方維 張偉

1. 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2. 北京市航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100074

一、引言

對(duì)于推力較大的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推力室壓力高，熱流密度大，點(diǎn)火啟動(dòng)之前需要使用液氫預(yù)冷推力室以減少啟動(dòng)時(shí)的壓力梯度。關(guān)機(jī)時(shí)為確保安全，往往采用富氫關(guān)機(jī)的方式，先關(guān)閉氧化劑流路。發(fā)動(dòng)機(jī)富氫起動(dòng)，富氫關(guān)機(jī)將排出大量的低溫氫氣，氫在空氣中的爆炸極限為18.3%～59%，這部分氫氣會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及下游試驗(yàn)設(shè)施構(gòu)成潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，必須進(jìn)行處理。

對(duì)于這部分冷氫排放，國(guó)外多采用直接點(diǎn)燃并引流的方式[1-3]。美國(guó)空軍試驗(yàn)室1－A試驗(yàn)臺(tái)在發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室出口將發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷排出的冷氫采用氫氧火炬點(diǎn)燃。斯坦尼斯宇航中心進(jìn)行338.2噸大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)RS－68試驗(yàn)時(shí)，為了消除從主發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和渦輪泵排泄噴管噴出的氫，設(shè)計(jì)了可移動(dòng)的氫點(diǎn)火裝置：在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之前移動(dòng)到指定位置，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后收回。同時(shí)設(shè)計(jì)了規(guī)模龐大的氮?dú)獯党到y(tǒng)以減少發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)和泄露情況下發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的氫聚集現(xiàn)象[4]。

低溫氫氣處理是我國(guó)新一代氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)過程中遇到的新課題，本文以某型氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制及試驗(yàn)為背景開展研究，采用數(shù)值仿真結(jié)合工程試驗(yàn)的方式，設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)低溫氫氣燃燒處理裝置。以常溫氫氣火炬主動(dòng)燃燒的方式處理環(huán)境中積聚的低溫氫氣，以氮?dú)庖鞯姆绞礁艚^氫氣，并阻止氫氣、燃?xì)鈹U(kuò)散。

二、設(shè)計(jì)要求

某型氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前使用液氫預(yù)冷推力室，預(yù)冷階段通過噴管排出低溫氫氣，單機(jī)冷氫排放流量如圖1所示。0s為發(fā)動(dòng)機(jī)氫主閥打開時(shí)間，總排放時(shí)間約5s，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)流量0.75kg/s～1.35kg/s。對(duì)曲線進(jìn)行離散化，計(jì)算排氫總量～5.5kg。排放溫度隨時(shí)間逐步降低，在排放結(jié)束時(shí)頭腔處溫度約60K，從噴管排出的低溫氫氣平均溫度～80K，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管直徑～1.5m。

三、低溫氫氣燃燒處理裝置設(shè)計(jì)

1、工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)低溫氫氣燃燒處理裝置原理如圖2所示。系統(tǒng)由測(cè)控系統(tǒng)、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、氮?dú)庖餮b置以及相關(guān)的輸送管線、閥門、固定支架等組成。

基本工作原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)備起動(dòng)、預(yù)冷推力室前，低溫氫氣燃燒處理裝置提前開始工作，通過火花塞點(diǎn)燃點(diǎn)火噴嘴噴出的常溫氫氣，在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管底端形成火炬；發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷推力室的同時(shí)，引流裝置開始工作；預(yù)冷推力室后由噴管排出的冷氫被氫氣火炬引燃，并在氮?dú)庖髯饔孟孪蛳屡欧?，避免火焰上飄和擴(kuò)散。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，火花塞即停止工作，而點(diǎn)火噴嘴和引流環(huán)繼續(xù)工作直到試車關(guān)機(jī)程序結(jié)束，用于處理富氫關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的低溫氫氣。

2、點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某型大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前在貯箱壓力下預(yù)冷推力室，推力室排出的低溫氫氣處理方案按照P=0.15MPa，T=80K，Q=1.5kg/s進(jìn)行設(shè)計(jì)。低溫氫氣能可靠的引燃，其必備條件包括合適的點(diǎn)火源及其抗風(fēng)能力，合適的氧氣濃度等。氫在空氣中燃點(diǎn)溫度（850K）附近，焓值2921 kcal/kg[5]，而在80K溫度下，焓值只有323 kcal/kg。即，點(diǎn)燃80K、1kg的低溫氫氣需要的能量約為2598 kcal。

氫氣在空氣中的擴(kuò)散速度快，所需的理論空氣量最少，能夠產(chǎn)生極高的燃燒熱值。氫氣在空氣中的燃燒溫度為2129℃，焓值 29150 kcal/kg[6-7]，在流量相同的條件下，氫氣的燃燒熱約是乙炔的3倍，可以為低溫氫氣提供更多的點(diǎn)火能量。另外，氫氣火焰壓力高，能夠更好地抵御風(fēng)力的影響。因此，使用氫氣火炬點(diǎn)燃低溫氫氣是可靠的。

氫氣在空氣中點(diǎn)燃能量低，所需要的點(diǎn)火能量?jī)H為0.019mJ，脈沖式火花塞的能量足以將火炬噴嘴中噴出的低壓常溫氫氣點(diǎn)燃。

根據(jù)以上分析，本設(shè)計(jì)中的點(diǎn)火系統(tǒng)的燃料氣采用常溫低壓氫氣，噴出點(diǎn)火噴嘴的氫氣與空氣混合后，利用脈沖式火花塞點(diǎn)火，形成長(zhǎng)明火炬。點(diǎn)火裝置主要部件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

點(diǎn)火器使用高能電子點(diǎn)火器，輸入電源電壓為～220V，點(diǎn)火直流電壓2500V，發(fā)火頻率14Hz，火花塞點(diǎn)火能量12J，能夠可靠點(diǎn)燃常溫氫氧混合氣。

每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)配置2個(gè)點(diǎn)火裝置，每個(gè)點(diǎn)火裝置配置2個(gè)火花塞。2個(gè)點(diǎn)火裝置通過固定支架安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口處，沿噴管周向?qū)ΨQ分布。氫氣噴嘴的安裝位置應(yīng)能確保發(fā)動(dòng)機(jī)噴管噴出的低溫氫氣在最初的混合區(qū)域里在最短時(shí)間內(nèi)完成可靠點(diǎn)火，因此要保證氫氣噴嘴距離噴管底部垂直距離足夠小，但同時(shí)又不會(huì)直接燒蝕發(fā)動(dòng)機(jī)噴管；另一方面為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)尾流高溫燃?xì)獾膹?qiáng)烈輻射作用對(duì)點(diǎn)火裝置造成破壞，點(diǎn)火裝置距離噴管的安裝半徑應(yīng)足夠大，因此對(duì)點(diǎn)火噴嘴火焰長(zhǎng)度、火焰能量提出了較高要求。

本設(shè)計(jì)中氫氣噴嘴安裝位置根據(jù)以往氫氣安全處理的經(jīng)驗(yàn)，安裝位置參考：

其中，α —火炬與推力室徑向夾角；

R —火炬的安裝半徑；

d —低溫氫脫離噴管壁時(shí)的氣流的直徑，按照噴管直徑1500mm計(jì)算；

h —火炬與噴管出口垂直高度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，火炬噴嘴與推力室徑向呈15° ～ 20°夾角向下噴射，與噴管出口垂直高度差230mm，與推力室中軸線距離950mm。

根據(jù)氫氣噴嘴安裝位置，需要設(shè)計(jì)篩選出火焰長(zhǎng)度＞800mm的噴嘴方案?；鹁鎳娮煸O(shè)計(jì)為收縮形噴嘴，噴管長(zhǎng)度100mm，入口直徑8mm，出口直徑3mm～5mm。通過加工不同噴嘴并進(jìn)行試驗(yàn)篩選，使用出口直徑為4mm的噴嘴，在0.7MPa壓力下，火焰長(zhǎng)度可達(dá)900mm，能夠滿足使用要求。

采用試驗(yàn)的方式驗(yàn)證點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火效果，同時(shí)設(shè)計(jì)風(fēng)力對(duì)點(diǎn)火可靠性影響試驗(yàn)：利用大功率風(fēng)扇模擬5～6級(jí)風(fēng)力吹到噴管出口，與噴管軸線0°、45°、90°三個(gè)方向分別吹風(fēng)，每個(gè)角度下做5次點(diǎn)火試驗(yàn)，均能可靠點(diǎn)燃噴管排出的低溫氫氣，充分證實(shí)了上述裝置的可靠性。

3、引流裝置設(shè)計(jì)

推力室排出的低溫氫氣壓力較低，容易被風(fēng)吹散；此外，由于氫氣密度小，燃燒后火焰將隨之上飄，因此必須主動(dòng)控制。通過增加氮?dú)庖鳝h(huán)，在引射作用下，隔絕氫氣并阻止氫氣、燃?xì)鈹U(kuò)散，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖4為無氮?dú)庖鲿r(shí)氫氣自由擴(kuò)散以及有氮?dú)庖鲿r(shí)氫、氧濃度分布對(duì)比。湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，控制方程采用一階迎風(fēng)格式離散，計(jì)算步長(zhǎng)為0.01s。

如圖4（a）所示，當(dāng)缺少引流措施時(shí)，預(yù)冷段排出的低溫氫氣自由擴(kuò)散將在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍大量積聚；同時(shí)由于推力室排出的低溫氫氣壓力較低，被火炬點(diǎn)燃后容易被風(fēng)吹散，火焰飄向試車間其他位置易成為不安全因素。圖4（b）、（c）為在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管周圍設(shè)置氮?dú)庖骱?，環(huán)境中氫氣擴(kuò)散云圖以及發(fā)動(dòng)機(jī)周圍氧濃度分布情況。

氮?dú)庖鞯男Чǎ?/p>

（1）對(duì)向上擴(kuò)散低溫氫氣和火焰起到抑制和吹除作用，將氫氣和火焰控制在允許的范圍之內(nèi)；

（2）降低向上擴(kuò)散火焰的溫度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)周圍設(shè)備被燒壞的風(fēng)險(xiǎn)。

不利影響包括：

（1）氮?dú)獾膿交鞙p小了噴管附近氧氣的濃度，不利于氫氣的點(diǎn)燃和燃燒；

（2）對(duì)點(diǎn)火火炬產(chǎn)生影響，降低點(diǎn)火火炬的溫度，并使火炬發(fā)生偏轉(zhuǎn)，降低了點(diǎn)火的可靠性。

上述兩方面因素需綜合考慮并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保試車時(shí)低溫氫氣處理可靠有效。

引流環(huán)設(shè)計(jì)是本方案的難點(diǎn)，其外廓尺寸受試車間結(jié)構(gòu)的限制，空間布局受氫氧渦輪燃?xì)馀欧殴艿母蓴_。研究采用數(shù)值模擬結(jié)合工程試驗(yàn)的方式，通過數(shù)值模擬分析計(jì)算氮?dú)庖鳝h(huán)相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)徑向、軸向位置，以及氮?dú)獯党嵌鹊葘?duì)噴管中排出的低溫氫氣擴(kuò)散、發(fā)動(dòng)機(jī)周圍環(huán)境氧濃度的影響。以計(jì)算數(shù)據(jù)為參考，綜合試車臺(tái)以及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)安排引流環(huán)結(jié)構(gòu)、位置參數(shù)等，進(jìn)而采取試驗(yàn)方式對(duì)引流效果進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備。

圖5是不同軸向位置吹除5s時(shí)的氫氣濃度分布，氮?dú)庖鳝h(huán)設(shè)置過高或過低對(duì)氫氣引流的效果均不理想。吹除位置過高時(shí)，在氫氣擴(kuò)散區(qū)域，氮?dú)饬魉俚?、?dòng)量小，對(duì)氫氣的吹除能力減弱；位置過低時(shí)，氫氣將從引流環(huán)與擋火板的間隙向外擴(kuò)散，不能起到完全控制氫氣擴(kuò)散范圍的作用。

圖6為不同徑向位置吹除時(shí)的氫氣濃度分布。吹除位置距離發(fā)動(dòng)機(jī)擋火板越近，從間隙向上擴(kuò)散的氫氣越少，向上擴(kuò)散的范圍越小。

圖7為45°吹除角和垂直向下吹除時(shí)的氫氣濃度分布，從圖示結(jié)果可以看出，氮?dú)庖砸欢ǖ慕嵌认騼?nèi)側(cè)吹除能夠?qū)錃馄鸬礁玫目刂谱饔谩?/p>

綜合考慮數(shù)值模擬結(jié)果與試車臺(tái)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)引流環(huán)直徑為1600mm，選用?32mm×3.5mm厚壁管，沿圓周打3排?2的針孔，100個(gè)/排，起到引流作用；沿圓周焊接40個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴入口直徑10mm，出口為長(zhǎng)圓孔形，出口截面4mm2，噴射氣流擴(kuò)散角度約20°。使用4m3氮?dú)馄抗?，氮?dú)饬髁俊?kg/s，電磁閥直接控制供氣。

試驗(yàn)研究表明：只要氮?dú)獾拇党龥_擊點(diǎn)不正對(duì)點(diǎn)火裝置火炬噴嘴出口，則氮?dú)庖鳝h(huán)不會(huì)吹滅氫氣火焰，空氣可以不斷地以混合擴(kuò)散方式進(jìn)入氮?dú)猸h(huán)內(nèi)部提供燃燒氧氣。上述設(shè)備的可靠性已被多次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)以及動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)所證實(shí)。

四、結(jié)論

本文采取數(shù)值模擬結(jié)合工程試驗(yàn)的方式，設(shè)計(jì)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)低溫氫氣燃燒處理裝置，用于消除氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)富氫起動(dòng)、富氫關(guān)機(jī)時(shí)排出的低溫氫氣。裝置以常溫氫氣長(zhǎng)明火炬主動(dòng)燃燒的方式處理環(huán)境中積聚的低溫氫氣，以氮?dú)庖鞯姆绞礁艚^氫氣，阻止氫氣、燃?xì)鈹U(kuò)散。此方案在多個(gè)型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)及動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)中得到了成功的應(yīng)用，具有較高的可靠性。其研究思路和工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中的可燃?xì)怏w處理，有毒或腐蝕性推進(jìn)劑、燃燒產(chǎn)物排放等問題具有一定指導(dǎo)意義。