供氣方式對脈沖爆轟火箭發動機工作頻率影響的試驗研究

彭振，翁春生，白橋棟，李寧，馬丹花，蔣弢，王研艷，胡洪波

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室，江蘇 南京210094)

0 引言

脈沖爆轟發動機(PDE)是一種利用脈沖式爆轟波產生的高溫、高壓燃氣來獲得推力的新概念發動機，其主要特點在于爆轟燃燒過程非常迅速，能產生很大的能量密度。若PDE 自帶氧化劑，以火箭發動機的模式工作，則稱為脈沖爆轟火箭發動機(PDRE).

PDRE 與現有的液體火箭發動機相比，具有結構簡單、質量輕、熱循環效率高、推重比大等優點［1］，近些年越來越受到國內外眾多研究機構和人員的關注。文獻［2-4］的研究結果表明，在爆轟管內合理安置各種不同型式的障礙物(如孔板、擾流器、Shchelkin 螺旋等)來促進高速火焰和激波的相互作用，可以縮短燃燒轉爆轟的距離;文獻［5］研究了PDE 進氣壓力對爆轟過程的影響，發現當進口空氣壓力下降，點火起爆過程將變得困難，甚至不能形成爆轟波;文獻［6-7］研究了不同的點火系統、點火能量、點火位置對爆轟形成過程的影響。文獻［8-9］的研究結果表明，通過提高管內初始時刻的壓力和燃油的噴射溫度，可以縮短燃燒轉爆轟的時間和距離。

本文在上述研究的基礎上，針對PDRE 的工作特點，設計加工了幾種不同型式的進氣道結構，研究其對汽油/空氣PDRE 爆轟過程和頻率的影響。

1 試驗系統

PDRE 的試驗裝置如圖1所示，主要部件包括爆轟管、供氣系統、供油系統、點火控制系統、強化燃燒裝置、激波反射裝置、壓力傳感器和測試系統等。

圖1 PDRE 結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of PDRE

爆轟管內徑80 mm，點火位置到出口長為1 200 mm.爆轟管的頭部設置有進氣孔。采用實心噴嘴—文氏管組合的燃油霧化裝置，即經噴嘴噴射出的一次霧化燃油液滴在文氏管喉部高速氣流作用下二次霧化，利于油氣混合物在爆轟管內充分混合、均勻分布。試驗中采用火花塞點火，單次點火能量約0.5 J，最高點火頻率為70 Hz.對于多循環兩相PDRE，爆轟管內氣流速度極快且每個工作周期都需要點火，因此必須在點火位置附近安裝改善點火裝置，提高點火成功率。壓力傳感器采用PCB-M113A26 型高精度壓力傳感器。試驗中測量壓力時采用了冷卻水套來保護壓力傳感器。冷卻水套一頭與管壁連接，另一頭與壓力傳感器相連。壓力傳感器離爆轟管壁面有一段距離(約8 cm).壓力傳感器1 和2 位于爆轟管光滑段，分別距離出口端面180 mm 和60 mm 處。

2 PDRE 進氣道的設計

進氣道的設計主要基于以下兩點考慮:1)進氣方式。PDRE 的進氣方式可以分為切向、徑向和軸向進氣。不同的進氣方式對液體燃油的霧化、燃油/空氣的混合以及空間分布有不同的影響［10-11］。2)氣流速度。提高爆轟管內的氣流速度的方法主要有兩種:一種是增加進氣孔的數量或面積;另一種是減小爆轟管內的流動阻力系數。本試驗設計加工了單排切向進氣、雙排切向/軸向混合進氣、切向/徑向/軸向組合進氣的進氣道裝置，分別對其進行研究。

單排3 孔切向進氣:此結構為在靠近推力壁的爆轟管壁面環形均布3 個進氣孔;進氣孔分別與管壁相切。

雙排切向/徑向進氣:此結構為在單排3 孔切向進氣的基礎上，在下游增設環形均布的3 個徑向進氣孔。兩排孔中心之間軸向距離40 mm.

3 排進氣切向/徑向/軸向進氣:此結構為在雙排切向/徑向進氣孔的基礎上，在推力壁上增設環形布置的3 個軸向進氣孔。試驗中孔徑都為20 mm.

3 試驗結果及討論

3.1 單排3 孔切向進氣

點火頻率為10 Hz 和15 Hz，進行兩種工作頻率條件下的試驗研究。由圖2可見在0.5 s 時間內記錄有5 條均勻分布的壓力突躍曲線，壓力上升非常陡峭(見圖3)，壓力峰值為1.25 MPa，爆轟波傳播速度為960 m/s，表明在此試驗條件下爆轟波已經產生，但是由于不同周期的壓力峰值變化較大，說明發動機尚未能實現多循環的穩定工作。這是由于切向進氣雖然有助于燃油和空氣的充分摻混，但油氣分布不均勻，管內壁面附近油氣濃度高，而中心軸線附近油氣不足，爆轟效果不好。圖4為工作頻率15 Hz時的壓力—時間曲線圖，圖4的壓力值和波速都有大幅下降，平均壓力值約為0.5 MPa，波速為420 m/s，表明15 Hz 的試驗還未形成爆轟波。這是因為頻率提高后，進氣時間縮短，3 孔切向進氣的進氣量不夠，管內可爆混合物填充長度小于燃燒轉爆轟所需距離，燃燒未能轉為爆轟。

圖2 3 孔進氣和頻率為10 Hz 時的壓力—時間曲線Fig.2 Curve of pressure-time (three inlets，f=10 Hz)

圖3 某一爆轟波壓力曲線放大圖(f=10 Hz)Fig.3 Magnified diagram of pressure wave(f=10 Hz)

3.2 雙排6 孔切向/徑向混合進氣

圖4 3 孔進氣和頻率為15 Hz 時的壓力—時間曲線Fig.4 Curve of pressure-time (three inlets，f=15 Hz)

圖5 6 孔進氣和頻率為15 Hz 時的壓力—時間曲線Fig.5 Curve of pressure-time (six inlets，f=15 Hz)

為了改善管內混合物的分布，提高PDRE 的頻率，在單排3 孔切向進氣的基礎上，在下游增設環形均布的3 個徑向進氣孔。點火頻率為15 Hz 和20 Hz，進行兩種工作頻率條件下的試驗研究。如圖5所示，在0.4 s 內測得6 條均勻分布的壓力突躍曲線，壓力上升非常陡峭，壓力峰值為1.26 MPa，爆轟波傳播速度為1 200 m/s，表明在此試驗條件下PDRE 實現了15 Hz 的穩定爆轟工作。同一頻率下切向/徑向混合進氣方式(見圖5)的試驗結果好于切向進氣方式(見圖4)，這一方面是因為切向/徑向混合進氣方式改善了管內可爆混合物分布，既保證了空氣與燃油的充分摻混，形成可爆混氣，又使得混合物的分布在整個管子截面上更加均勻，從而利于燃燒向爆轟的轉變;另一方面是由于增加了進氣孔數量，提高了管內的氣流速度，滿足了提高PDRE 工作頻率的基本條件。圖6為頻率15 Hz 時同一個周期內兩個壓力傳感器測得壓力曲線放大圖。圖7為頻率20 Hz 時測得壓力時間變化曲線，由圖7可見，在傳感器1 處已經形成穩定的爆轟波，但是傳感器1 處測得的平均壓力值(約0.9 MPa)明顯大于傳感器2 處測得的平均壓力值(約0.6 MPa)，這是因為PDRE 的供油和供氣是同步的，在上一循環結束后，燃油和空氣同時進入爆轟管，中間沒能形成隔離段氣體。當頻率提高后，填充時間縮短，如果氣流速度不夠，爆轟管處于未完全填充狀態，傳感器兩處填充的新鮮可爆混合物將會受到上一周期燃燒廢氣的影響，減弱爆轟波的強度。因此，為了得到更高頻率、穩定的爆轟波，需要進一步提高進氣量。

圖6 同一周期不同位置測得壓力波形放大圖(f=15 Hz)Fig.6 Magnified diagram of one cycle of pressure waves at different locations(f=15 Hz)

3.3 3 排9 孔切向/徑向/軸向組合進氣

圖7 6 孔進氣和頻率為20 Hz 時的壓力—時間曲線Fig.7 Curve of pressure-time (six inlets，f=20 Hz)

圖8 9 孔進氣和頻率為20 Hz 時的壓力—時間曲線Fig.8 Curve of pressure-time (nine inlets，f=20 Hz)

在前面6 孔進氣的基礎上，增加3 個軸向進氣孔，進一步提高進氣量。圖8為頻率20 Hz 時測得壓力—時間曲線圖。雖然9 孔進氣提高了管內的氣流速度，可爆混合物的空間分布也更均勻，但是結果反而不如6 孔進氣(見圖7)，測得壓力值偏低(約0.4 MPa)，波速為480 m/s，沒有形成爆轟波。這是由于雖然9 孔進氣總體來說提高了管內的進氣量，可爆混合物的空間分布也會更均勻，但是軸向進氣孔會使得燃燒轉爆轟時有部分高壓燃氣回流，帶來熱量損失，不利于爆轟的形成;其次，軸向進氣孔的存在降低了推力壁的面積和密閉性，影響了火焰加速過程，不利于爆轟的形成;最后，軸向進氣會與徑向進氣的氣流垂直對撞，造成了很大的能量損失，影響了管內的氣流速度。

4 結論

1)針對以汽油/空氣為推進劑的PDRE 工作特點，設計了切向進氣、切向/軸向混合進氣和切向/徑向/軸向組合進氣的3 種進氣道裝置，研究其對爆轟過程和頻率的影響。結果顯示:增加進氣孔數量與合理的設置進氣方式，可以提高PDRE 工作頻率和增強爆轟波的強度。

2)切向/徑向混合進氣方式既提高了管內氣流速度，又有利于可爆混合物空間分布均勻，試驗結果好于其余兩種進氣方式。

3)切向/徑向/軸向組合進氣方式雖然由于軸向進氣孔部分高壓燃氣回流，對燃燒轉爆轟過程造成不利影響，但是其在提高氣流速度和可爆混合物空間分布均勻方面具有突出的優勢。在今后的研究中將對其進行改善，力求克服缺點，發揚優點。

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