò)比時(shí)SFRJ補(bǔ)燃室溫度-時(shí)間變化曲線。由圖5可知，當(dāng)突擴(kuò)比h/dp分別為0.21、0.25、0.28、0.3 時(shí)，對應(yīng)實(shí)驗(yàn)中 SFRJ 補(bǔ)燃室穩(wěn)定工作溫度分別為1 804、2 041、2 068、2 118 K。由此不難看出，突擴(kuò)比越大，補(bǔ)燃室燃?xì)鉁囟仍礁?。這是因?yàn)樵诠腆w燃料內(nèi)徑一定的情況下，突擴(kuò)比越大，燃燒室入口馬赫數(shù)越高，火焰面與固體燃料表面的換熱增強(qiáng)，固體燃料燃速增大，單位時(shí)間內(nèi)加入燃燒室的燃?xì)赓|(zhì)量流率越大。在SFRJ燃燒室富氧條件下，參與燃燒反應(yīng)的燃?xì)赓|(zhì)量流率越大，空燃比越小，燃燒釋放的熱量越多，因而補(bǔ)燃室溫度越高。

圖6為不同空氣質(zhì)量流率時(shí)補(bǔ)燃室溫度-時(shí)間變化曲線，來流空氣質(zhì)量流率分別為 0.3、0.4、0.5、0.6 kg/s。由圖6可知，對應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況下SFRJ補(bǔ)燃室溫度分別為 2 118、2 065、2 030、1 932 K。說明空氣質(zhì)量流率越大，補(bǔ)燃室溫度越低。這是因?yàn)椋谄渌麠l件不變的情況下，一方面，入口馬赫數(shù)增大，使得摻混燃?xì)庠谌紵彝Ａ舻臅r(shí)間縮短，大量的氧化劑和燃料沒有完全反應(yīng)即排出補(bǔ)燃室，導(dǎo)致放熱量減少，補(bǔ)燃室溫度較低;另一方面，由于空氣與燃?xì)庵g溫差較大，增大空氣質(zhì)量流率會(huì)使得空燃比增大，燃燒釋放的大量熱量被低溫空氣所吸收，并帶出補(bǔ)燃室。雖然增大來流空氣質(zhì)量流率能夠增大固體燃料燃速，但是空氣質(zhì)量流率的增大幅度遠(yuǎn)大于燃速的增幅，因而補(bǔ)燃室溫度降低。另外，由圖中曲線不難看出，不同質(zhì)量流率條件下點(diǎn)火溫度約為1 890 K左右，且點(diǎn)火正常，并未出現(xiàn)文獻(xiàn)[10]中所述的對點(diǎn)火過程的不利影響，說明本文設(shè)計(jì)的中心錐火藥式點(diǎn)火器對不同空氣質(zhì)量流率具有較大的點(diǎn)火適應(yīng)范圍。

圖5 不同突擴(kuò)比SFRJ補(bǔ)燃室溫度-時(shí)間變化曲線Fig.5 Tem perature of after-burning cham ber vs time at different stepheight ratios

圖6 不同空氣質(zhì)量流率SFRJ補(bǔ)燃室溫度-時(shí)間曲線Fig.6 Tem perature of after-burning cham ber vs time at different air mass flow rates

2.2 PE燃速特性分析

燃面退移速率(簡稱燃速)是評估一種固體燃料性能的重要指標(biāo)。目前國內(nèi)外表征燃速的方法有平均燃速和當(dāng)?shù)厝济嫱艘扑俾省Ｆ骄妓偻ǔ？赏ㄟ^計(jì)算試驗(yàn)前后固體燃料的質(zhì)量差，采用質(zhì)量平均的方法得到[1，11];平均燃速的計(jì)算雖然簡便易行，但是不能反映燃速沿軸向不同位置的變化規(guī)律，因而引入當(dāng)?shù)厝济嫱艘扑俾?。它可通過測量試驗(yàn)前后固體燃料的內(nèi)型面沿軸向的輪廓變化，再進(jìn)行時(shí)間平均而求得。

本文分別采用上述2種方法來表征固體燃料的燃速特性，其中平均燃速記為，當(dāng)?shù)厝济嫱艘扑俾视洖椤?/p>

2.2.1 平均燃速分析

圖7為不同空氣質(zhì)量流率時(shí)PE燃料平均燃速與突擴(kuò)比之間的關(guān)系曲線。由圖7可知，隨著突擴(kuò)比的增大，平均燃速也逐漸增大。同時(shí)，由圖7不難發(fā)現(xiàn)，本文中空氣質(zhì)量流率為0.3 kg/s工況時(shí)的研究結(jié)果與文獻(xiàn)[1]的研究結(jié)果具有較好的一致性和銜接性。這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[1]中空氣質(zhì)量流率為0.25 kg/s，空氣溫度為500 K，與本文試驗(yàn)條件非常接近。同時(shí)說明，在較大突擴(kuò)比范圍內(nèi)，平均燃速隨突擴(kuò)比的增大而增大。

圖7 平均燃速與突擴(kuò)比的關(guān)系Fig.7 M ean regression rate in relationto stepheight ratios

根據(jù)圖7中平均燃速與突擴(kuò)比的相關(guān)關(guān)系，利用最小二乘法對其進(jìn)行擬合，結(jié)果見表3，且相關(guān)系數(shù)都在0.99以上。由表1可知，當(dāng)來流空氣溫度和質(zhì)量流率一定時(shí)，固體燃料平均燃速與突擴(kuò)比呈線性函數(shù)關(guān)系，且突擴(kuò)比系數(shù)近似為一常數(shù)值，常數(shù)項(xiàng)隨著空氣質(zhì)量流率的增大而增大。

表1 平均燃速與突擴(kuò)比擬合關(guān)系Table 1 Fitted relationship between mean regression rate and stepheight ratio

圖8所示為不同突擴(kuò)比條件下PE燃料平均燃速與空氣質(zhì)量流率之間的關(guān)系。

圖8 平均燃速與空氣質(zhì)量流率的關(guān)系Fig.8 M ean regression rate in relation to air mass flow rates

由圖8可知，PE燃料平均燃速隨著空氣質(zhì)量流率的增大而增大。根據(jù)圖8中固體燃料平均燃速與空氣質(zhì)量流率的相關(guān)關(guān)系，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2，且相關(guān)系數(shù)都在0.96以上。由表2可知，平均燃速與空氣質(zhì)量流率呈冪函數(shù)遞增關(guān)系。

表2 平均燃速與空氣質(zhì)量流率擬合關(guān)系Table 2 Fitted relationship between mean regressionrate and air mass flow rate

2.2.2 當(dāng)?shù)厝济嫱艘扑俾史治?/p>

當(dāng)?shù)厝济嫱艘扑俾?簡稱當(dāng)?shù)厝妓?是表征固體燃料燃速沿軸向變化規(guī)律的重要參數(shù)，對于研究固體燃料在SFRJ工作過程中燃燒機(jī)理和退移過程具有重要的意義。本文利用兩坐標(biāo)測量尺對試驗(yàn)前后PE燃料內(nèi)徑進(jìn)行測量，然后進(jìn)行時(shí)間平均得到軸向不同位置固體燃料的平均燃速，即固體燃料當(dāng)?shù)厝妓?，其?jì)算式可表示為

式中 D0i、Dfi分別表示第i個(gè)測量截面試驗(yàn)前后固體燃料內(nèi)徑;tc表示發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間。

圖9給出了不同實(shí)驗(yàn)工況的當(dāng)?shù)厝妓匐S時(shí)間變化曲線。由圖9中可知，隨著突擴(kuò)比的增大，PE燃料當(dāng)?shù)厝妓僦饾u增大，再附著點(diǎn)沿軸向往后移動(dòng)。當(dāng)突擴(kuò)比為0.21和0.25時(shí)，PE燃料尾部當(dāng)?shù)厝妓儆兄饾u增大的趨勢，這種現(xiàn)象類似于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的侵蝕燃燒效應(yīng)。這是因?yàn)?，在PE燃料通道內(nèi)，沿軸向方向，隨著燃?xì)饬髁康募尤?，下游燃?xì)赓|(zhì)量流率逐漸增大，燃?xì)饬魉僭龃?。?dāng)燃?xì)饬魉俅笥诮缦蘖魉贂r(shí)，即出現(xiàn)侵蝕效應(yīng)。

另外，由圖9可看出，在PE燃料前端，當(dāng)?shù)厝妓佥^小。隨著軸向的推移，當(dāng)?shù)厝妓僦饾u增大，在距離頭部一定距離處，達(dá)到最大值，通常將該點(diǎn)視為再附著點(diǎn)。再附著點(diǎn)之后，當(dāng)?shù)厝妓僦饾u減小。在燃料尾部，當(dāng)?shù)厝妓偌眲p小，這是由于摻混板結(jié)構(gòu)引起流動(dòng)和傳熱的變化引起的。當(dāng)?shù)厝妓傺剌S向的變化規(guī)律取決于燃燒室內(nèi)燃?xì)獾牧鲃?dòng)和傳熱機(jī)理。再附著點(diǎn)之前為回流區(qū)，其燃燒機(jī)理主要受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，附著點(diǎn)之后為湍流再發(fā)展區(qū)，其燃燒機(jī)理主要受擴(kuò)散燃燒控制。隨著軸向距離的增大，燃?xì)饬魉僭龃?，燃?xì)馀c固體燃料之間的對流換熱增強(qiáng)，因而當(dāng)?shù)厝妓僭龃?。同時(shí)，由圖9可知，其他實(shí)驗(yàn)中并未出現(xiàn)類似固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的侵蝕燃燒現(xiàn)象。

圖9 不同實(shí)驗(yàn)工況當(dāng)?shù)厝妓僮兓€Fig.9 Localmean regression rate at different test conditions

3 結(jié)論

(1)當(dāng)燃燒室與補(bǔ)燃室之間設(shè)置摻混板結(jié)構(gòu)時(shí)，燃燒室與補(bǔ)燃室之間存在壓強(qiáng)差，本文中約0.01～0.02 MPa。

(2)不同來流空氣質(zhì)量流率下，本文設(shè)計(jì)的中心錐火藥式點(diǎn)火器能夠保證PE在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)可靠點(diǎn)火;點(diǎn)火器工作時(shí)間越長，補(bǔ)燃室達(dá)到穩(wěn)定燃燒的時(shí)間越短。

(3)增大突擴(kuò)比，有利于PE燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒。突擴(kuò)比越大，燃燒室溫度越高，補(bǔ)燃室達(dá)到穩(wěn)定燃燒的時(shí)間越短;突擴(kuò)比較小時(shí)，PE燃料尾部出現(xiàn)類似固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的侵蝕燃燒現(xiàn)象。

(4)PE燃料平均燃速隨突擴(kuò)比和來流空氣質(zhì)量流率的增大而增大，且與突擴(kuò)比呈線性函數(shù)遞增關(guān)系，與空氣質(zhì)量流率呈冪函數(shù)遞增關(guān)系，本文結(jié)論與國外研究者所得結(jié)論一致;且本文研究結(jié)果拓寬了突擴(kuò)比對燃速影響的適用范圍。

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