王澤眾，張澤林，林 鑫*，李 飛，余西龍,2

(1.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

0 引言

航天科技的不斷發(fā)展對(duì)火箭推進(jìn)系統(tǒng)的綜合性能提出了更高要求，如低成本、綠色安全、高可靠性以及可重復(fù)利用等。作為推進(jìn)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)綜合了常見(jiàn)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、高特征速度、推力可控以及可多次啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，契合了探空火箭、小型運(yùn)載火箭、靶彈、亞軌道飛行器以及組合式發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展需求。但截至目前，固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用相比于其余兩種化學(xué)能推進(jìn)系統(tǒng)仍較少。限制其進(jìn)一步發(fā)展的核心問(wèn)題在于傳統(tǒng)固體燃料如端羥基聚丁二烯(HTPB)的燃面退移速率較低，造成推力性能提高相對(duì)困難。固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)早期通常采用多孔藥柱結(jié)構(gòu)以增加燃面面積，從而提高推力。但多孔結(jié)構(gòu)同時(shí)也帶來(lái)了燃燒室容積率降低、藥柱成型難度增加以及易受自身燃燒或者外部因素激勵(lì)而發(fā)生坍塌等問(wèn)題。研究人員針對(duì)提高固體燃料藥柱的燃面退移速率提出了多種方法，例如采用可液化燃料(石蠟)、添加金屬顆粒、采用旋流噴注和隔板等。上述方法均能夠有效提高固體藥柱的燃面退移速率，但同時(shí)也引入了許多問(wèn)題：純石蠟(Pure paraffin,PP)藥柱的力學(xué)性能較差；鋁顆粒燃燒后易在燃燒室內(nèi)壁面及噴管喉道處發(fā)生沉積；旋流噴注會(huì)加劇藥柱前端面的沖刷；隔板增加沿軸向燃燒不均勻程度。近些年，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展使其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)藥柱高質(zhì)量且快速成型方面展現(xiàn)出的巨大應(yīng)用潛力。同時(shí)，由于藥柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠有效提高藥柱的燃燒性能并規(guī)避上述問(wèn)題，因此基于3D打印的藥柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化獲得了研究人員的廣泛關(guān)注。其中，最具代表性的工作之一是WHITMORE等通過(guò)設(shè)計(jì)螺旋孔藥柱結(jié)構(gòu)顯著提高了改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)燃料的燃燒特性，包括退移速率和特征速度。此外，ARMOLD和ZHANG等分別通過(guò)燃燒實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了星形螺旋藥柱結(jié)構(gòu)能夠有效提高聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燃料的退移速率性能。但上述藥柱螺旋特征結(jié)構(gòu)均存在持續(xù)時(shí)間短的問(wèn)題，導(dǎo)致藥柱的退移速率和特征速度隨燃燒過(guò)程逐漸下降。

針對(duì)上述問(wèn)題，在之前的工作中提出了一種新型嵌套式螺旋藥柱。基于兩種不同燃料間的退移速率差異，該藥柱在燃燒過(guò)程中形成并始終保持螺旋特征結(jié)構(gòu)，從而引導(dǎo)高溫燃?xì)猱a(chǎn)生旋流以增強(qiáng)燃燒室內(nèi)湍流強(qiáng)度。燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該藥柱的退移速率相比于傳統(tǒng)石蠟基藥柱退移速率提升顯著，并且隨氧化劑通量增大，提升效果將進(jìn)一步提高。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)探究了藥柱的點(diǎn)火延遲、燃燒穩(wěn)定性以及燃燒效率等，藥柱綜合燃燒性能表現(xiàn)優(yōu)異。本文將進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究嵌套式螺旋藥柱退移速率和特征速度的影響因素。以氧氣作為氧化劑，依托固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展藥柱燃燒實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變螺旋基體葉片的數(shù)量和旋轉(zhuǎn)角，對(duì)比分析藥柱退移速率和特征速度變化。此外，通過(guò)改變嵌套燃料的種類，對(duì)比分析退移速率的差異性對(duì)藥柱退移速率和特征速度的影響。

1 藥柱燃燒特性影響因素

如圖1所示，嵌套式螺旋藥柱包含低退移速率螺旋基體(如ABS螺旋基體)以及嵌入的高退移速率主體燃料(如石蠟基燃料)兩部分。螺旋基體由外壁和一體成型并沿軸向呈螺旋結(jié)構(gòu)的葉片組成。螺旋基體既可作為次要燃料參與燃燒，又為主體燃料提供支撐，大幅提高了藥柱整體的力學(xué)性能?；谌剂贤艘扑俾实牟町?，該藥柱在保持單孔結(jié)構(gòu)特性的前提下，在燃燒過(guò)程中能夠形成并保持螺旋凹槽結(jié)構(gòu)。

圖1 ABS/石蠟基嵌套式螺旋結(jié)構(gòu)藥柱Fig.1 ABS/paraffin-based grain with nested helical structure

對(duì)比傳統(tǒng)單孔結(jié)構(gòu)藥柱，嵌套式螺旋藥柱的燃燒特性將受其螺旋特征結(jié)構(gòu)的影響。一方面，該特征結(jié)構(gòu)能夠強(qiáng)制引導(dǎo)高溫燃?xì)猱a(chǎn)生旋流，并壓迫火焰面趨向于藥柱壁面，增強(qiáng)近壁面處的傳熱和傳質(zhì)；另一方面，高溫燃?xì)饬鹘?jīng)相鄰葉片間的凹槽處可產(chǎn)生回流區(qū)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)推進(jìn)劑摻混。綜合來(lái)看，改變螺旋特征結(jié)構(gòu)將影響流場(chǎng)旋流強(qiáng)度及回流區(qū)數(shù)量?jī)煞矫妫瑥亩鴰?lái)藥柱燃燒特性的變化。而藥柱螺旋特征結(jié)構(gòu)改變主要取決于三個(gè)因素：葉片數(shù)量、葉片旋轉(zhuǎn)角及燃料退移速率的差異性。由于嵌套式螺旋藥柱中ABS燃料的質(zhì)量占比小于等于20%，因此本工作中并未考慮葉片厚度對(duì)藥柱燃燒特性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及藥柱制備

本文所采用的固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，更多細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[17]。該固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)全長(zhǎng)為300 mm，藥柱長(zhǎng)度為125 mm、內(nèi)徑為30 mm、外徑與燃燒室內(nèi)徑均為70 mm，噴管喉徑為5 mm。以氧氣作為氧化劑，氧氣流量由質(zhì)量流量控制器(Bronkhost M15)控制。點(diǎn)火方式采用CH/O火炬式點(diǎn)火，點(diǎn)火頭設(shè)置于發(fā)動(dòng)機(jī)頭部。氮?dú)庥米鞴艿琅c發(fā)動(dòng)機(jī)吹掃。設(shè)有前、后燃燒室提高推進(jìn)劑摻混程度，且均設(shè)置有壓強(qiáng)傳感器，以監(jiān)測(cè)燃燒室壓強(qiáng)變化。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)控由自主編寫的LabVIEW程序通過(guò)NI USB-6211多功能板卡實(shí)現(xiàn)，包括閥門開(kāi)閉、氧氣流量控制、點(diǎn)火時(shí)序設(shè)置和數(shù)據(jù)采集記錄等。

嵌套式螺旋藥柱采用3D打印技術(shù)結(jié)合澆注方式制備。首先，基于3D打印技術(shù)成型不同葉片數(shù)量和葉片旋轉(zhuǎn)角的ABS螺旋基體。其中，葉片數(shù)量分別設(shè)置為6、12和15個(gè)葉片。葉片旋轉(zhuǎn)角(其定義為內(nèi)孔螺旋線上任意一點(diǎn)的切線與藥柱軸線的夾角)分別設(shè)置為38.4°、49.9°和57.7°，其分別對(duì)應(yīng)葉片沿軸向螺旋掃掠1圈、1.5圈和2圈。其次，將ABS螺旋基體放置于模具中，并倒入配置好的燃料溶液。石蠟基燃料和HTPB燃料分別采用離心澆注和真空油浴保溫成型的方式。固化降溫后，打磨至圖2中所示的結(jié)構(gòu)尺寸，完成藥柱制備。

圖2 固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of ground experimental system of hybrid rocket motor

3 計(jì)算方法

藥柱退移速率和特征速度是至關(guān)重要的燃燒特性參數(shù)。退移速率很大程度上決定了固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，特征速度則能夠度量燃燒時(shí)推進(jìn)劑釋熱的有效程度。藥柱燃面退移速率作為單位時(shí)間內(nèi)藥柱內(nèi)孔型面退移的速率，可表征為

(1)

式中和分別為燃燒前后的藥柱內(nèi)孔直徑；為實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

嵌套式螺旋藥柱采用兩種不同燃面退移速率的燃料，通過(guò)重量換算得到燃燒后的等效內(nèi)孔直徑：

(2)

式中和分別為藥柱燃燒前后的質(zhì)量；和分別為藥柱密度和長(zhǎng)度。

初始狀態(tài)的藥柱內(nèi)孔光滑，可直接測(cè)量獲得。此外，兩種燃料的密度也存在差異，式(2)中密度可表示為兩種燃料密度的平均值：

=+

(3)

式中和分別為兩種燃料的密度；和分別為兩種燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由于藥柱燃燒過(guò)程中兩種燃料實(shí)際消耗的質(zhì)量占比與初始質(zhì)量占比存在略微不同，該方法計(jì)算得到的嵌套式螺旋結(jié)構(gòu)藥柱密度存在微小誤差(誤差≤ 0.32%，可忽略，具體計(jì)算過(guò)程可參考文獻(xiàn)[16])。綜合式(1)～式(3)，即可得嵌套式螺旋藥柱退移速率：

(4)

特征速度的實(shí)際值可通過(guò)燃燒實(shí)驗(yàn)所測(cè)得室壓曲線來(lái)確定：

(5)

式中為噴管喉徑；為燃燒過(guò)程消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量；為燃燒室壓強(qiáng)。

由于燃燒時(shí)間較短，可忽略噴管燒蝕，因此噴管喉徑視為常數(shù)。對(duì)于推進(jìn)劑質(zhì)量，其中氧化劑部分由質(zhì)量流量控制器直接獲得，燃料部分由藥柱差重法獲得。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

基于上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了一系列燃燒試驗(yàn)評(píng)估嵌套式螺旋藥柱在不同葉片數(shù)量、葉片旋轉(zhuǎn)角以及不同燃料組合條件下的藥柱燃面退移速率和特征速度。主要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，初始氧氣通量設(shè)置為 3.0 g/(cm·s)左右，燃燒時(shí)間設(shè)置為10 s。由于各藥柱的退移速率有所不同，因而在相同氧化劑通量條件下，各組燃燒實(shí)驗(yàn)中燃料流量存在差距。相對(duì)應(yīng)地，各組平均氧燃比介于1.4～3.7之間，燃燒室壓強(qiáng)介于1.9～2.2 MPa之間。

表1 燃燒實(shí)驗(yàn)主要結(jié)果Table 1 Results of the firing test

4.1 葉片數(shù)量影響

如圖3中所示，隨著葉片數(shù)量的增加，相鄰葉片間距減小且螺旋凹槽沿軸向的分布數(shù)量增加，有利于增強(qiáng)內(nèi)流場(chǎng)在軸向方向的擾動(dòng)。同時(shí)，更加密集的葉片將有利于引導(dǎo)旋流產(chǎn)生，從而增強(qiáng)近壁面處的傳熱傳質(zhì)，提高藥柱整體的燃燒特性。此外，葉片數(shù)量的增加也帶來(lái)ABS燃料質(zhì)量占比的增加(6葉片藥柱約為8%，12葉片藥柱為16%，15葉片藥柱為20%)。

圖3 葉片數(shù)量改變對(duì)藥柱結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effect of the number of blades on grain structure

圖4給出了藥柱在不同葉片數(shù)量條件下的退移速率及特征速度對(duì)比結(jié)果。與6葉片藥柱相比，12葉片藥柱在退移速率和特征速度方面均表現(xiàn)更加優(yōu)異。該結(jié)果驗(yàn)證了增加葉片數(shù)量對(duì)提高藥柱退移速率和燃燒特征速度具有一定的促進(jìn)作用。但15葉片藥柱的燃燒特性卻表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其主要原因在于盡管近壁面處傳熱傳質(zhì)得到增強(qiáng)，但本工作所采用的商業(yè)ABS燃料自身燃燒性能較差。對(duì)比石蠟基燃料，ABS燃料的退移速率降低約60%，特征速度降低約30%。持續(xù)增加葉片數(shù)量等同于不斷提高ABS燃料的質(zhì)量占比，這造成了藥柱整體退移速率和特征速度的下降。

圖4 不同葉片數(shù)量條件下嵌套式螺旋藥柱退移速率 和特征速度對(duì)比Fig.4 Comparison of regression rate and characteristic velocity for nested helical grains with different number of blades

4.2 葉片旋轉(zhuǎn)角影響

如圖5所示，增大藥柱葉片旋轉(zhuǎn)角對(duì)嵌套式螺旋藥柱帶來(lái)兩方面的影響。首先，旋轉(zhuǎn)角增大有利于引導(dǎo)更強(qiáng)的旋流產(chǎn)生，減小邊界層厚度，壓迫火焰面趨向藥柱壁面，從而提高近壁面處的傳熱傳質(zhì)；另一方面，藥柱軸向方向的螺旋凹槽數(shù)量增加，有利于增強(qiáng)燃料與流動(dòng)中心區(qū)的熱交換和物質(zhì)輸送。此外，盡管沿軸向葉片分布更加密集，但葉片厚度也相應(yīng)降低。因此，葉片旋轉(zhuǎn)角的變化不會(huì)帶來(lái)ABS燃料質(zhì)量占比的變化。

圖5 葉片旋轉(zhuǎn)角改變對(duì)藥柱結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effect of blade rotation angle on the structure of the grain

圖6中對(duì)比了嵌套式螺旋藥柱在不同葉片旋轉(zhuǎn)角條件下的退移速率及特征速度。以葉片旋轉(zhuǎn)角為 38.4°的藥柱作為基準(zhǔn)，藥柱的退移速率隨旋轉(zhuǎn)角增大呈現(xiàn)出先增大、后減小的變化趨勢(shì)。該結(jié)果表明，增大葉片旋轉(zhuǎn)角，對(duì)提高藥柱退移速率具有促進(jìn)作用。但當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)角持續(xù)增加至90°時(shí)，葉片將垂直于氣流軸向流動(dòng)方向，從而無(wú)法引導(dǎo)旋流產(chǎn)生。

圖6 不同葉片旋轉(zhuǎn)角條件下嵌套式螺旋藥柱退移 速率和特征速度對(duì)比Fig.6 Comparison of regression rate and characteristic velocity for nested helical grains with different blade rotation angle

因此，藥柱退移速率的提升存在最優(yōu)的葉片旋轉(zhuǎn)角度。此外，旋轉(zhuǎn)角為49.9°的藥柱特征速度相比于旋轉(zhuǎn)角為38.4°的藥柱特征速度有所降低。但由于旋轉(zhuǎn)角為49.9°的藥柱燃燒實(shí)驗(yàn)中的平均室壓更高，因此根據(jù)式(5)可知，造成特征速度下降的主要原因在于藥柱退移速率的提高使得燃燒過(guò)程中氧燃比降低，從而造成實(shí)際特征速度的降低。隨著葉片旋轉(zhuǎn)角的增大，藥柱特征速度進(jìn)一步降低。其原因可能在于持續(xù)增大旋轉(zhuǎn)角，并未帶來(lái)旋流場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

4.3 基礎(chǔ)退移速率差異性影響

如圖7所示，該藥柱采用兩種不同的燃料相互嵌套，基礎(chǔ)退移速率的差異將導(dǎo)致燃燒過(guò)程中螺旋凹槽深度發(fā)生改變，從而影響旋流引導(dǎo)過(guò)程，改變藥柱整體的燃燒特性。圖8中對(duì)比了不同燃料組成條件下的藥柱退移速率和特征速度。不同于石蠟基/ABS藥柱的燃燒特性(包括退移速率和特征速度)相比于石蠟基藥柱的燃燒特性均得到明顯提升，HTPB/ABS藥柱的退移速率相比于HTPB藥柱的退移速率并未得到有效提高。造成該現(xiàn)象的主要原因在于ABS與HTPB之間的基礎(chǔ)退移速率差異性較小，導(dǎo)致藥柱內(nèi)孔在燃燒過(guò)程中難以形成螺旋特征結(jié)構(gòu)，從而無(wú)法引導(dǎo)旋流產(chǎn)生，以提高藥柱整體的退移速率。此外，藥柱的特征速度變化的主要原因在于燃燒實(shí)驗(yàn)中氧燃比不同。

圖7 退移速率差異性對(duì)藥柱結(jié)構(gòu)的影響Fig.7 Effect of the difference of regression rate on the grain structure

除了HTPB燃料，圖8中還展示了純石蠟/ABS藥柱的退移速率相比于純石蠟藥柱的退移速率同樣有所降低。由于純石蠟燃料與ABS燃料間的基礎(chǔ)退移速率差異性較大，純石蠟/ABS藥柱在燃燒過(guò)程中能夠形成明顯的螺旋特征結(jié)構(gòu)。但不同于HTPB燃料和石蠟基燃料，液滴夾帶現(xiàn)象作為提升純石蠟燃料退移速率的主導(dǎo)因素，螺旋嵌套結(jié)構(gòu)的引入等同于在藥柱軸向增加了大量擋板，從而減弱了液滴夾帶現(xiàn)象，最終導(dǎo)致藥柱整體退移速率降低。然而，純石蠟/ABS藥柱的特征速度相比于純石蠟藥柱有所提高，其主要在于螺旋特征結(jié)構(gòu)所引導(dǎo)的旋流能夠有效增強(qiáng)推進(jìn)劑的摻混，從而提高了燃燒效率。

圖8 不同燃料組成條件下嵌套式螺旋結(jié)構(gòu)藥柱 退移速率和特征速度對(duì)比結(jié)果Fig.8 Comparison of regression rate and characteristic velocity for nested helical grains with different fuel composition

5 結(jié)論

(1)在本工作實(shí)驗(yàn)條件下，適量增加葉片數(shù)量，有利于提高嵌套式螺旋藥柱的退移速率和特征速度。但受ABS螺旋基體退移速率和特征速度較低的影響，過(guò)度增加葉片數(shù)量，將造成藥柱整體的燃燒特性降低。優(yōu)化ABS組分配比，以提高其燃燒熱值，將有利于進(jìn)一步提升嵌套式螺旋藥柱退移速率和特征速度。

(2)在本工作實(shí)驗(yàn)條件下，增大葉片旋轉(zhuǎn)角對(duì)藥柱退移速率提高存在最優(yōu)值。需進(jìn)一步開(kāi)展數(shù)值模擬工作，探究旋轉(zhuǎn)角對(duì)旋流場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

(3)增大藥柱組成燃料之間基礎(chǔ)退移速率的差異性，有利于螺旋特征結(jié)構(gòu)的形成，從而提高嵌套式螺旋藥柱的退移速率和特征速度。但該提升效果同時(shí)也受到組成燃料基礎(chǔ)退移速率大小的影響。對(duì)于純石蠟等退移速率極高的燃料，采用嵌套式螺旋藥柱結(jié)構(gòu)，反而會(huì)造成藥柱整體退移速率的下降，但其特征速度仍有所提高。