張 鋒，于 涵，尚 帥，胡洪波，連俊愷

(西安航天動(dòng)力研究所 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710100)

0 引言

隨著航天動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，可重復(fù)使用火箭逐漸成為未來(lái)航天運(yùn)載器的重要發(fā)展方向之一。研制低成本、高性能、易使用、無(wú)毒、無(wú)污染的推進(jìn)系統(tǒng)正成為各國(guó)航天競(jìng)相關(guān)注的熱點(diǎn)。液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)在可重復(fù)使用領(lǐng)域具有較高的潛力，這是因?yàn)橐环矫媾c煤油相比，甲烷結(jié)焦溫度高、積碳少，冷卻能力更強(qiáng)；另一方面與液氫相比，密度是液氫的6倍左右，因此貯箱的尺寸及質(zhì)量更小，并且絕熱和處理工藝的要求簡(jiǎn)單得多。因此，液氧/甲烷推進(jìn)劑組合非常適合低成本、可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)，美、俄、歐等航天強(qiáng)國(guó)均相繼啟動(dòng)了液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研制計(jì)劃。

液氧/甲烷雙組元低溫推進(jìn)劑需要額外的點(diǎn)火裝置才能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，現(xiàn)有的點(diǎn)火方式主要包括化學(xué)點(diǎn)火、火藥點(diǎn)火和火炬式電點(diǎn)火等。其中火炬式電點(diǎn)火器相當(dāng)于一個(gè)小型燃燒裝置，一般由推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、點(diǎn)火室、火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)以及噴管(或燃?xì)鈱?dǎo)管)等部件組成?；鹁媸诫婞c(diǎn)火器具有可多次起動(dòng)、能量高以及工作時(shí)間可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，因此火炬式電點(diǎn)火方式是可重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)較為可行的點(diǎn)火方式之一。

火炬式電點(diǎn)火技術(shù)已在國(guó)外多款發(fā)動(dòng)機(jī)中得到應(yīng)用，美國(guó)的RL-10和SSME、日本的LE-5和LE-7以及俄羅斯的PД-0120等氫/氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了火炬式電點(diǎn)火器。早在20世紀(jì)70年代后期，美國(guó)NASA的Lewis研究中心研制了一種氣氧/氣氫火炬式電點(diǎn)火器，用作火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面燃燒試驗(yàn)的點(diǎn)火源。該點(diǎn)火器在多個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)上得到廣泛應(yīng)用，操作簡(jiǎn)單、可靠性高，可用于氫/氧、液氧/煤油、甲烷/氣氧等多種推進(jìn)劑組合的點(diǎn)火。NASA格倫研究中心設(shè)計(jì)了液氧/甲烷火炬點(diǎn)火器，并在真空環(huán)境下開(kāi)展了750次點(diǎn)火試驗(yàn)，評(píng)估了甲烷純度、火花塞能量和放電頻率、混合比、流量以及點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)等對(duì)點(diǎn)火成功率的影響。

國(guó)內(nèi)對(duì)火炬式電點(diǎn)火器技術(shù)的研究起步較晚。孫紀(jì)國(guó)等先后研制了膜冷卻型液氫/液氧火炬式電點(diǎn)火器和排放冷卻型液氫/液氧富氧火炬式電點(diǎn)火器。劉巍等設(shè)計(jì)了采用旋轉(zhuǎn)液膜冷卻的氣氧/酒精火炬式電點(diǎn)火器，并在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)中最長(zhǎng)工作時(shí)間達(dá)到20 s。針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火難題，鄧維鑫等設(shè)計(jì)了一種以空氣和煤油作為氧化劑和燃料的火炬式電點(diǎn)火器，試驗(yàn)表明，該點(diǎn)火器能夠在當(dāng)量比0.3～1.3范圍內(nèi)可靠工作，并能可靠點(diǎn)燃超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

總體而言，國(guó)內(nèi)在火炬式電點(diǎn)火器技術(shù)方面開(kāi)展了一定的研究工作，但針對(duì)氣氧/氣甲烷火炬式電點(diǎn)火器技術(shù)的研究較少，有待進(jìn)一步深入。為此，本文針對(duì)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)使用點(diǎn)火需求，設(shè)計(jì)了一種直流互擊式氣氧/氣甲烷火炬式電點(diǎn)火器，并開(kāi)展了燃燒流動(dòng)數(shù)值模擬和點(diǎn)火試驗(yàn)研究。

1 火炬式電點(diǎn)火器設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

氣氧/氣甲烷火炬式電點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)要求如下：①理論燃?xì)鉁囟? 000±200 K；②點(diǎn)火室壓力不小于2.0 MPa；③點(diǎn)火器本體及電火花塞熱防護(hù)可靠，無(wú)燒蝕。

國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的火炬式電點(diǎn)火器的混合比一般多選擇富燃混合比，這是由于在相同點(diǎn)火能量的情況下，富燃混合比所需要的點(diǎn)火器總流量要明顯小于富氧混合比條件下的總流量。因此，本文的氣氧/氣甲烷火炬式電點(diǎn)火器同樣選擇富燃混合比。為確定火炬點(diǎn)火器的混合比，采用CEA軟件開(kāi)展了氣氧/氣甲烷熱力性能參數(shù)計(jì)算。在點(diǎn)火室壓力=2.0 MPa的條件下(氣氧和氣甲烷的初始溫度均為293 K)，燃?xì)鉁囟入S混合比的變化曲線如圖1所示。

圖1 氣氧/氣甲烷理論燃燒溫度隨混合比的變化曲線(pc=2.0 MPa)

在混合比MR為1～10的范圍之內(nèi)，燃?xì)鉁囟入S混合比的增大先增大后減小，在混合比MR=3.7時(shí)(化學(xué)恰當(dāng)混合比為4.0)達(dá)到最高值3 452.3 K。當(dāng)混合比為1.56時(shí)，理論燃?xì)鉁囟燃s為2 000 K?？紤]到燃燒效率及散熱損失等因素，該火炬式點(diǎn)火器混合比取為1.65，此時(shí)的理論燃?xì)鉁囟燃s為2 166.1 K，理論特征速度約為1 707.0 m/s。

1.2 結(jié)構(gòu)方案

本文設(shè)計(jì)的氣氧/氣甲烷火炬式電點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)如圖2所示。該點(diǎn)火器采用電火花塞點(diǎn)火，電火花塞設(shè)置在點(diǎn)火器頭部的中心位置。該點(diǎn)火器采用直流互擊式噴注方案，共有4對(duì)氣氧/氣甲烷的直流互擊式噴注孔。

圖2 氣氧/氣甲烷火炬式電點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)圖

2 燃燒流場(chǎng)仿真

2.1 仿真方法及物理模型

采用商用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 6.3.26求解器，對(duì)上述火炬式電點(diǎn)火器進(jìn)行了三維燃燒流場(chǎng)數(shù)值仿真。由于仿真的目的主要在于了解點(diǎn)火室內(nèi)溫度分布尤其是高溫區(qū)的位置，因此，計(jì)算域未包含喉部下游區(qū)域，并根據(jù)點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，取其1/4進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，選取網(wǎng)格數(shù)約為1.65×10，如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

控制方程采用基于雷諾平均的氣相湍流反應(yīng)的N-S方程，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)-模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁面流動(dòng)，離散格式為二階迎風(fēng)格式。氣氧/氣甲烷的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型采用了13組分、18步反應(yīng)的簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理。

氣甲烷和氣氧噴孔進(jìn)口均選擇質(zhì)量入口(總流量為8 g/s)，給定進(jìn)口燃料和氧化劑的流量、壓力、推進(jìn)劑組分及溫度，出口選擇壓力出口，進(jìn)出口的湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率按經(jīng)驗(yàn)公式給定，對(duì)稱面采用對(duì)稱邊界，固體壁面采用絕熱、無(wú)滑移壁面條件，并忽略對(duì)流傳熱、輻射傳熱對(duì)流場(chǎng)的影響。流場(chǎng)中各組分的定壓比熱容選擇分段多項(xiàng)式方法計(jì)算，黏性和導(dǎo)熱系數(shù)按照動(dòng)能理論計(jì)算；混合氣體的密度按照理想氣體模型計(jì)算，導(dǎo)熱系數(shù)和黏性按理想氣體混合定律給定，質(zhì)量擴(kuò)散按動(dòng)能理論進(jìn)行計(jì)算。

2.2 仿真結(jié)果與分析

本文在點(diǎn)火器總流量保持不變的情況下，對(duì)點(diǎn)火器混合比在1.0～3.0的富燃燃燒流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果分析混合比對(duì)點(diǎn)火器燃燒流場(chǎng)(尤其是溫度場(chǎng)分布)和工作特性的影響。

表1 燃燒流場(chǎng)仿真結(jié)果

圖4 燃?xì)鉁囟入S混合比的變化

圖5 特征速度隨混合比的變化

圖6給出了不同混合比工況下，點(diǎn)火室內(nèi)燃?xì)忪o溫分布云圖。從圖中可以看出，點(diǎn)火室內(nèi)的高溫燃燒區(qū)起始于氣氧噴孔出口，主要位于氣氧射流的外圍以及氣氧射流與氣甲烷射流撞擊混合的合成射流的下游側(cè)。隨著混合比的逐漸升高，高溫燃燒區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大并逐漸延續(xù)到喉部。另一方面，隨著混合比的增大，氣氧射流與氣甲烷的動(dòng)量比逐漸增大，因此兩者撞擊混合后的合成射流軸線與點(diǎn)火器中心軸線的夾角逐漸增大，由混合比MR=1.0時(shí)的28°增大至混合比MR=3.0時(shí)的79°。受此影響，4對(duì)撞擊對(duì)合成射流的徑向動(dòng)量分量逐漸增大，從而增強(qiáng)了高溫燃?xì)庀螯c(diǎn)火器頭部端面的回流，導(dǎo)致火花塞末端所處的熱環(huán)境愈發(fā)惡劣，火花塞末端燒蝕的風(fēng)險(xiǎn)不斷加大。

圖6 不同混合比下的靜溫分布云圖

3 點(diǎn)火試驗(yàn)

按照火炬式電點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)方案試制了一套點(diǎn)火器樣件，并根據(jù)仿真結(jié)果開(kāi)展了試驗(yàn)研究，下面介紹具體的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果與分析。

3.1 試驗(yàn)方案

圖7 氣氧/氣甲烷火炬式電點(diǎn)火器試驗(yàn)系統(tǒng)

(1)

由數(shù)值仿真的結(jié)果可知，隨著混合比的升高，火花塞端面處溫度顯著升高，為了保證試驗(yàn)中火花塞不被燒蝕，本文按照表1中工況1～4的參數(shù)開(kāi)展點(diǎn)火試驗(yàn)，不進(jìn)行工況5～8的點(diǎn)火試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照表1中工況1～4開(kāi)展點(diǎn)火器熱試，得到點(diǎn)火器室壓隨時(shí)間變化曲線如圖8所示，其中圖8(a)是點(diǎn)火器室壓全程變化曲線，圖8(b)是點(diǎn)火器起動(dòng)時(shí)刻室壓變化曲線。從圖8(a)可以看出在0.2 s時(shí)刻點(diǎn)火室壓力開(kāi)始上升，此時(shí)燃料和氧化劑正在進(jìn)入點(diǎn)火室，室壓上升到接近0.5 MPa時(shí)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，此時(shí)燃料和氧化劑基本完成充填，點(diǎn)火室迅速著火，室壓快速上升，大約在0.4 s時(shí)刻火炬點(diǎn)火器室壓達(dá)到額定值，隨后在額定室壓下穩(wěn)定工作。熱試結(jié)果表明點(diǎn)火器可在混合比1.0～1.6之間實(shí)現(xiàn)可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定工作，隨著點(diǎn)火器混合比升高，穩(wěn)定工作階段的室壓增大，這符合理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)。

圖8 不同混合比工況下點(diǎn)火室壓力變化曲線

從圖8(b)中還可以看出，在混合比1.61狀態(tài)下，點(diǎn)火室存在較為明顯的點(diǎn)火壓力峰，隨著混合比的降低，點(diǎn)火壓力峰逐漸消失。點(diǎn)火室中產(chǎn)生點(diǎn)火壓力峰的原因是從氧氣和甲烷開(kāi)始進(jìn)入點(diǎn)火器到火花塞位置處的混合比達(dá)到可燃條件存在一定的時(shí)間延遲，該時(shí)間內(nèi)在點(diǎn)火器中積存的氧氣和甲烷著火瞬間發(fā)生爆燃?；旌媳仍浇咏瘜W(xué)恰當(dāng)比，爆燃程度就越高，形成的點(diǎn)火壓力峰也就越大。

圖9 點(diǎn)火器室壓數(shù)值計(jì)算和熱試結(jié)果對(duì)比

火炬式點(diǎn)火器點(diǎn)著發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室依靠的是從燃?xì)鈱?dǎo)管噴出的高溫燃?xì)?，因此火焰特征?duì)于點(diǎn)火過(guò)程較為重要，下面基于典型工況的火焰圖像分析火焰特征演變規(guī)律。圖10為MR=1.61工況下點(diǎn)火器出口火焰從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)展過(guò)程，可以看出在火炬剛點(diǎn)燃的時(shí)刻，火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng)(約500 mm)、寬度較寬(約100 mm)，這是由于火炬點(diǎn)燃前一部分未燃混合物已經(jīng)從出口噴出，火炬點(diǎn)燃后，點(diǎn)火室內(nèi)部火焰噴出將未燃混合物點(diǎn)燃，從而形成了較大尺寸的火焰特征。在+0.04 s時(shí)刻，火焰區(qū)域明顯縮小，火焰呈淡黃色，此時(shí)點(diǎn)火室未完全建壓，部分未完全燃燒的高溫燃?xì)鈴娜細(xì)鈱?dǎo)管噴出后與空氣繼續(xù)燃燒。在+0.08 s時(shí)刻，點(diǎn)火室基本完成建壓過(guò)程，此時(shí)火焰根部呈淡藍(lán)色，火焰長(zhǎng)度約200 mm、寬度約30 mm。在+0.12 s時(shí)刻，點(diǎn)火室完成建壓過(guò)程，此時(shí)火焰特征與+0.08 s時(shí)刻基本相同。從火焰式圖像可以看出，火炬點(diǎn)火器穩(wěn)定工作后的火焰具有較好的穩(wěn)定性和剛度，符合發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室對(duì)點(diǎn)火器火焰的要求。

圖10 點(diǎn)火器出口火焰發(fā)展過(guò)程

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種氣氧/氣甲烷火炬電點(diǎn)火器，并開(kāi)展了燃燒流場(chǎng)數(shù)值仿真和點(diǎn)火試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

1)直流互擊式噴注方式能夠較好地適用于小流量氣/氣燃燒組織，可作為氣態(tài)火炬電點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)備選方案。

2)采用數(shù)值模擬方法能夠較準(zhǔn)確地獲得點(diǎn)火室壓力、燃?xì)鉁囟群吞卣魉俣龋诨旌媳雀哂?.8時(shí)，存在火花塞端面過(guò)熱燒蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

3)熱試結(jié)果表明火炬點(diǎn)火器能夠在混合比1.0～1.6范圍實(shí)現(xiàn)可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定工作，火焰穩(wěn)定性和剛度較好，并且火花塞或喉部未出現(xiàn)燒蝕問(wèn)題。