固沖發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室流場條件下硼燃燒試驗(yàn)研究

劉道平,夏智勛,黃利亞,胡建新

(1.國防科技大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410073； 2.國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410073)

1 引 言

硼具有很高的質(zhì)量熱值和容積熱值，是推進(jìn)劑的最佳燃料。含硼富燃料推進(jìn)劑在固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(固沖發(fā)動(dòng)機(jī))中具有良好的應(yīng)用前景，許多學(xué)者開展了大量研究。Schadow等[1]認(rèn)為燃?xì)獍l(fā)生器出口溫度不足以使硼顆粒自維持燃燒，只有當(dāng)燃?xì)庵械臍怏w燃料與摻混空氣中的氧反應(yīng)使溫度升高后，硼顆粒才能補(bǔ)燃。Mellor等[2]的研究表明一次燃燒產(chǎn)物中顆粒的尺寸與其在推進(jìn)劑中的初始尺寸相差不大。Pein等[3]的研究表明，補(bǔ)燃室內(nèi)有旋流時(shí)，有利于硼顆粒的著火燃燒、延長駐留時(shí)間和提高燃燒效率。Anderson等[4]從理論上研究了含硼固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中硼顆粒的摻混、著火和燃燒過程。Gany等[5]發(fā)現(xiàn)硼以顆粒團(tuán)的形式從裝藥表面離開而進(jìn)入氣相參與反應(yīng)。Ciezki等[6]獲得了硼顆粒在燃燒室內(nèi)燃燒的一些重要特性。

國內(nèi)針對(duì)含硼富燃料推進(jìn)劑固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的研究始于20世紀(jì)90年代。夏智勛等[7]從理論上研究了氣流條件下和考慮Stefan影響的單顆粒硼著火過程。陳林泉等[8]也基于數(shù)值模擬分析了燃?xì)獍l(fā)生器噴嘴出口布局、形狀、硼顆粒粒徑等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摻混效果和燃燒效率的影響。李疏芬[9]、王英紅[10]、敖文[11]、肖金武[12]、高東磊[13]和范紅杰等[14]通過硼顆粒包覆、團(tuán)聚和添加易燃金屬等方式，在改善硼的著火燃燒性能，促進(jìn)硼顆粒在發(fā)動(dòng)機(jī)中快速高效燃燒等方面做了大量研究。但以上研究大多側(cè)重于硼顆粒點(diǎn)火燃燒機(jī)理研究或者含硼推進(jìn)劑燃燒過程研究，對(duì)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)流場條件下的燃燒試驗(yàn)研究開展較少。

為此，本課題組建立了一套地面模擬硼燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬燃?xì)獍l(fā)生器一次燃燒產(chǎn)物和補(bǔ)燃室總溫、靜溫、總壓、靜壓等，為硼顆粒的燃燒研究提供接近真實(shí)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的條件?；谶@一試驗(yàn)系統(tǒng)，開展硼燃燒試驗(yàn)研究，對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器、補(bǔ)燃室進(jìn)氣口、摻混區(qū)、燃燒區(qū)和噴管等位置的凝相燃燒產(chǎn)物進(jìn)行采集和分析，獲得了凝相燃燒產(chǎn)物成分隨軸向位置的變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑及分析儀器

試劑：硼粉為河北省保定市中普瑞拓科技有限公司生產(chǎn)的無定形硼粉，初始粒徑為2～5 μm(分析時(shí)為樣品1)； 無水乙醇、氧氣均為市售分析純?cè)噭?/p>

分析儀器：日立S-4700掃描電鏡； 島津XRD-6100 X射線衍射儀； 日立TM3000能譜儀。

2.2 試驗(yàn)裝置

建立的地面模擬試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體部分為燃?xì)獍l(fā)生器和補(bǔ)燃室，輔助系統(tǒng)包括空氣、氧氣和乙醇供應(yīng)系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)、凝相燃燒產(chǎn)物取樣裝置、冷卻系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)等。系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。燃?xì)獍l(fā)生器采用乙醇與純氧燃燒獲得高溫燃?xì)?，?duì)加入的硼顆粒進(jìn)行加熱，代替含硼固體推進(jìn)劑。乙醇在氧氣中燃燒會(huì)產(chǎn)生高溫，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硼顆粒的充分預(yù)熱。為了方便觀測(cè)補(bǔ)燃室摻混燃燒過程的和測(cè)量流場參數(shù)，補(bǔ)燃室采用方形截面設(shè)計(jì)，在補(bǔ)燃室左右兩側(cè)安裝方形石英玻璃觀察窗口，上下兩側(cè)設(shè)置通用的空氣入口和流場參數(shù)測(cè)量傳感器接口。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖
Fig.2 Physical map of the experimental system

采用熱力學(xué)計(jì)算對(duì)含硼推進(jìn)劑一次燃燒產(chǎn)物和試驗(yàn)系統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)生器燃?xì)獾闹饕煞诌M(jìn)行對(duì)比分析。選用的含硼固體推進(jìn)劑配方為AP 25%、HTPB 45%、單質(zhì)硼30%，燃?xì)獬煞譃镠219.54 mol·kg-1、CO 5.99 mol·kg-1、單質(zhì)硼25.57 mol·kg-1；試驗(yàn)系統(tǒng)的燃料配方為C2H6O40%、O240%、單質(zhì)硼20%，燃?xì)獬煞譃镠225.81 mol·kg-1、CO 17.35 mol·kg-1、單質(zhì)硼16.21 mol·kg-1?？芍?，兩種燃?xì)庵械闹饕獨(dú)怏w成分均為H2、CO，主要凝相成分均為單質(zhì)硼，但是含量存在一定差別，這是由于配方中硼的含量差異造成的。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分3組進(jìn)行，每組重復(fù)5次，試驗(yàn)工況見表1。第一組試驗(yàn)中，硼顆粒供應(yīng)裝置中加入2 g硼粉，不加流化空氣，乙醇與純氧點(diǎn)火反應(yīng)后，燃?xì)馀c硼顆粒在燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)反應(yīng)，收集凝相反應(yīng)產(chǎn)物作為樣品2。第二組試驗(yàn)中，硼顆粒供應(yīng)裝置中加入8 g硼粉，乙醇與純氧點(diǎn)火反應(yīng)后(2 s)，加入流化空氣，硼顆粒被輸送到燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)加熱，并隨燃?xì)鈬娚淙胙a(bǔ)燃室，補(bǔ)燃室不加空氣，在空氣入口處收集凝相燃燒產(chǎn)物作為樣品3。第三組實(shí)驗(yàn)中，補(bǔ)燃室中加入160 g·s-1的空氣，在取樣點(diǎn)4、5、6(見圖1)收集凝相產(chǎn)物分別作為樣品4、樣品5和樣品6。在第二、第三組試驗(yàn)中，每次試驗(yàn)前后對(duì)硼顆粒供應(yīng)裝置進(jìn)行稱重，用質(zhì)量差與硼顆粒輸送時(shí)間(2 s)的比值作為硼的質(zhì)量流量。

表1 試驗(yàn)工況表
Table 1 Test conditions

testgroupO2/g·s-1C2H6O/g·s-1airforfeedingboron/g·s-1airforsecondarychamber/g·s-1boron/gsamplingpoint1220120002222201205008332361225016084，5，6

3 結(jié)果及討論

3.1 補(bǔ)燃室流場參數(shù)測(cè)試

試驗(yàn)中對(duì)第三組試驗(yàn)中補(bǔ)燃室的總溫(Tt)、靜溫(Ts)和總壓(pt)、靜壓(ps)進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量，按以公式(1)對(duì)流動(dòng)馬赫數(shù)(Ma)進(jìn)行了計(jì)算[15]：

(1)

式中，比熱比γ取值為1.33。結(jié)果如圖3所示。

從圖3可看出，試驗(yàn)過程平穩(wěn)段(6～9 s)的補(bǔ)燃室的總溫、靜溫均在1300～1400 K，總壓、靜壓值均為0.4～0.5 MPa，馬赫數(shù)值為0.35左右；而真實(shí)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室中心軸線的溫度在1400 K左右，壓力值為0.3～0.5 MPa，馬赫數(shù)小于0.5[16]。這說明使用該試驗(yàn)系統(tǒng)可獲得與真實(shí)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室基本一致的補(bǔ)燃室流場條件。

3.2 補(bǔ)燃室燃燒過程觀測(cè)

補(bǔ)燃室摻混燃燒過程高速攝影照片如圖4所示。圖4a中，窗口A位于空氣入口附近，照片左邊為補(bǔ)燃室頭部，顏色比較明亮，說明燃?xì)獍l(fā)生器出口噴出的燃?xì)鉁囟容^高，右半部分有一片暗色區(qū)域，說明燃?xì)馀c空氣摻混以后，溫度降低。圖4b中，窗口B位于補(bǔ)燃室后部，火焰的顏色比較明亮而均勻，說明在補(bǔ)燃室后段，氣相燃料復(fù)燃，溫度上升，硼顆粒點(diǎn)火燃燒。

a.temperature b.pressure c.Mach number

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)補(bǔ)燃室的壓力、溫度和馬赫數(shù)隨時(shí)間變化曲線
Fig.3 Curves of temperature,pressure and Mach number changing with time in the secondary chamber

a.window A b.window B

圖4 補(bǔ)燃室高速攝影照片
Fig.4 High speed photographs of the secondary chamber

3.3 補(bǔ)燃室凝相燃燒產(chǎn)物分析

3.3.1 掃描電鏡(SEM)測(cè)試

樣品的SEM照片如圖5所示。樣品1中，無定形硼為顆粒狀，粒徑為2～5 μm。樣品2中，顆粒之間的界限很模糊，這是因?yàn)樵诘谝唤M的試驗(yàn)中，整個(gè)試驗(yàn)過程硼顆粒被放置在燃?xì)獍l(fā)生器的富燃燃燒產(chǎn)物中，被高溫燃?xì)饧訜幔痤w粒上覆蓋著液態(tài)氧化硼，樣品冷卻后氧化硼凝結(jié)在顆粒表面上。樣品3中顆粒粒徑與樣品差別不大，顆粒之間的界限比較明顯，是因?yàn)樵诘诙M的試驗(yàn)中，顆粒進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器后，隨即被噴射進(jìn)入補(bǔ)燃室，并被取樣裝置收集，顆粒在燃?xì)庵屑訜岷团c氧氣反應(yīng)的時(shí)間很短。樣品4～6的形貌差別不是很大，只是樣品表面的鱗狀物逐漸增多，這是因?yàn)榕鸷脱醯姆磻?yīng)的最終產(chǎn)物是B2O3，B2O3吸收空氣中的水蒸氣形成鱗狀的晶體硼酸(B2O3+H2O→2B(HO)3)，樣品中的B(HO)3的含量可以表征B2O3的含量，因此可以看出樣品4～6的硼氧化物含量逐漸增多。

圖5 6個(gè)樣品的場發(fā)射掃描電鏡照片
Fig.5 SEM photographs of six samples

3.3.2 X射線衍射(XRD)測(cè)試

樣品的X射線衍射圖譜如圖6所示。XRD測(cè)試可以定性得到樣品中結(jié)晶物質(zhì)成分，6個(gè)樣品的X射線衍射譜線基本一致，只是強(qiáng)度存在差異。樣品中的主要晶體物質(zhì)為B(HO)3，與樣品的SEM測(cè)試分析結(jié)果一致。因?yàn)樵囼?yàn)使用的是無定形硼而非晶體硼，所以沒有檢測(cè)到單質(zhì)硼。

圖6 6個(gè)樣品的X射線衍射譜圖
Fig.6 X-ray diffraction patterns of six samples

3.3.3 X射線能譜(EDS)測(cè)試

用X射線能譜儀(EDS)分析得到各樣品中的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖7所示。樣品中的主要元素是硼、氧和鎂，根據(jù)XRD測(cè)試，樣品中應(yīng)含有少量氫元素，但是氫是輕量元素，EDS無法測(cè)試出來。硼元素和氧元素的含量變化很明顯，并且成對(duì)稱性變化，而鎂元素的含量很低，幾乎不變。

圖7 6個(gè)樣品的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)
Fig.7 Element mass fraction of six samples

從樣品1到樣品2再到樣品3，硼元素和氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈近似線性變化，說明一部分硼在燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)與氧氣反應(yīng)，但是樣品3中硼的反應(yīng)量大于樣品2，這是因?yàn)樵诘谝唤M試驗(yàn)中，硼是靜置在燃?xì)獍l(fā)生器中，硼顆粒“堆放”在一起，與燃?xì)庵械难鯕饨佑|不充分，所以反應(yīng)量較少。在第二組試驗(yàn)中，使用流化氣將硼顆粒播撒到了燃?xì)獍l(fā)生器中，硼顆粒呈懸浮狀態(tài)，與燃?xì)庵械难踅佑|比較充分，所以反應(yīng)量比樣品2多。從樣品3到樣品4，硼元素和氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化比較小，說明在取樣點(diǎn)3與4之間的區(qū)域內(nèi)，硼顆粒與氧氣的反應(yīng)量很少，其原因可能是這一區(qū)域位于空氣入口下游附近，是燃?xì)馀c空氣的摻混區(qū)，高溫燃?xì)馀c空氣摻混后，氣相燃料還沒有補(bǔ)燃，流場溫度比較低，不滿足硼著火燃燒條件，硼的反應(yīng)量少。從樣品4到樣品5，硼元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇減少，而氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇增加，說明在取樣點(diǎn)4到5之間的區(qū)域內(nèi)，硼顆粒與氧氣大量反應(yīng)，這可能是因?yàn)樵谶@一區(qū)域內(nèi)，燃?xì)馀c空氣完成了摻混，氣相燃料補(bǔ)燃，溫度升高，大量硼著火燃燒，使得硼的氧化產(chǎn)物大量增加。從樣品5到樣品6，硼元素和氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化又很平緩，這可能是經(jīng)過取樣點(diǎn)4到5之間的劇烈燃燒反應(yīng)后，氧氣濃度下降，氧化硼含量增加，硼的反應(yīng)速率下降。在樣品1～6中，鎂元素的含量基本保持不變，這是因?yàn)殒V被用于還原氧化硼獲得無定形硼(B2O3+3Mg→2B+3MgO)，因此，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，鎂元素以氧化物的形式存在，鎂元素不再反應(yīng)，其含量也基本不變。

4 結(jié) 論

(1) 采用乙醇和純氧燃燒加熱硼顆粒的方式獲得的一次燃燒產(chǎn)物成分為H2、CO和單質(zhì)硼，補(bǔ)燃室的總溫、靜溫為1300～1400 K，總壓、靜壓值為0.4～0.5 MPa，馬赫數(shù)值為0.35左右，與真實(shí)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)相符合，說明本研究的試驗(yàn)系統(tǒng)可以為硼燃燒試驗(yàn)提供接近真實(shí)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的流場條件。

(2) 對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)中燃?xì)獍l(fā)生器、補(bǔ)燃室進(jìn)氣口、摻混區(qū)域、燃燒區(qū)域和噴管位置的凝相燃燒產(chǎn)物進(jìn)進(jìn)行取樣和測(cè)試。SEM測(cè)試表明，硼顆粒在反應(yīng)過程中呈顆粒狀，整體形貌變化不太明顯。XRD測(cè)試表明，樣品的結(jié)晶物質(zhì)為硼酸。

(3) EDS測(cè)試到了樣品的主要元素硼、氧和少量鎂。硼元素和氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化明顯，二者趨勢(shì)相反。在燃?xì)獍l(fā)生器中，硼有一部分被氧化，大部分的硼在補(bǔ)燃室中完成反應(yīng)。在補(bǔ)燃室空氣入口下游摻混區(qū)域，硼的反應(yīng)量最少，在隨后區(qū)域內(nèi)硼大量反應(yīng)，在靠近噴管的區(qū)域內(nèi)硼的反應(yīng)量又較少。

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