等離子體增強含硼燃氣二次燃燒實驗分析

張鵬，洪延姬，＊，丁小雨，紀海龍

1．裝備學院 激光推進及其應用國家重點實驗室，北京 101416 2．西北工業大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072

等離子體增強含硼燃氣二次燃燒實驗分析

張鵬1，洪延姬1，＊，丁小雨1，紀海龍2

1．裝備學院 激光推進及其應用國家重點實驗室，北京 101416 2．西北工業大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072

為研究等離子體助燃條件下含硼燃氣在補燃室的二次燃燒特性，建立了排除來流空氣摻混效應的擴散燃燒實驗模型。利用高速攝影儀拍攝了含硼燃氣在補燃室的火焰照片，得到了有無等離子體條件下的燃燒火焰形貌；測量了補燃室不同截面的靜壓和總壓，分析了有無等離子體條件下含硼推進劑在固沖發動機中的燃燒效率。實驗結果表明：在含硼燃氣二次燃燒過程中加入等離子體炬，等離子體炬后方區域火焰更加明亮，硼燃燒更加充分；斷開等離子體炬后，補燃室靜壓和總壓出現壓力突降臺階，說明加入等離子體后可以加快化學反應速率，提高含硼燃氣在固沖發動機中的燃燒效率，從而提高了補燃室的壓強；且放電功率越高，含硼燃氣在固沖發動機中燃燒效率的增長率越高。

等離子體炬；固沖發動機；硼；補燃室；擴散火焰

硼具有較高的質量熱值（58．28kJ／g）和體積熱值（136．38kJ／cm3），分別是金屬鎂、鋁的2．3、1．9倍和3．1、1．7倍，是一種理想的固體燃料添加劑，有望應用于提高固沖發動機（固體火箭沖壓發動機）的性能和比沖上，成為近年來的研究熱點［1－2］。但由于硼顆粒熔沸點高、表面覆蓋的氧化硼（B2O3）容易造成顆粒結團以及在補燃室的滯留時間短等原因，導致硼熱值的實際釋放非常困難，從而影響到固沖發動機的整體工作性能［3－4］。

含硼推進劑燃燒效率低是制約固沖發動機發展的主要因素之一，通常提高燃燒效率的方法是改變發動機構型。2003年Helmut等研究了補燃室的臺階對含硼燃氣二次燃燒特性的影響［5］。國內主要是西北工業大學［6］和國防科學技術大學［7］的團隊研究進氣道結構和位置。這些方法通過延長硼顆粒的滯留時間和提高摻混效率增強含硼燃氣的燃燒特性，但必然會加大空氣阻力，增加系統總能損失［8－9］，因此需要探索新的增強含硼燃氣燃燒特性的方法。近年來研究者發現等離子體具有強化點火和助燃的特性［10］。Inomata等于1983年發現等離子體可以增加火焰傳播速度和燃燒效率［11］。2004年Starikovskaya等指出等離子體為點火過程提供必須的活性粒子從而加速化學反應進程，并建立了基于烷烴放電的反應機理［12］。Sun等實驗證明等離子體在低壓條件下也可以激發多級燃燒［13－14］。2013年 Andrey和 Nickolay總 結 了 近十余年等離子體對氣體、液體點火助燃方面的理論與實驗進展，指出等離子體同時具有熱效應和化學效應，在提高燃燒效率和擴寬燃燒極限等方面應用前景廣闊［15］。2013年 Matsubara等將等離子體炬與介質阻擋放電等離子體同時應用于超聲速氣流中，實驗表明高聲速氣流需要等離子體熱效應穩定火焰，在熄火極限附近則需要化學效應增強穩定性［16］。2014年Aleksandrov等發展了等離子體增強包含 H2、CH4－C5H12燃燒的動力學模型［17］。

目前等離子體點火助燃的研究主要集中在氣相、液相和固體凝聚相燃料上［17－20］，尚未發現等離子體增強含硼燃氣（具有流動性）在補燃室的二次燃燒的實驗研究成果。本文主要在有／無等離子體激勵的條件下，開展研究含硼燃氣在補燃室的二次燃燒特性實驗，通過含硼燃氣火焰照片和補燃室壓強數據等分析等離子體對含硼燃氣燃燒效率的增強作用，力求解決硼顆粒點火燃燒困難、火焰穩定性差以及燃燒效率低等問題，達到提高發動機工作性能的目的。

1 實 驗

1．1 實驗系統

固沖發動機主要由燃氣發生器、進氣道、補燃室和沖壓噴管等組成，含硼推進劑在燃氣發生器中產生一次燃氣（貧氧）與進氣道的來流空氣（補氧）在補燃室進行摻混并二次燃燒，最后經噴管排出。為減小摻混效應重點研究等離子體點火助燃特性，建立了含硼燃氣的擴散燃燒物理模型，其中來流空氣在煤油加熱后經平行進氣裝置得到整流，使來流空氣與燃氣平行，得到弱化摻混的作用。補燃室采用橫截面100mm×100mm、長635mm的長方體結構以便觀測火焰圖像，其中觀察窗內層采用12mm厚的石英玻璃用作耐高溫層，外層采用5mm厚的有機玻璃用作保護層，從而提高玻璃窗整體的耐溫性和耐沖擊性，燃氣發生器喉徑為3．5mm，沖壓噴管喉徑為30mm。圖1所示為實驗裝置總體示意圖。

圖1 擴散燃燒實驗模型Fig．1 Experimental model of diffusion combustion

一次燃氣經長尾管噴出后沿補燃室中心軸線向外擴散，來流空氣向內擴散，當硼顆粒（一次燃氣中存在大量未燃的硼顆粒）到達燃氣與來流空氣的交界處時，滿足了其高溫富氧的點火條件，從而發生二次點火燃燒。等離子體炬與補燃室前段底部成角度60°，將等離子體（工質氣體為空氣）以旋轉方式噴射到補燃室，高能電子經過一系列的物理化學反應產生大量活性粒子，增強含硼固沖發動機的燃燒過程。實驗系統如圖2所示，等離子體系統包括等離子體發生器、等離子體電源、工質氣體供給裝置和冷卻水系統等。

圖2 實驗系統圖（加等離子體炬）Fig．2 Experimental system diagram （adding plasma torches）

1．2 測量系統

實驗數據采集系統包括德維創DEWE－2010、基于LABVIEW平臺開發的采集和控制來流空氣參數的采集系統以及若干種傳感器。采樣頻率為1 000次／秒，主要采集燃氣發生器靜壓、補燃室4個不同截面的總壓和靜壓以及來流空氣的靜壓和溫度等參數。并利用高速攝影儀和光譜儀測量補燃室的含硼燃氣擴散燃燒過程，高速攝像儀采用Vision Research公司生產的型號Phantom v711，尼康50mm f／1．8DAF Nikkor鏡頭，分辨率為1 280×352，速度為800fps（1fps＝1幀／秒），曝光時間為15μs，光圈F11。圖3為德維創公司生產的DEWE－2010便攜式高速數據采集設備及其操作界面。

圖3 數據采集系統DEWE－2010Fig．3 Data acquisition system DEWE－2010

1．3 數據處理方法

1．3．1 燃燒效率

燃燒效率是固沖發動機的重要參數，反映了含硼富燃料推進劑的燃燒性能，通過計算加入等離子體前后得到的燃燒效率判斷等離子體點火助燃的有效性。

根據特征速度定義的燃燒效率為

定義特征速度為

GPS技術已經被廣泛應用于社會發展中的各個領域中，建筑行業、勘探行業、交通運輸業及房產行業等涉及了GPS技術的應用。GPS技術中融入了信息技術、通信技術、定位技術等多種技術方法，可以通過不同技術的綜合運用，提高測繪成果的精準度，保證測繪工作的效率及質量。在GPS技術的應用過程中，其信息處理環節是關鍵技術環節，通常通過建立數據庫的方式，完成對信息的收集、處理及分析，最后利用計算機軟件，建立測繪區域的地理信息模型，最后繪制完整的圖形，展示在決策者的面前，為之后的工作提供有效的數據參考[1]。

1．3．2 實驗參數

1）根據燃氣發生器的壓強曲線獲得工作時間t0。

2）以工作時間t0為標準，由藥柱質量m0和工作后的藥柱殘渣mr和包覆mc之差求得燃氣的流量＝ （m0－mr－mc）／t0，和分別表示來流空氣的流量和等離子體炬的工質氣體的流量。

3）燃氣發生器在時間t0內的工作壓強曲線積分平均求得燃氣發生器的平均壓強p0。

4）燃燒室在時間t0內的工作壓強曲線積分平均求得燃燒室的平均壓強為總壓。

5）根據實驗測得來流空氣的總溫T＊、總壓p＊、限流喉道直徑為20．5mm、面積 Ag＝330mm2、計算流量mg＝Kp＊Ag／，積分平均求得來流空氣的流量 mg。

2 實驗結果與分析

實驗過程：①來流空氣達到預定的溫度、壓強和流量；②打開等離子體系統，等離子體工作；③燃氣發生器點火，產生一次燃氣經長尾管進入補燃室開始二次燃燒；④二次燃燒5s后，等離子體系統停止放電，等離子體停止工作；⑤5s后，補燃室停止燃燒，發動機停止工作。需要指出的是等離子體發生器的工質氣體的存在時間是固沖發動機的整個工作期間，排除了此部分氣流單獨對補燃室壓強的影響。

2．1 模擬來流空氣結果

為了模擬固沖發動機工作的環境，需要對來流空氣進行精確的溫度、壓力和流量控制，較準確地模擬導彈飛行時所捕獲的空氣。采用煤油直接燃燒加熱來流空氣，將來流空氣加熱到預定溫度，同時固定喉道直徑通過控制電磁閥門開關控制來流壓強，從而達到控制流量的目的。來流參數的實驗結果如圖4～圖6所示。

圖4 來流溫度隨時間的變化Fig．4 Inflow temperature vs time

圖5 來流總壓隨時間的變化Fig．5 Inflow total pressure vs time

圖6 來流流量隨時間的變化Fig．6 Inflow mass flux vs time

可見，來流空氣溫度平穩，平均值為581．5K；來流空氣壓強平穩，總壓平均值為0．529 8MPa；來流空氣流量平穩，平均值為0．292 9kg／s。模擬來流空氣各參數值浮動不超過1%，滿足固沖發動機工作環境對來流空氣的參數要求，且參數變化小排除了來流空氣對含硼燃氣燃燒效率的影響。

2．2 光學測量

在實驗過程中利用高速攝影拍攝補燃室4個窗口，為降低等離子體發光強度對含硼燃氣二次燃燒圖像的影響，將曝光時間和光圈分別調整為15μs和F11，得到含硼擴散燃燒實驗過程的火焰圖像如圖7所示，其中圖7（a）為發動機點火前等離子體已經開始工作的圖像，沒有拍攝到明顯的等離子體炬（紅圈區域為等離子體炬的工作區域），排除了等離子體發光強度的影響；圖7（b）為等離子體工作以及含硼燃氣同時燃燒的圖像；圖7（c）為斷開等離子體后僅有含硼燃氣二次燃燒的圖像。對比圖7（a）、圖7（b）和圖7（c）可以看出，加入等離子體后，等離子體炬本身沒有造成補燃室出現明顯亮度，當燃氣二次燃燒同時加等離子體，等離子體促進含硼燃氣二次燃燒使得補燃室發光強度明顯增強；并且出現硼完全燃燒時特有的綠色火焰。

圖7 含硼燃氣燃燒火焰照片Fig．7 Images of boron－based gas flame

2．3 壓力參數測量

發動機點火后，燃氣發生器壓強快速上升，達到峰值后迅速下降，壓力峰值為3．417 9MPa，此為點火藥快速燃燒引起的壓強變化。當壓強緩慢上升時表明推進劑開始燃燒，由于凝聚相的沉積，燃氣發生器噴管喉徑減小，導致壓強出現緩慢上升趨勢。結果如圖8所示，燃氣發生器平均壓強為1．441 6MPa，工作時間為8．55s。

一次燃氣經長尾管進入補燃室與來流空氣進行二次燃燒，由于亞聲速燃燒，補燃室4個不同截面的靜壓p1～p4和總壓p＊1～p＊4在數值上基本相同，如圖9和圖10所示。補燃室壓強變化趨勢與燃氣發生器基本一致，緩慢上升。前半部分為加等離子體后補燃室的壓強變化，當斷開等離子體時（188．39s），原本緩慢上升的補燃室總壓、靜壓出現突降臺階，總壓由0．315 4MPa降為0．295 1MPa，壓力突降0．022 3MPa，降低約7．07%。說明等離子體可以提高含硼燃氣二次燃燒的補燃室壓強。

圖8 燃氣發生器的壓強變化Fig．8 Pressure history of fuel－rich gas generator

圖9 補燃室的靜壓變化Fig．9 Static pressure history of afterburning chamber

圖10 補燃室的總壓變化Fig．10 Total pressure history of afterburning chamber

2．4 實驗數據

依據2．3節所示方法對該實驗結果進行數據處理，得到實驗參數如表1所示。

可見，空燃比13．60時，等離子體可以使固沖發動機補燃室的壓強由0．295 1MPa上升到0．315 4MPa，相應的實驗特征速度分別為659．7m／s和705．1m／s；理論特征速度由 CEA軟件計算得到1 151．3m／s；相應的燃燒效率分別為57．30%和61．24%，等離子體提高燃燒效率3．94%。此固沖發動機實驗系統的燃燒效率相對較低，主要是由于該發動機補燃室尺寸長度較短，含硼燃氣未能充分燃燒；擴散燃燒系統減弱了來流空氣的摻混效應，從而影響了發動機的燃燒效率。

在相同實驗條件下進行了5次實驗，僅更改等離子體的放電功率，研究放電功率對含硼固沖發動機燃燒效率的影響。

表1 實驗結果數據分析Table 1 Data analysis of experimental results

定義燃燒效率的增長率φ為

式中：ηplasma為加入等離子體后得到的固沖發動機燃燒效率；η0為不加等離子體時得到的固沖發動機燃燒效率。等離子體放電功率對燃燒效率增長率的影響如圖11所示。

圖11 放電功率對含硼固沖發動機燃燒效率的影響Fig．11 Effect of plasma discharge power on combustion efficiency of boron－based solid ducted rocket

可見，當增加等離子體的放電功率時，活性粒子濃度增多，活性粒子參與含硼燃氣的二次燃燒過程，有利于硼顆粒能量的進一步釋放，從而提高了含硼固沖發動機的燃燒效率。但當功率過高時，發動機燃燒效率增加率增加不明顯，因此等離子體炬助燃需要根據固沖發動機的參數進行優化。

3 結 論

提出并驗證了等離子體應用于固沖發動機的方法，建立了相應的實驗和測量系統，利用高速攝影儀和燃氣發生器、補燃室的壓強測量采集系統，分析了等離子體條件下含硼燃氣二次燃燒的火焰圖像和燃燒效率。

1）模擬來流空氣參數穩定，各參數值浮動不超過1%，溫度、總壓和流量分別為581．5K、0．529 8MPa和0．292 9kg／s，滿足固沖發動機工作環境對來流空氣的參數要求。

2）利用高速攝影儀拍攝補燃室含硼燃氣的二次燃燒過程，可以看出加入等離子體后火焰面更寬且穩定。在設定的光圈和曝光時間下，圖像顯示等離子體炬沒有明顯的亮光，而當含硼燃氣進入補燃室時，等離子體作用于含硼燃氣使含硼燃氣發生更劇烈地燃燒，圖像顯示火焰更加明亮和穩定，并且出現硼完全燃燒時特有的綠色火焰，說明等離子體可以促進硼的點火燃燒。

3）斷開等離子體補燃室總壓和靜壓出現突降臺階，總壓由0．315 4MPa降為0．295 1MPa，壓強突降0．022 3MPa，降低約7．07%；通過特征速度計算燃燒效率，可知等離子體可以使含硼燃氣的燃燒效率由57．30%增加為61．24%，燃燒效率提高3．94%。放電功率越高，固沖發動機燃燒效率的增長率越高，達到了提高發動機工作性能的目的；但當放電功率過高時，發動機燃燒效率增加率增加不再明顯，因此等離子體炬助燃需要根據固沖發動機的參數進行優化。

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Experimental analysis on plasma assisted secondary combustion of boronbased gas

ZHANG Peng1，HONG Yanji1，＊，DING Xiaoyu1，JI Hailong2
1．State Key Laboratory of Laser Propulsion ＆Application，Equipment Academy，Beijing 101416，China
2．Science and Technology on Combustion，Internal Flow and Thermal－Structure Laboratory，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

In order to research the influence of plasma on the secondary combustion characteristic of boron－based gas in the afterburning chamber，a diffusion combustion experimental model which can exclude the mixing effect of intake air on the boron－based gas is designed and built．The flame image of boron－based gas secondary combustion is measured by the highspeed photographic apparatus to analyze the degree of brightness of the flame and the flame shape；the total pressure and static pressure of different cross－sections in the combustion chamber are measured to analyze the combustion efficiency of boron－based propellant under the influence of plasma．The results show that when adding plasma torch at the secondary combustion of boron－based gas，the combustion efficiency of boron－based gas increases and the boron－based flame is brighter；the abrupt decrease in the total pressure and static pressure appears when turning the plasma torch off．These show that the chemical reaction rate of boron－based gas increases with plasma，and the combustion efficiency of boron－based propellant in the solid rocket ramjet increases with plasma，which leads to the increase of the total pressure and static pressure with plasma；the combustion efficiency increases with the growth of discharge plasma power．

plasma torches；ducted rocket engines；boron；afterburning chamber；diffusion flames

2015－09－13；Revised：2015－10－25；Accepted：2015－11－17；Published online：2016－01－31 12：57

URL：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160131．1257．010．html

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V435

A

1000－6893（2016）09－2721－08

10．7527／S1000－6893．2015．0350

2015－09－13；退修日期：2015－10－25；錄用日期：2015－11－17；網絡出版時間：2016－01－31 12：57

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＊通訊作者．Tel．：010－66364438 E－mail：hongyaniji＠vip．sina．com

張鵬，洪延姬，丁小雨，等．等離子體增強含硼燃氣二次燃燒實驗分析［J］．航空學報，2016，37（9）：27212－728．ZHANG P，HONG Y J，DING X Y，et al．Experimental analysis on plasma assisted secondary combustion of boronb－ased gas［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2016，37（9）：27212－728．

張鵬 男，博士研究生。主要研究方向：等離子體點火助燃技術。

E－mail：zhangpengtf＠126．com

洪延姬 女，博士，研究員，博士生導師。主要研究方向：先進推進技術。

Tel．：010－66364438

E－mail：hongyanji＠vip．sina．com

＊Corresponding author．Tel．：010－66364438 E－mail：hongyanji＠vip．sina．com