鄧 哲，胡春波，盧子元，胡松啟，張 研，徐義華

(1.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2.南昌航空大學(xué) 飛行工程學(xué)院，南昌 330063)

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Metal/N2O粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)研究①

鄧 哲1，胡春波1，盧子元1，胡松啟1，張 研1，徐義華2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2.南昌航空大學(xué) 飛行工程學(xué)院，南昌 330063)

采用氣壓驅(qū)動(dòng)供粉方式，開(kāi)展了Metal/N2O火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析活塞位移及燃燒室壓強(qiáng)振蕩，研究了兩相流動(dòng)特性。根據(jù)液滴燃燒模型，分析了燃燒室壓強(qiáng)、顆粒滯留時(shí)間、氧燃比等因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率的影響。通過(guò)以上研究，驗(yàn)證了此種發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)良性能。結(jié)果表明，輸送管路中固相濃度脈動(dòng)幅度在顆粒粒徑40 μm、兩相流空隙率97%、氮?dú)饬鲃?dòng)速度27 m/s情況下小于±0.36%；Mg/N2O實(shí)驗(yàn)平均特征速度效率在燃燒室壓強(qiáng)0.5 MPa情況下高達(dá)96.4%，Al/N2O實(shí)驗(yàn)在燃燒室0.91 MPa情況下燃燒效率達(dá)到88.5%；提高燃燒室壓強(qiáng)、顆粒滯留時(shí)間，可提高燃燒效率，但氧燃比對(duì)燃燒效率影響較為復(fù)雜。

金屬粉末；氣固兩相流；燃燒振蕩；燃燒效率

0 引言

粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用金屬粉末作為燃料，通過(guò)控制金屬粉末與氧化劑流量，可實(shí)現(xiàn)推力調(diào)節(jié)及多次啟動(dòng)功能[1-2]。純金屬顆粒能量密度高，燃燒模式類(lèi)似液滴蒸發(fā)燃燒，燃燒完全度高，不存在固體燃料老化、燃速難以預(yù)示及余藥量大等問(wèn)題，金屬粉末燃料的這些優(yōu)點(diǎn)，使其在Metal/Air、Metal/ H2O等沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域也有所發(fā)展[3-4]。金屬粉末供應(yīng)裝置的性能是實(shí)現(xiàn)能量靈活管理的前提條件，在供粉裝置研究方面，Timothy[5]成功進(jìn)行了Metal/water沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)，其粉末供應(yīng)裝置直徑達(dá)到了17.75 cm，穩(wěn)定供應(yīng)直徑5 μm鋁粉和22 μm鎂粉達(dá)到635 s，Shafirovich[2]提出的粉末火箭供粉裝置借鑒了其流化原理。Bell航空公司[6]開(kāi)展了Al/AP粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了粉末火箭推力調(diào)節(jié)及多次啟動(dòng)的可行性，其實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的粉末推進(jìn)劑質(zhì)量流率達(dá)到了1.24 kg/s。然而，燃燒實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的壓強(qiáng)振蕩現(xiàn)象，可能的原因：一方面，是供粉裝置提供的兩相流是脈動(dòng)的；另一方面，粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑為無(wú)預(yù)熱冷態(tài)供給，固體AP粉末必須進(jìn)入燃燒室后，在高溫受熱情況下，才能分解為氧化性氣體，一定分解延遲時(shí)間導(dǎo)致了氧化性氣氛與鋁粉摻混效果惡劣。

本文為了排除燃燒振蕩的原因，選取氣體氧化劑與金屬粉末進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證供粉系統(tǒng)兩相流動(dòng)的穩(wěn)定性，同時(shí)為粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)拓展新的備選推進(jìn)劑方案。

本文供粉裝置借鑒國(guó)外研究成果，推進(jìn)劑選取方面由于鋁粉的體積上占有優(yōu)勢(shì)，鎂粉的點(diǎn)火與燃燒性能好，選取兩者為金屬粉末燃料。CO2[1]雖然是深空探測(cè)用粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的理想液體氧化劑，然而其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在本地資源利用理念上，其點(diǎn)火能力和能量特性還是較低，N2O是固液混合火箭的常用氧化劑，其能量性能、安全性都較高，操作簡(jiǎn)易且具有自增壓特性，是理想的液體氧化劑，Mg/N2O和Al/N2O推進(jìn)劑組合的理論特征速度分別為1 431 m/s和1 524 m/s，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供應(yīng)特性及燃燒效率及其相關(guān)影響因素進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 供粉裝置

(1)

(2)

圖1 供粉系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of powder feed system

1.2 燃燒室

由于使用N2O流化金屬顆粒構(gòu)成的預(yù)混流動(dòng)可能造成火焰回傳，故使用氮?dú)鈱?duì)金屬粉末進(jìn)行流化。燃燒室結(jié)構(gòu)如圖2所示，金屬粉末與氮?dú)饨M成的兩相流動(dòng)從頭部錐形孔噴入燃燒室后，與徑向噴注N2O進(jìn)行摻混燃燒，環(huán)形集氣腔進(jìn)氣嘴與氣孔陣列錯(cuò)開(kāi)一定距離，可減少進(jìn)氣嘴對(duì)氣孔流量均勻性的影響。燃燒室內(nèi)徑70 mm，長(zhǎng)度150 mm，單個(gè)進(jìn)氣孔直徑均為3.6 mm，進(jìn)氣孔總面積564 mm2，燃燒室壓強(qiáng)1 MPa情況下，氣孔內(nèi)N2O流速為15 m/s，避免金屬熔融物堵塞氣孔。

圖2 燃燒室示意圖Fig.2 Schematic of combustor

假設(shè)兩相流動(dòng)中氣固兩相相對(duì)速度為0，氣體在燃燒室中的滯留時(shí)間通過(guò)式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及工作過(guò)程

Metal/N2O混合動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，主要由供粉系統(tǒng)、燃燒室、供氣系統(tǒng)、固體點(diǎn)火器、測(cè)試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等模塊構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先打開(kāi)N2O控制閥門(mén)，然后打開(kāi)N2閥門(mén)驅(qū)動(dòng)供粉裝置，將金屬粉末供入燃燒室中，等到金屬粉末剛剛達(dá)到燃燒室時(shí)，控制固體點(diǎn)火器工作，將發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)燃，工作結(jié)束時(shí)，為防止金屬粉末融化堵塞燃料輸送管路，使用大量氮?dú)庠谳斔凸苈飞线M(jìn)行吹除。各路氣體流量通過(guò)節(jié)流孔板控制，并使用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量N2O流量，冷態(tài)調(diào)試發(fā)現(xiàn)供粉系統(tǒng)開(kāi)始工作至金屬粉末剛剛到達(dá)燃燒室時(shí)間差為0.4 s，點(diǎn)火器電源接通至點(diǎn)火燃?xì)鈬娙肴紵視r(shí)間差0.1 s?？紤]時(shí)間差設(shè)置點(diǎn)火器工作時(shí)刻，測(cè)試系統(tǒng)采集活塞位移、N2O質(zhì)量流量、燃燒室工作壓強(qiáng)，通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，拍攝發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程及羽流火焰情況。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of experimental system

1.4 燃燒效率

(4)

ms=ρfAp·ΔSp

(5)

式中ρf、Sp分別為粉金屬顆粒的堆積密度(ρf=(1-ε)ρs)及活塞位置。

1.5 實(shí)驗(yàn)工況

對(duì)Mg和Al進(jìn)行0.5 MPa燃燒室壓強(qiáng)下性能對(duì)比，并對(duì)Al進(jìn)行0.5 MPa和1 MPa下性能對(duì)比，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table1 Experimental conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 活塞位移

點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)氣與流化氣流量都不改變，裝填不同金屬粉末時(shí)，活塞位移及速度供應(yīng)特性如圖4所示?？梢?jiàn)，Mg粉和Al粉供應(yīng)情況下，活塞位移的線性度較高，活塞位移線性擬合標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.058 9、0.044 7?？赡苁且?yàn)镸g粉硬度和球形度都比Al粉低，導(dǎo)致兩相摻混過(guò)程中的擾動(dòng)更大。將位移曲線進(jìn)行微分，得到活塞速度曲線。可見(jiàn)，活塞速度在啟動(dòng)和停止階段變化較大，穩(wěn)定工作階段速度較為平穩(wěn)?；钊俣戎荒苷f(shuō)明被推入流化腔中金屬粉末的質(zhì)量流率。然而，流化腔中氣流擾動(dòng)是否能穩(wěn)定均勻地將金屬粉末流化輸出，還需要深入研究。

圖4 活塞移動(dòng)特性Fig.4 Motion characteristics of piston

2.2 壓強(qiáng)振蕩

圖5為3種工況典型燃燒室壓強(qiáng)曲線，初始?jí)簭?qiáng)峰大概為平穩(wěn)段壓強(qiáng)的2倍。分析原因是金屬粉末供應(yīng)初期過(guò)量堆積及固體點(diǎn)火器流量較大共同造成。之后，活塞速度和燃燒室壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定。采用此段數(shù)據(jù)對(duì)燃燒效率進(jìn)行計(jì)算，由于氮?dú)獯党?，故產(chǎn)生結(jié)束段壓強(qiáng)峰。

圖5 燃燒室壓強(qiáng)曲線Fig.5 Curve of chamber pressure

2.3 燃燒性能

對(duì)3種工況進(jìn)行多次參數(shù)小差別點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，如表3所示。3種工況燃燒效率平均值分別為0.964、0.814、0.885。可見(jiàn)，鎂在0.5 MPa下幾乎完全燃燒，而鋁的燃燒效率還有提高的空間，工況3通過(guò)縮小噴管喉徑的方法，增大燃燒室壓強(qiáng)及特征長(zhǎng)度后，鋁的燃燒效率明顯提高。

其中，D、D0分別為顆粒最終粒徑、初始粒徑，從顆粒燃燒角度分析，提高壓強(qiáng)和滯留時(shí)間，可增加顆粒的燃燒完全程度。然而，Xeff是由推進(jìn)劑性質(zhì)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)共同決定的，氧燃比的改變會(huì)影響相對(duì)流動(dòng)及摻混效果。

表2 粉末供應(yīng)與燃燒振蕩關(guān)系Table2 Combustion oscillation vs powder feeding

表3 點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table3 Hot fire test parameters

(a)燃燒效率與壓強(qiáng)關(guān)系 (b)燃燒效率與滯留時(shí)間關(guān)系 (c)燃燒效率與氧燃比關(guān)系

3 結(jié)論

(1)Metal/N2O粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能高，鎂粉燃燒效率在0.5 MPa情況下達(dá)到96.4%，鋁粉燃燒效率在1 MPa情況下達(dá)到88.5%。

(2)流化氣理論速度達(dá)到0.28 m/s時(shí)，粉末儲(chǔ)箱內(nèi)形成透過(guò)流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)粉體堆積形態(tài)幾乎無(wú)擾動(dòng)?？障堵?7%、流化氣體理論速度27 m/s時(shí)，兩相流動(dòng)達(dá)到濃度脈動(dòng)小于±0.36%的高度均勻狀態(tài)，活塞移動(dòng)速度可較準(zhǔn)確地體現(xiàn)固體顆粒的質(zhì)量流量。流化氣速度14 m/s時(shí)，兩相流動(dòng)中顆粒團(tuán)聚效應(yīng)增加，濃度脈動(dòng)幅度增大。

(3)從顆粒燃燒完全程度分析，增大燃燒壓強(qiáng)與顆粒滯留時(shí)間，都可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率。然而，由于各次工況的摻混效果難以確定，故氧燃比與燃燒效率之間的關(guān)系不夠明確。

[1] Evgeny Shafirovich and Arvind Varma. Metal-CO2propulsion for mars missions: current status and opportunities[R].AIAA 2007-5126.

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(編輯：崔賢彬)

Experimental research on metal/N2O powder rocket engine

DENG Zhe1，HU Chun-bo1，LU Zi-yuan1，HU Song-qi1，ZHANG Yan1，XU Yi-hua2

(1.National Key Laboratory of Combustion,Flow and Thermo-Structure,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China;2.School of Aircraft Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)

Hot fire tests of metal/N2O rocket engine were carried out,using pneumatic driving powder feeding device.The two-phase flow characteristics were investigated through analyzing piston displacement and combustion pressure oscillation.According to droplet combustion model,the influence of factors such as combustion chamber pressure,particle residence time and O/F ratio were analyzed.The study verifies good performance of the engine.The results show that the concentration pulsating amplitude of solid phase in pipeline is less than ±0.36% when two-phase flow void ratio is 97% and flow velocity is 27 m/s.The average characteristic velosity efficiency of Mg/N2O tests are about 96.4% at 0.5 MPa combustion chamber pressure,and reaches 88.5% of Al/N2O tests at 0.91 MPa. Increasing combustion chamber pressure and particle residence time can improve combustion efficiency,but the effect of O/F ratio on combustion efficiency is relatively complex.

metal powder;gas-solid two phase flow;combustion oscillation;combustion efficiency

2014-07-13；

：2014-09-26。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51266013) ；國(guó)防基礎(chǔ)科研基金(B0320132006)；西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(JC20110205)。

鄧哲(1987—)，男，博士生，研究領(lǐng)域?yàn)楹娇沼詈酵七M(jìn)。E-mail：mail_express@163.com

V435

A

1006-2793(2015)02-0220-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.02.013