環形燃燒室中自燃推進劑的非穩態旋轉爆震現象

嚴 宇,王致程,胡洪波,洪 流,楊寶娥

(西安航天動力研究所 液體火箭發動機技術重點實驗室,陜西 西安 710100)

0 引言

自然界中存在兩種燃燒方式,分別為緩燃燃燒和爆震燃燒,主要區別在于火焰的傳播模式不同。爆震燃燒是一種激波和反應區耦合傳播的燃燒方式,本質上是一種超音速燃燒波。傳統的航空航天發動機燃燒室均基于等壓循環的緩燃燃燒方式,爆震燃燒與之相比具有熱釋放速率快和自增壓的特點?；诒鹑紵男D爆震發動機(rotating detonation engine,RDE)具有軸向尺寸短、結構簡單和熱循環效率高的優勢,有成為下一代新型空天動力的潛力[1-2]。21世紀以來,越來越多的研究機構開展了RDE的相關研究工作,包括美國空軍實驗室和NASA、日本名古屋大學、俄羅斯和歐洲的多個研究機構等。國內的多家單位也圍繞RDE的基礎和應用開展了研究工作,并取得了許多卓有成效的研究進展[3-8]。

RDE通常采用環形燃燒結構,燃料和氧化劑從燃燒室頭部供給,旋轉爆震波沿燃燒室周向傳播消耗供給的推進劑,爆震燃燒產生的已燃產物沿軸向排出燃燒室?，F有的研究中主要圍繞氣態燃料和氧化劑開展了大量的研究工作,包括氫氣/空氣、乙烯/空氣和甲烷/空氣等。Bykovskii等針對不同的噴注結構、燃燒室結構和推進劑種類等開展了研究,分析了旋轉爆震波能夠傳播對應的最小推進劑填充高度、燃燒室寬度和直徑等關鍵參數[9-11]。美國空軍實驗室采用氫氣/空氣為推進劑,通過實驗分析得出旋轉爆震發動機的燃料比沖為6 000 s[12]。Rankin等采用OH基化學發光的測量方法對燃燒室內的流場進行了拍攝,得到了單波模態和雙波對撞模態下旋轉爆震波的波系結構[13]。Yao等通過數值計算驗證了空桶型燃燒室中旋轉爆震波能夠穩定傳播,并對旋轉爆震波的形成和演化過程進行了細致分析,發現隨燃燒室寬度的增加,靠近外環一側的爆震波峰值壓力更高[14]。文獻[15—16]采用乙烯和甲烷為燃料,在帶凹腔的環形燃燒室中實現了旋轉爆震波的穩定傳播,并系統分析了凹腔不同幾何參數的影響。鄭權等圍繞氫氣/空氣旋轉爆震波開展了研究[17]。Xia等嘗試了RDE的不同點火起爆方式,并對旋轉爆震波的起爆過程、穩定工作條件、推力性能進行了研究[18]。

實際飛行器中受結構尺寸的限制,通常需采用能量密度高、更易儲存的液態推進劑,因此研究基于液態推進劑旋轉爆震波的傳播特性具有重要意義。旋轉爆震波的傳播速度通?？蛇_數千米每秒,對應單次循環時間低于毫秒量級,液態推進劑在極短時間內完成霧化、蒸發、摻混和高效燃燒挑戰很大?，F有的研究主要圍繞液態燃料和氣態氧化劑開展?？紤]到煤油的揮發難度,以及和空氣的可爆性較差,文獻[19]采用了煤油預裂解的方式,實現了煤油/空氣的旋轉爆震燃燒,提供了一種新的液態燃料起爆方法。Meng等開展了旋轉爆震沖壓發動機的研究工作,采用煤油/空氣為推進劑在馬赫數4和來流總溫860 K條件下成功實現了旋轉爆震波的穩定傳播[20]。

現有的研究中針對液/液推進劑RDE的研究相對較少。肼/四氧化二氮的推進劑組合是液體火箭發動機中廣泛應用的推進劑組合,部分研究者探索了爆震發動機中采用自燃推進劑的可行性。文獻[21-24]采用肼/四氧化二氮自燃推進劑組合,實現了幾百赫茲的脈沖爆震燃燒。文獻[25-26]采用肼/四氧化二氮實現了旋轉爆震燃燒,并進行了初步的討論。

肼/四氧化二氮具有自燃、常溫液體推進劑等優點,探索基于該類推進劑旋轉爆震波的穩定燃燒特性,對于火箭基RDE實現工程應用非常有益。但由于該類推進劑為有毒推進劑,實驗難度較大,目前公開的研究較少,可參考的實驗數據非常有限,亟需開展相關的研究工作。因此,本文采用四氧化二氮(N2O4)和一甲基肼(CH6N2)為燃料和氧化劑,通過改變燃燒室的出口面積,探究自燃推進劑旋轉爆震波的起爆和傳播過程,并分析了不同燃燒室結構的影響,為探索基于爆震燃燒的液體火箭發動機提供參考。

1 實驗裝置和方法

實驗系統如圖1所示,由供給系統、控制系統、測量系統和旋轉爆震燃燒室組成。供給系統采用一甲基肼和四氧化二氮的推進劑組合,通過擠壓供給的方式將推進劑供給到燃燒室中,擠壓氣體采用氮氣。在燃料和氧化劑進入燃燒室之前,分別通過電磁閥控制推進劑的供給時序。旋轉爆震燃燒室頭部采用撞擊式噴注結構,共有24對噴注孔沿燃燒室周向均勻分布,氧化劑噴注孔直徑0.4 mm,燃料噴注孔直徑0.3 mm,撞擊點的直徑位置約為40 mm。燃燒室身部采用環形結構,燃燒室的外環和內環直徑分別為60 mm和30 mm,燃燒室長度為140 mm。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental setup

一甲基肼和四氧化二氮的特點是當兩種推進劑噴注到燃燒室接觸后,不需要點火便會觸發劇烈的燃燒和釋熱。已有研究中通常將預爆管作為RDE燃燒室的點火起爆裝置,本研究中由于自燃推進劑的特點,省去了常用的點火起爆裝置。實驗中的工作時序為:在t=0 s時刻打開控制燃料和氧化劑的電磁閥,推進劑進入燃燒室后燃燒;經過1 s后,關閉氧化劑和燃料的電磁閥,推進劑停止供給,燃燒室中剩余的推進劑被快速消耗,單次實驗結束。

實驗中使用的傳感器主要包括4個穩態壓力傳感器和4個高頻脈動壓力傳感器,其中,在氧化劑和燃料儲箱分別安裝了1個穩態壓力傳感器,實時監測實驗中儲箱的供給壓力。在燃燒室入口的氧化劑和燃料管路上分別安裝了1個穩態壓力傳感器,用來監測實驗中推進劑的供給壓力,穩態壓力傳感器的采樣頻率為1 kHz,傳感器測量精度為1%。4個高頻脈動壓力傳感器全部安裝在燃燒室身部,安裝位置如圖1所示,其中8～10號高頻脈動壓力傳感器安裝在同一周向位置,7號與8號高頻脈動壓力傳感器分布在同一軸向位置,沿周向相隔90°。高頻脈動壓力傳感器的量程為0～30 MPa,測量精度為0.5%,高頻脈動壓力的采樣頻率為100 kHz。

實驗中采用了兩種內柱結構,區別在于中心柱的尾部是否帶喉部結構,帶喉部的環形燃燒室內環出口直徑為48.6 mm。此外,燃燒室身部安裝了脈沖槍(固體火藥膏,裝藥量為63 mg),安裝位置距離燃燒室噴注面約30 mm(與傳感器7#和8#位于同一截面),在初始工作階段產生瞬間沖擊的高能點火源,可研究外界的擾動對旋轉爆震波起爆和傳播過程的影響。

2 實驗結果和分析

本文選取了5個比較有代表性的工況,如表1所示,需要說明的是,化學恰當比的四氧化二氮和一甲基肼對應的混合比為1.64。氧化劑的流量和燃料的流量分別單獨可調節,實驗中采用了不同的中心柱體(直徑相同,一種有喉部,一種無喉部)。通過是否施加外部激勵,研究外界干擾對旋轉爆震燃燒過程的影響。

表1 實驗參數匯總Tab.1 Parameters of selected cases in experiment

2.1 旋轉爆震燃燒中的非穩態過程

工況1中,脈沖槍在初始時刻即開始工作,壓力傳感器測量得到的動態壓力信號如圖2所示。

圖2 工況1的壓力波形Fig.2 Globe pressure traces in case 1

脈沖槍產生了1個峰值壓力超過2 MPa的脈沖壓力,經歷了大約3 ms,環形燃燒室內產生了壓力峰值較低的旋轉爆震波,如圖2(a)所示,持續了約20 ms后,旋轉爆震波熄滅了。大約5 ms后旋轉爆震波又自發形成了(未施加外界擾動),而且爆震波的峰值壓力較初始時刻更高。判斷形成旋轉爆震波的依據是壓力波形出現了較為明顯的脈動信號,且通過壓力波形計算燃燒波的傳播速度明顯高于0.5倍的爆震波C—J速度(約1 100 m/s)。如圖2(a)所示,在初始的200 ms內,發生了爆震波起爆、爆震波熄滅、爆震波自發再起爆并穩定傳播等過程,宏觀上表現出較為明顯的非穩態特性。若將時間尺度進一步拉長,如圖2(b)所示,壓力曲線上存在兩個燃燒波峰值較低的區域(間隔1和間隔2),說明旋轉爆震波熄滅了,而且持續的時間約為50 ms。通過上述實驗結果可以看出,旋轉爆震波在熄滅一段時間后,仍然能夠再次自發轉變為旋轉爆震波,單次實驗中多次發生該現象。這說明自燃推進劑雖然具有液液燃燒和自發燃燒這兩個不利于爆震燃燒的因素,但其熄滅后自發再形成爆震波的能力較強,這又是利于爆震波自持傳播的,上述特性與非自燃推進劑存在明顯區別。

圖2(a)中壓力曲線的放大圖如圖3所示,圖3(a)和圖3(b)分別顯示了較弱爆震和較強爆震的壓力波形。兩者的差別不僅僅體現在壓力峰值數值的差異(一個為0.5 MPa,另一個為0.2 MPa左右),而且波形的差異也很明顯。圖3(a)中壓力波形出現了明顯的“雙峰”現象,說明此時處于雙波對撞模態。圖3(b)中波形明顯更為陡峭,顯示出明顯的單向旋轉現象,爆震波沿逆時針方向傳播。FFT顯示圖2(a)中弱爆震階段和強爆震階段的頻率均為12 kHz左右,說明存在的是雙波模態,根據測點處波峰到達的時間間隔計算得到的傳播速度為1 178 m/s。

圖3 起始階段的爆震波壓力波形Fig.3 Enlarged pressure traces at early stage

從圖3(b)還能看出:在前4個循環中,P7處的壓力峰值明顯大于P8處的壓力峰值,說明旋轉爆震波在從P8處逆時針向P7處傳播的過程中爆震波強度是增強的,然后從P7處逆時針向P8處傳播過程中的爆震波強度是減弱的;中間4個循環中,P7和P8處的爆震峰值壓力幾乎相同,說明此階段的爆震波傳播過程中沒有發生明顯的強度變化;后4個循環中,P7處的壓力峰值又明顯大于P8處的壓力峰值。以上現象說明,雖然在宏觀尺度上旋轉爆震波的傳播過程表現出非常明顯的規律性,但是在較小的時間尺度下,旋轉爆震波的傳播過程呈現出非常大的不穩定性,不僅各個傳播周期內爆震波強弱存在差異,而且即使在同一個旋轉傳播周期內,爆震波的強度也具有高度的瞬態特性,隨時間變化迅速且劇烈。

圖4(a)顯示了旋轉爆震波第一次熄滅50 ms后,緩燃向爆震自發轉變的過程。該過程中壓力峰值經歷了一個逐漸增大的過程,壓力峰值達到一個相對高峰后(形成了強爆震)又逐漸減弱(爆震波衰減為緩燃波)。然而,壓力峰值較高的旋轉爆震燃燒狀態僅維持了約5 ms。圖4(b)顯示了旋轉爆震波第二次熄滅后,緩燃向爆震自發轉變的過程,此處自發重新形成的旋轉爆震波持續的時間較長(約50 ms),最終旋轉爆震波解耦變為緩燃波未發生第三次自發起爆的過程。

圖4 燃燒室中爆震波的壓力轉變Fig.4 Spontaneous evolution of chamber pressure

從圖4(a)和圖4(b)可以看出:旋轉爆震波的兩次解耦再起爆過程仍然存在一定的差異,圖4(a)中旋轉爆震波強度更大,但衰減更快;圖4(b)中的旋轉爆震波壓力峰值較低,但持續傳播時間更長。圖5中的壓力放大曲線也反映出了兩個階段中旋轉爆震波的相對強弱。

圖5 工況1中不同強度的爆震波壓力波形Fig.5 Enlarged pressure traces of strong and weak detonations in case 1

2.2 外界激勵對旋轉爆震燃燒過程的影響

在工況1中未能形成穩定自持傳播的旋轉爆震波,原因可能是推進劑的混合比較高(化學恰當比對應的混合比為1.64),為貧燃燃燒狀態,導致混合物準備過程未能達到旋轉爆震燃燒需要的條件。因此在工況2中將混合比調整至1.67,但仍然出現了旋轉爆震波自發形成又熄滅的過程,如圖6(a)所示。再將脈沖激勵的加入時間延后,以避開初始階段燃燒室內的混亂期,期望通過人為激勵的方式產生連續穩定的旋轉爆震波。圖6(a)中的第一個壓力峰是燃燒室上供應閥門開啟特性導致的,經歷約7 ms的振蕩燃燒過程,形成了旋轉爆震燃燒,但僅維持了2 ms后爆震波消失了。

圖6 工況2的壓力波形Fig.6 Globe pressure traces in case 2

從圖6(b)中可以看出:在t=0.158 s時刻脈沖槍產生的激勵到達燃燒室,產生近1 MPa的單次脈沖壓力峰。在該外界激勵的作用下,自持的旋轉爆震波并沒有立即形成,而是經過了約30 ms才形成了峰峰值約為0.5 MPa的規律壓力峰。

圖7為工況2中放大后的壓力波形。從圖7(a)和圖7(b)中的壓力局部放大圖可以看出第一階段自發形成的旋轉爆震波強度更大。但是結合工況1中的情形來看,強度較高的旋轉爆震波所能持續的時間往往很短。因為工況1和工況2的燃燒室都帶有喉部,燃燒室的基礎室壓已經被提升(約0.3 MPa),此時較強的旋轉爆震波會在燃燒室內部產生較高的反壓,對撞擊式噴注器的工作過程干擾非常大,導致噴注過程和旋轉爆震燃燒過程未能建立良性的耦合關系。而強度稍弱的爆震波對上游噴注過程的干擾幅度小,因而能夠穩定供給爆震燃燒所需要的混合物,旋轉爆震燃燒得以持續。

圖7 工況2中放大后的壓力波形Fig.7 Enlarged pressure traces in case 2

僅依據工況2無法判斷旋轉爆震波是否在外界激勵的作用下形成,因此開展了工況3中的實驗。工況3中的實驗工況與工況2完全一樣,區別在于工況3中沒有施加脈沖槍激勵。

圖8為工況3的壓力波形和FFT結果。從圖8中可以看出,在沒有外加擾動激勵的情況下,工況3中仍然自發形成了較為穩定的旋轉爆震波,盡管中間也經歷了2次爆震波熄滅及自發再起爆的過程。最終形成的爆震波峰值壓力約為0.5 MPa,而且FFT結果也顯示旋轉波的頻率為12.102 kHz,表明此處形成的也是雙波模態。

圖8 工況3的壓力波形和FFT結果Fig.8 Globe pressure traces and FFT results in case 3

在工況4中能夠自發形成自持穩定旋轉爆震波的工況,在其穩定工作期間啟動脈沖槍輸入擾動,對壓力波形的影響如圖9(a)所示,說明在爆震波自持傳播過程外界激勵對爆震燃燒的影響是負面的,會干擾到旋轉爆震波的正常傳播,導致爆震波熄滅。自持工況中旋轉爆震波的自我恢復能力很強,經過約10 ms后又形成了規律性的壓力振蕩。局部壓力曲線放大圖如圖9(b)所示,壓力峰值較小,只有約0.2 MPa,FFT顯示傳播頻率為6.432 kHz。

圖9 工況4的壓力波形和放大結果Fig.9 Globe and enlarged pressure traces in case 4

在工況5中,流量參數與工況1相同,區別在于燃燒室結構不同。工況1的燃燒室有喉部, 工況5的燃燒室沒有喉部,工況5中最終未能形成穩定自持的旋轉爆震波。爆震熄滅后施加人為激勵,依然未能激發出旋轉爆震波,如圖10(a)所示。

圖10 工況5的壓力波形和放大結果Fig.10 Globe and enlarged pressure traces in case 5

圖10(b)中的壓力曲線局部放大圖也表明此時的壓力振蕩為低值無序振蕩,是一種寬頻燃燒噪聲。通過比較工況5和工況1的實驗結果,工況1中為短時間穩定傳播的旋轉爆震波,而工況5中為緩燃燃燒狀態,說明燃燒室喉部有利于自燃推進劑旋轉爆震燃燒的起爆和傳播。

從以上分析可以看出,在不能夠產生旋轉爆震的工況下,即使通過脈沖槍施加壓力沖擊也不能激發出旋轉爆震燃燒;在能夠產生旋轉爆震燃燒的工況下,脈沖槍施加的壓力沖擊對正常的爆震波傳播過程起到了干擾和破壞的作用。因此,外界激勵不是自燃推進劑旋轉爆震燃燒產生及維持的主要原因,主要影響因素為燃燒室幾何構型、推進劑流量、混合比等參數。

3 結論

通過在環形燃燒室內開展自燃推進劑的旋轉爆震燃燒實驗,主要結論如下。

1)自燃推進劑的旋轉爆震燃燒過程具有高度非穩態特性,從宏觀上看各個傳播周期之間存在明顯差異,而且同一個傳播周期內旋轉爆震波的強度在沿周向傳播過程中也是動態變化的。

2)對于自燃推進劑的旋轉爆震燃燒的產生及維持過程來說,外界激勵不起決定性作用,燃燒室幾何構型和推進劑混合比對旋轉爆震燃燒的影響更大。