模擬發動機火焰傳播過程試驗研究①

趙汝巖，黃志勇，周紅梅

(海軍航空工程學院七系，煙臺 264001)

0 引言

固體火箭發動機火焰傳播階段是指從推進劑產生的第一個火焰開始，到推進劑表面完全點燃的這段時間。對于固體火箭發動機來說，火焰傳播過程對瞬變壓力影響很大，早期的研究工作是作為點火過程的一部分進行的［1－3］，將火焰傳播建立在連續點燃的前提上，并以推進劑表面達到一個臨界溫度為點火判據。聯合技術中心的研究者［4］發展了沿復合推進劑表面火焰擴張的詳細模型。該模型包括了向固體推進劑傳熱的所有模式，同時考慮傳熱速率隨時間和沿軸向兩個方面變化，并導出兩條相似律;Raizberg［5］提出了一個分析方法，并給出了可確定火焰傳播速率隨時間變化的近似解;Jeffrey D Moore等對發動機翼槽內火焰傳播過程進行了實驗研究［6］。國內研究主要是分析燃氣流速、燃燒室壓強、點火器位置、點火燃氣特性等對火焰傳播過程的影響［7－10］。

本文在分析總結國內外研究的基礎上，設計研制了模擬試驗發動機，利用靶線法研究了不同點火藥量的點火燃氣以不同角度噴射到不同藥型推進劑表面情況下的火焰傳播速率。

1 火焰傳播過程試驗

1.1 試驗方案

在火焰傳播過程中，模擬發動機燃燒室結構的不同、燃氣射流的方向不同、不同的燃氣升壓速率，都能導致火焰傳播方式、火焰峰傳播速度的變化。因此，分別設計了平板式裝藥、翼槽型裝藥、燃氣平行噴射、燃氣傾斜噴射情況下點火，同時通過改變點火藥量，以達到不同的升壓速率和不同的熱流密度，以研究推進劑表面的火焰傳播規律。具體方案就是在燃燒室底部凹槽內鋪設丁羥推進劑藥條，推進劑表面等距離地埋設靶線(圖1中①～⑦為7根靶線)。當燃氣噴射到推進劑表面時，推進劑達到點火溫度并點燃，同時火焰沿推進劑表面傳播，當火焰傳播到埋設靶線的部位，將靶線熔斷，此時通過測試系統記錄靶線熔斷的時間，并以此推斷出火焰的傳播速率。

試驗裝置簡圖見圖1(虛線表示不同的燃氣噴射角度)。圖1(c)中，A處部位定義為頭部翼槽前部;B處部位為頭部翼槽底部;C處部位為頭部翼槽尾部;A'處部位定義為尾部翼槽前部;B'處部位為尾部翼槽底部;C'處部位為尾部翼槽尾部。

1.2 熔斷靶線的選擇

丁羥推進劑的點火溫度為600 K左右，金屬材料中鋁的熔點與之相接近，但由于埋設的靶線要求很細，以盡可能貼近推進劑的表面，而鋁的延伸性很差，工藝上很難加工出直徑在1 mm以下的鋁絲。為了滿足設計要求，根據熱量公式:

式中 c為比熱容;V為體積;ρ為密度;T為熔斷溫度;T0為常溫。

根據鋁和銅的熔點，通過式(1)計算得到0.5 mm鋁絲和0.3 mm銅絲熔斷所需熱量的分別為5.94 J和5.2 J。

由于該型推進劑的總焓為5.5×103kJ/kg，密度1 750 kg/m3，則熔斷0.3 mm 銅絲需0.009 g推進劑。假設0.009 g推進劑所釋放的熱量完全被銅絲吸收，且燃面面積為20 mm×0.3 mm，則推進劑需燃燒的厚度為0.009 cm。

查閱該型推進劑的燃速特性可知，在壓強為6.86 MPa、壓強指數 n=0.17標準下，該型復合推進劑的燃速為4.9 mm/s，則在6.86 MPa 下，0.3 mm 銅絲在推進劑火焰作用下的熔斷時間為18.36 ms。

在常溫常壓下，對該型推進劑火焰傳播驗證試驗中測得的各個靶線熔斷時間如表1所示。

通過表1計算，測得該型復合推進劑在常溫常壓下的燃速為2.3 mm/s，則0.3 mm銅絲在推進劑火焰作用下的熔斷時間為39.13 ms。

由于采用更細的銅絲，容易在燃氣沖擊下斷裂。因此，采用0.3 mm銅絲測量火焰峰傳播的位置。在密封狀態下，通過進行不同藥量的點火藥產生的點火燃氣噴射入燃燒室(燃燒室中沒有推進劑藥條)的測試試驗發現，當點火藥量不超過50 g時，靶線不會在燃氣沖擊下斷裂，也不會被高溫燃氣熔斷。

圖1 試驗裝置簡圖Fig.1 Schematic drawing of simulation test motor

表1 靶線熔斷時間Table 1 Melting time of wire

2 試驗結果及分析

2.1 火焰傳播位置分析

2.1.1 燃氣噴射入平板型裝藥模擬發動機

圖2是在密封燃燒室中，10、15、20 g點火藥產生的燃氣平行、傾斜噴射入平板型裝藥模擬發動機時的火焰峰傳播位置。

圖2 平板型裝藥模擬發動機火焰峰傳播位置Fig.2 Flame front Location in flat simulation test motor

通過圖2可看出，當10 g點火藥產生的燃氣平行噴射入燃燒室時，第2根靶線首先熔斷，然后火焰沿著火點向四周擴展、連續擴大。

當15 g點火藥產生燃氣平行噴射入燃燒室時，通過靶線熔斷的時間分析，第3根靶線首先熔斷，其次熔斷的靶線分別為5、4、2根靶線，說明著火點相比上次試驗中的著火點位置向燃燒室下游移動。由于第5根靶線的率先熔斷，說明在著火點下游出現二次點火。根據文獻［11］分析，出現二次點火的原因在于燃氣(包括點火藥生成的燃氣和推進劑燃燒產生的燃氣)對流傳熱速率增大，導致新著火點的出現。但在常溫常壓下，對該型推進劑火焰傳播驗證試驗中，當燃氣傾斜噴射到推進劑藥條表面時，也有可能是推進劑燃燒產生的灼熱鋁粉顆粒飛濺到燃燒區下游，通過熱傳導，導致新著火點的出現;或者點火藥中粒徑較大的顆粒在點火瞬態過程中飛散入燃燒室，在下游區域燃燒導致新著火點的出現。在常溫常壓下，火焰傳播試驗中有灼熱鋁粉顆粒飛濺到火焰峰前方的情況發生，如圖3所示。

當20 g點火藥產生的高溫燃氣平行噴射入燃燒室時，第5根靶線首先熔斷，說明隨點火藥量的增加，著火點繼續向下游移動。這是因為首先點燃部位與點火系統火焰形狀有關，火焰形狀影響推進劑藥條表面的熱流率分布，火焰的最大截面處熱流密度無疑最大，而隨點火藥量的增加，火焰的最大截面處相應向下游移動。因此，首先點燃部位(著火點)隨之向下游移動。

2.1.2 燃氣噴射入翼槽型裝藥模擬發動機

圖4為在密封燃燒室中，10、15、20 g點火藥產生的燃氣平行、傾斜噴射入翼槽型裝藥模擬發動機時的火焰峰傳播位置。

圖3 灼熱鋁粉顆粒飛濺Fig.3 Hot grain splash

圖4 翼槽型裝藥模擬發動機火焰峰傳播位置Fig.4 Flame front Location in fin-slot simulation test motor

通過圖4(a)不同藥量生成的燃氣平行噴射入翼槽型裝藥模擬發動機的火焰峰傳播位置分析，隨點火藥量增加，著火點位置向后移動，在各次試驗中并未出現二次著火點現象。對比圖2(a)可知，在相同藥量情況下，著火點的位置基本重合。

通過圖4火焰峰傳播位置可看出，著火點位于頭部翼槽前部，當燃氣噴射入翼槽底座燃燒室中，由于燃氣首先噴射到頭部翼槽的前部，燃氣流碰壁后在主流兩側形成漩渦，一側逆時針流動進入頭部翼槽底部，另一側以順時針從頭部翼槽前部流出，并沿燃燒室向下游傳播。由于燃氣射流直接噴射到頭部翼槽前部，局部換熱系數最大處位于該區域，著火點首先出現于此處。火焰峰最后傳播到尾部翼槽底部。

2.2 火焰傳播速度分析

2.2.1 燃氣噴射入平板型裝藥模擬發動機

表2和表3分別是根據密封燃燒室中10、15、20 g點火藥產生的燃氣平行、傾斜噴射入平板型裝藥模擬發動機時，相鄰靶線之間的火焰峰平均傳播速度。表2和表3中，“—”表示此處產生著火點，并未計算該區間的火焰峰平均傳播速度。

表2 燃氣平噴下火焰峰平均傳播速度Table 2 Velocity of flame front in gas parallel injection

表3 燃氣斜噴下火焰峰平均傳播速度Table 3 Velocity of flame front in gas oblique injection

通過表2和表3數據可看出，當相同藥量點火藥生成的燃氣噴射入燃燒室后，火焰沿著火點向上游、下游傳播，且向下游傳播的速度大于火焰向上游的傳播速度。

相同靶線之間的火焰傳播速度，其大小隨點火藥量的增加而增加。這是由于點火藥量的增加，既增加了燃氣在燃燒室通道內的流動速度，又增加了單位時間內的熱流密度。因此，加快了火焰傳播速度。

當燃氣傾斜噴射入燃燒室時，相同靶線之間的火焰傳播速度略大于燃氣平行噴射的情況。其原因在于當燃氣傾斜噴射時，燃氣噴射到藥條表面后，燃氣主流沿藥條表面傳播，其表面局部傳熱率大于燃氣平行噴射時對推進劑表面的傳熱率。因此，火焰傳播速度較快。

2.2.2 燃氣噴射入翼槽型裝藥模擬發動機

表4和表5分別是密封燃燒室中10、15、20 g點火藥產生的燃氣平行、傾斜噴射入翼槽型裝藥模擬發動機時，相鄰靶線之間的火焰峰平均傳播速度。表4和表5中，“—”表示此處產生著火點，并未計算該區間的火焰峰平均傳播速度。

表4 燃氣平噴下火焰峰平均傳播速度Table 4 Velocity of flame front in gas parallel injection

通過表4和表5數據可看出，點火藥生成的燃氣噴射入翼槽型裝藥模擬發動機后，火焰傳播速度變化規律與平板型裝藥模擬發動機類似，但相比燃燒室中部和尾部區域，尾部翼槽內的火焰峰傳播速度減弱。這是由于尾部翼槽內氣體發生壅塞，導致尾部翼槽內升壓速率增大，高溫燃氣充填翼槽的驅動力減弱，燃氣填充速度減弱，從而導致火焰峰傳播速度的降低。

表5 燃氣斜噴下火焰峰平均傳播速度Table 5 Velocity of flame front in gas oblique injection

對比表2～表5可看出，相同射流角度、相同藥量情況下，翼槽型裝藥模擬發動機燃燒室下游區域的火焰峰傳播速度略大于平板型裝藥模擬發動機的火焰峰傳播速度。這是由于頭部翼槽的存在，導致燃面面積增大，生成更多的燃氣沿推進劑表面流動，增加了燃氣對推進劑表面的換熱率。

3 結論

(1)燃氣平行噴射情況下，著火點隨點火藥量的增加而向后移動;火焰沿著火點向上游、下游傳播，且向下游傳播的速度大于火焰向上游的傳播速度。

(2)相同藥量、相同藥型情況下，燃氣傾斜噴射導致的火焰峰傳播速度大于燃氣平行噴射下的火焰峰傳播速度。

(3)距離頭部相同位置(不含翼槽區域)，在相同藥量、射流角度下，翼槽型裝藥發動機的火焰峰傳播速度大于平板型裝藥發動機的火焰峰傳播速度。

(4)相比燃燒室中部和尾部區域的火焰峰傳播速度，尾部翼槽內的火焰峰傳播速度減弱。

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