多分支管脈沖爆震火箭發(fā)動機的實驗研究＊

秦紅強，范 瑋，李建玲，嚴 宇

（西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，西安 710072）

0 引言

脈沖爆震火箭發(fā)動機［1－3］（pulse detonation rocket engine，PDRE）是一種利用周期性爆震波發(fā)出的沖量產(chǎn)生推力的非穩(wěn)態(tài)新型推進系統(tǒng)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、熱循環(huán)效率高和工作范圍寬等諸多潛在優(yōu)勢，因此世界上很多國家都開展了相關(guān)研究。由于小尺寸單管PDRE產(chǎn)生推力的有效面積小，而在大的爆震管中起爆又比較困難，因此發(fā)展多管PDRE成為研究實用型發(fā)動機的趨勢。但目前所研究的多管PDRE大多是每個爆震管都有各自的供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且重量大。美國的Paul［4－5］等人研究了爆震波在T型分叉管和Y型分叉管中的傳播，發(fā)現(xiàn)在一定的結(jié)構(gòu)下爆震波可以成功傳播到兩個分叉管中并繼續(xù)傳播。他們還利用跨接管實現(xiàn)了一個點火源起爆兩個并接爆震管中的爆震。文中采用航空煤油為燃料，氧氣為氧化劑，進行了一系列的煤油／氧氣兩相脈沖爆震實驗［6］，考察了爆震波在單爆震管中以及從單爆震管進入多分支管（2管、3管和4管）的傳播情況，并以單爆震管為基本構(gòu)型，對比研究了分支管中的爆震波傳播情況和發(fā)動機整體推力性能的變化，探索具有更高推進性能發(fā)動機的設(shè)計方案。

1 實驗裝置

兩相脈沖爆震實驗系統(tǒng)是由供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和發(fā)動機臺架等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 兩相脈沖爆震實驗裝置示意圖

選用單管PDRE作為基準(zhǔn)，其長度為1.47m，內(nèi)徑30mm。預(yù)混室左端為封閉端，液態(tài)煤油由離心噴嘴從封閉端噴射入爆震管，氧氣和隔離氣沿封閉端軸向進入，其中氧氣、煤油和隔離氣的供給由電磁閥和控制系統(tǒng)控制。距離封閉端65mm處安裝了一個火花塞，點火能量約為50mJ。氧氣和煤油在爆震管內(nèi)混合后，由火花塞點燃。起爆段總長350mm，內(nèi)裝有350mm長的Shchelkin螺旋作為湍流增強裝置，以促進爆燃向爆震的轉(zhuǎn)變，縮短DDT距離。在距離封閉端570mm、630mm、1320mm和1380mm處布置了4個壓力測點（P1、P2、P3和P4），用于判斷爆震在該處是否形成。使用的壓力傳感器為壓電式傳感器，使用DEWE -3020數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，采樣率為200k。

多管PDRE總長仍為1.47m，分別為兩管、三管和四管PDRE。如圖2～圖4所示，多管發(fā)動機的前面和單管是一致的，單管向多管分支的轉(zhuǎn)接段長270mm，采用90°轉(zhuǎn)角設(shè)計。每個分支爆震管上均布有兩個壓力測點，距離封閉端分別為1320mm和1380mm，空間位置分布如圖5所示（每個分支管上數(shù)字編號小的測點在前端，大的在后端）。

圖2 90°轉(zhuǎn)角的雙分支管PDRE示意圖

2 實驗結(jié)果與分析

圖3 90°轉(zhuǎn)角的三分支段

圖4 90°轉(zhuǎn)角的四分支段

圖5 壓力傳感器空間分布示意圖

實驗的環(huán)境壓力為1atm，環(huán)境溫度為25℃，發(fā)動機的工作頻率為5Hz。由CEA程序計算得到的理想煤油／氧氣爆震壓力為4.100MPa，爆震溫度為3909.2K，爆震波速為2355.2m／s。在兩相噴霧爆震中，考慮到液體燃料的混合、液滴的分布和液滴尺寸等對爆震波的影響，兩相噴霧爆震的特性參數(shù)達到CEA計算值的70%即可認為產(chǎn)生了充分發(fā)展的爆震波。

2.1 單管PDRE基準(zhǔn)實驗

單管PDRE是本實驗的基準(zhǔn)，圖6為發(fā)動機上4個測點處的壓力波形?？梢钥闯觯?個測點處的壓力波形相當(dāng)整齊，而且壓力峰值均在3.8MPa以上。這表明在爆震管中形成了充分發(fā)展的爆震波，而且爆震波能夠穩(wěn)定自持傳播到爆震管出口。根據(jù)任意兩個測點同一次爆震中出現(xiàn)壓力峰值的時間差和兩測點之間的距離，可以計算出爆震波的傳播速度。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，計算出P1和P2之間的爆震波平均速度為1699.6m／s。圖7為測量的發(fā)動機推力曲線，可以看出，5次爆震過程中發(fā)動機所產(chǎn)生的最大瞬時推力均在800N左右。

2.2 雙分支管PDRE實驗

圖6 單管PDRE連續(xù)工作1s的壓力曲線

圖7 單管PDRE連續(xù)工作1s的推力曲線

圖8為雙分支管PDRE連續(xù)工作1s中5次循環(huán)時其中4個測點處的壓力波形。由圖可知，P1和P2兩個測點每次爆震的壓力峰值均在4.0MPa左右，5次爆震平均的壓力峰值分別為3.88MPa和4.00MPa，說明在分支前主爆震管內(nèi)已經(jīng)形成了充分發(fā)展的爆震波。分支后P4和P6位置5次爆震平均的壓力峰值分別為3.43MPa和3.49MPa。P3 -P4之間和P5 -P6之間的爆震波平均速度分別為1928.5m／s和1942.8m／s?？梢钥闯?，爆震波從單管分支傳播進入雙管后，爆震波強度稍有衰減，但仍能夠在兩個分支管中自持傳播。雙管PDRE的推力測量曲線如圖9所示，5次爆震所產(chǎn)生的最大瞬時推力均在1600N左右，為單管PDRE的兩倍，其1s內(nèi)的平均推力較之單管基準(zhǔn)構(gòu)型增益達73.28%。這是因為相對單管構(gòu)型，雙分支結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有效推力的面積增大，而且爆震波在分支之后強度變化不大，因此產(chǎn)生的推力近乎加倍。

2.3 三分支管PDRE實驗

圖8 雙分支管PDRE連續(xù)工作1s的壓力曲線

圖9 雙分支管PDRE連續(xù)工作1s的推力曲線

圖10為三分支管PDRE其中5個測點處1s內(nèi)的壓力波形，其中P1和P2兩個壓力測點每次爆震的壓力峰值均高于4.0MPa，P1 -P2之間的爆震波平均速度為1542.9m／s。說明分支前已經(jīng)形成了爆震波。分支后P4、P6和P8三個對應(yīng)位置5次爆震平均的壓力峰值分別為 2.43MPa、2.41MPa和1.54MPa。P3-P4間、P5-P6間以及P7 -P8間的爆震波平均速度分別為1141.4m／s、1116.4m／s和1157.9m／s。爆震波從單管分支傳播進入3個管后，爆震波強度明顯衰減，CJ爆震退化為不穩(wěn)定的弱爆震在3個分支管中傳播。在分支的3個爆震管中，左右兩側(cè)的分支管中爆震波壓力基本相同，而上側(cè)分支管中爆震波壓力更低一些，這說明上側(cè)管中的爆震衰減較為嚴重，這是由于油氣混合物受重力作用，更容易進入左右兩側(cè)分支，所以兩側(cè)的填充比上面的充分，從而造成爆震波壓力大小的差異。三管PDRE的推力測量曲線如圖11所示，5次爆震所產(chǎn)生的最大瞬時推力進一步增大，均在1700N左右，計算出的平均推力較之基準(zhǔn)構(gòu)型推力增益為18.38%，較之雙管分支則有所下降。這是由于三管分支后爆震波強度降低較大，壓力和速度均大幅度降低，因此推力增益不大。

2.4 四分支管PDRE實驗

圖10 三分支管PDRE連續(xù)工作1s的壓力曲線

圖11 三分支管PDRE連續(xù)工作1s的推力曲線

圖12是四分支管PDRE其中6個壓力測點位置5個工作周期內(nèi)的壓力波形。P1和P2兩個壓力測點每次爆震的壓力峰值均高于4.0MPa，可看出分支前已經(jīng)形成了充分發(fā)展的爆震波。分支后P4、P6、P8和P10四個對應(yīng)位置5次爆震平均的壓力峰值分別為1.55MPa、1.74MPa、1.09MPa和1.36MPa。爆震波從單管傳播進入4管后，爆震波強度明顯衰減，能夠自持傳播的CJ爆震退化為不穩(wěn)定的弱爆震在4個分支管中傳播。四管PDRE推力測量曲線如圖13所示，5次爆震中發(fā)動機所產(chǎn)生的最大瞬時推力均在1800N以上，計算出的1s內(nèi)平均推力較之單管基準(zhǔn)構(gòu)型降低了4.89%。這是因為爆震管分支成4支后，填充已經(jīng)沒有之前充分，所以主爆震管內(nèi)的爆震波傳播到4個分支管后爆震波強度大幅度降低，能量損失較大，因此推力性能降低。

3 結(jié)論

針對單管PDRE和3種多分支管PDRE進行了實驗研究，分析得到如下結(jié)論：

1）利用煤油和氧氣，在一定的供給條件下，利用低能量的點火裝置就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的兩相爆震，發(fā)動機穩(wěn)定工作。

2）爆震波從單管分支傳播到多管后，爆震波強度降低，而且分支數(shù)越多，爆震波衰減越厲害。

3）增加分支爆震管的數(shù)目會影響PDRE的推力性能，其中雙分支管PDRE和三分支管PDRE的推力有所提高，最高增益達73.28%，而四分支管PDRE的推力則有所降低。

圖12 四分支管PDRE連續(xù)工作1s的壓力曲線

圖13 四分支管PDRE連續(xù)工作1s的推力曲線

［1］Bussing T，Pappas G.An introduction to pulse detonation engines，AIAA 94－0263［R］.1994.

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